調和函數與狄利克雷問題

次調和函數(subharmonic function)

調和函數恰好坐在其周圍的平均上。次調和函數則坐在那個平均之上或之下——相對於調和平衡它往下垂,像一張從下方被壓住的繃緊薄膜,或一個帶有內部吸熱孔的溫度場。前綴 sub-(次)意指它躺在任何在邊界上與它相符的調和函數之下,就像弦躺在凸圖形曲線之下(或之上)。

有兩種等價方式把它釘住。平均形式:一個連續(更一般地,上半連續)函數 u 是次調和的,若對每個小圓,圓心處的值小於或等於 u 在該圓上的平均——這是調和平均值等式的反向。比較形式:u 在 D 上次調和,若每當 h 在某子區域上調和且在該子區域邊界上 u <= h,則在內部也有 u <= h。對光滑函數還有第三個很好用的判準:u 次調和恰當其拉普拉斯算子非負,u_xx + u_yy >= 0。所以次調和之於調和,正如凸之於線性:凸函數躺在其弦之下;次調和函數躺在其調和優函數之下。

次調和函數是佩龍方法的原料:因為你可以取兩個次調和函數的最大值、結果仍是次調和函數(不像調和函數太剛硬而無法這樣組合),它們形成一個你可以往上推向狄利克雷問題之解的彈性家族。它們也滿足自己的最大值原理——次調和函數在邊界上達到最大值——這正是你對一個往上鼓起的東西所預期的。提防一個常見的失誤:對解析函數 f,|f(z)| 與 log|f(z)| 是次調和的,這是最大模原理的一個來源,但它們一般並非調和;次調和是比調和嚴格更大、更有彈性的一類。

u(x, y) = x^2 + y^2 = |z|^2 是次調和的:其拉普拉斯算子為 u_xx + u_yy = 2 + 2 = 4 >= 0。它在任何圓心處的值(在原點為零)低於圓上平均(即半徑平方),印證了次平均值不等式。

碗狀的 |z|^2 有非負的拉普拉斯算子,這是次調和函數的標誌。

把不等式反過來就是超調和函數(拉普拉斯算子 <= 0、圓心處值 >= 圓上平均);既次調和又超調和的函數恰是調和的。次調和函數可以是上半連續的並取值 -無窮,佩龍方法實際上正利用了這點。

又称
sub-harmonic function下調和函數subharmonic