柯西積分公式及其推論
高斯平均值定理(Gauss's mean-value theorem)
/ GOWS /
高斯平均值定理就是冠以高斯之名的平均值性質,通常針對調和函數陳述:調和函數在圓盤圓心處的值等於它在邊界圓上各值的平均。它就是你在解析函數那裡遇到的同一條平均律,如今改以拉普拉斯方程的實值解來表述,這些解支配著穩態熱傳、靜電位勢與理想流體流動。
精確地說:若 u 在以 z_0 為心、半徑 r 的圓盤上及其內部調和(意即在那裡 u_xx + u_yy = 0),則 u(z_0) = (1 / (2 pi)) 乘以從 0 到 2 pi 的 u(z_0 + r e^(i theta)) dtheta 的積分。你可以直接由柯西公式得出它,只需注意圓盤上的調和 u 是某個解析 f 的實部;f 的平均值性質傳遞到它的實部。從物理上說,它表示某點的穩態溫度是繞它任一圓上溫度的平均——平衡時不會自發出現熱點。
高斯的版本是通往調和函數最大原理與帕松積分公式的門戶,後者把單純的圓周平均升級為一個加權平均,還能處理偏離圓心的點。值得記住的是這個等式是精確的、而非近似的:平衡場是完美自我平均的,這正是狄利克雷問題(給定邊界值、求內部場)何以有唯一且抹平的解的原因。
調和函數 u(x, y) = x 在以原點為心、半徑 r 的圓上的平均值為 (1 / (2 pi)) 乘以從 0 到 2 pi 的 r cos(theta) dtheta 的積分,等於 0——等於 u(0, 0) = 0。
調和函數的圓心值是其邊界值的平均。
平均是針對圓(邊界)取的,只給出圓心處的值;對整個實心圓盤取的平均同樣等於圓心值,但這是兩個不同的(皆為真的)敘述,並非同一個。
又稱
另見