調和函數與狄利克雷問題

帕松積分公式(Poisson integral formula)

/ PWAH-sohn /

對柯西積分公式而言,解析函數在圓上的邊界值能在內部還原它。帕松積分公式就是這個想法對調和函數的實變數孿生:給定一個調和函數在圓盤邊界圓上的值,公式便把它在每個內部點的值還原為邊界資料的加權平均。它是圓盤上狄利克雷問題的顯式解。

在單位圓盤上,設我們想求調和函數 u,其在單位圓上有給定的連續邊界值 u(e^(i t)) = g(t)。則對內部點 z = r e^(i theta)(0 <= r < 1),帕松公式說 u(r e^(i theta)) = (1 / (2 pi)) 乘以從 0 到 2 pi 的 P_r(theta - t) g(t) dt 的積分,其中 P_r(phi) = (1 - r^2) / (1 - 2 r cos phi + r^2) 是帕松核。把它讀成一種平均:每個邊界值 g(t) 都被 P_r(theta - t) 加權,當 t 接近角 theta(靠近 z)時權重大、當 t 遠時權重小,所以最靠近 z 的邊界點影響最大。權重非負且積分為 2 pi,使公式成為真正的加權平均——這正是最大值原理免費掉出來的原因。當 r -> 0 時核變平,你便還原出平均值性質 u(0) = g 的平均。

這一條公式作用甚廣:它證明圓盤上的狄利克雷問題對連續邊界資料總是可解,它顯示無論 g 多麼粗糙、解在內部都光滑(事實上是實解析的),而且它是藉由共形移植在任何良好有界區域上求解該問題的種子。一點實務警告:公式只在開圓盤內部還原 u;當 z 趨向邊界時,在 g 連續的每一點極限等於 g(t),但若 g 有跳躍,內部的值會平滑地跨越跳躍取平均,而非重現它。

取邊界資料 g(t) = cos t。帕松積分回傳 u(r e^(i theta)) = r cos theta = x,即圓盤上等於邊界 cos t 的唯一調和函數——與用觀察法找到的狄利克雷問題答案相符。

帕松公式把邊界資料 cos t 變成調和內部 r cos theta。

如所述的公式是針對單位圓盤;在以 z_0 為心、半徑 R 的圓盤上,需把 r 適當地換成 |z - z_0|/R。對非圓盤的區域,你要先共形映射到圓盤——對任意區域並沒有同樣簡單的通用核。

又稱
Poisson's formula帕松公式Poisson representation