弱最大值原理(weak maximum principle)
把一張肥皂膜撐在一個鐵絲圈上。膜永遠不會鼓得比鐵絲的最高點還高,也不會垂得比最低點還低——它的高低起伏全都落在邊緣的圈上,而不在中間。弱最大值原理對橢圓型方程的解講的是同一件事:解不可能取到比它在邊界某處已經取到的值還大(或還小)的值。最大與最小都住在邊上。
精確地說:若 u 在一個有界區域上滿足拉普拉斯方程 Laplacian u = 0(或滿足次調和不等式 Laplacian u >= 0),則 u 在閉區域上的最大值等於 u 只在邊界上的最大值。「弱」這個字的意思是它只保證最大值會在邊界某處達到——並不禁止同一個最大值也出現在內部。證明的點子很短:加上一個微小向上彎的隆起,例如 epsilon 乘以 |x|^2,它的拉普拉斯算子嚴格為正,於是這個被加料的函數不可能有內部最大值(內部最大值會迫使 Laplacian <= 0);把這個內部最大值逼到邊界,再讓 epsilon 趨於零。次調和函數(Laplacian u >= 0)只服從最大值那一半;對完整調和的 u,對 -u 套用同樣論證就能得到最小值那一半。
這是你最先、也最便宜的定性資訊:它只用邊界上的資料就把解處處界定住,完全不必求解。由它流出唯一性(兩個邊界資料相同的解必相等,因為它們的差是邊界值為零的調和函數,故為零)與穩定性(邊界資料的微小改變,最多在內部造成同樣微小的改變)。強最大值原理把它再磨利:除非解是常數,否則連內部最大值都不准出現。
一塊板上的調和溫度,若整個邊界都維持在 5 到 25 度之間,則保證內部每一點也都在 5 到 25 度之間。你立刻就得到這個界限,完全不需要溫度本身的公式。
光是邊界資料就框住整個內部。
它確實比強形式弱:弱形式說最大值在邊界達到,但容許內部出現同值;強形式說除非解是常數,否則內部最大值根本不可能出現。別把兩者搞混。