拉普拉斯方程、帕松方程與位勢論

調和函數的最大值原理(maximum principle for harmonic functions)

調和函數在其區域內部不可能有山峰或山谷——它的極值只能出現在邊界上。想想鐵絲圈上的肥皂膜:它從不在中間鼓出一個高點或凹下一個低點,因為任何這種隆起都能藉由攤平而鬆弛。膜的最高點與最低點永遠在邊緣上。這就是最大值(與最小值)原理,是整個偏微分方程理論中最強大的工具之一。

精確地說,弱最大值原理說:若 u 在一有界區域上調和且直到邊界連續,則 u 在閉區域上的最大與最小值都在邊界上達到。它由平均值性質一行導出——若某內部點等於最大值,它就等於其球面平均,而這除非附近每個值也都等於最大值否則不可能,於是迫使 u 為常數。強最大值原理把這鋒利化:若 u 在哪怕一個內部點達到內部最大,則 u 在整個連通區域上為常數。一旦進到內部,就無法在不處處貼平於天花板的情況下碰到天花板。

回報是狄利克雷問題的唯一性與穩定性,幾乎是免費的。若兩個調和函數有相同的邊界值,它們的差調和且邊界值為零,故其最大與最小值皆為零——差恆等於零、解唯一。穩定性同理:若兩組邊界資料處處至多相差 epsilon,則兩解在內部處處至多相差 epsilon,故解連續依賴於資料。這一個原理是橢圓型方程適定性的支柱,其各種版本也適用於熱方程乃至遠超於此。

若板上一個調和的溫度在邊界上處處介於 10 到 30 度,則它必定在每個內部點也介於 10 到 30 度——內部沒有任何一點能比最熱的邊更熱、或比最冷的邊更冷。你無需求解方程就能界定內部。

邊界值框住整個內部——唯一性與穩定性的來源。

它是最大值「且」最小值原理:調和函數兩者皆滿足,因為 u 與 -u 都調和。這種雙邊性是調和(與橢圓型)函數所特有;次調和函數只服從最大值那一半,而一般偏微分方程的解可能兩者皆不服從。

又称
maximum/minimum principle極值原理