調和函數與狄利克雷問題

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

站在一塊處於穩態溫度的金屬板裡面問:最熱的點可能在中間某處嗎?答案是不行——熱會從任何內部峰值流走,直到它變平。最暖與最冷的地方必定位於邊界上。這就是調和函數的最大值原理(依同樣邏輯還有最小值原理):一個非常數的調和函數,在其區域的任何內部點都既不取得最大值也不取得最小值。

更精確地說,設 u 在有界區域 D 上調和且連續延伸到邊界。則 u 在 D 的閉包上的最大與最小值都在 D 的邊界上達到。若最大(或最小)值在某內部點達到,則 u 必在整個連通區域上為常數——這是強形式。其背後的引擎是平均值性質:在任一內部點 z_0,值 u(z_0) 等於 u 在以 z_0 為心的小圓上的平均。若 u(z_0) 是周圍最大的值,鄰居的平均便不可能超過它,於是附近所有值都必等於 u(z_0);反覆如此會把最大值散布開來,把 u 釘成常數。

回報是邊界值問題的唯一性。若兩個調和函數在 D 的邊界上相等,它們的差是邊界值為零的調和函數,於是由最大與最小值原理,這個差在各處都被夾在 0 與 0 之間——它恆等於零。因此一個調和函數完全由其邊界值決定,這正是使狄利克雷問題適定的關鍵。一點警告:這需要區域有界;在無界區域上,調和函數可以無限增長而從不取得內部最大值,所以該原理必須謹慎陳述(需用一個無窮遠處行為的假設)。

在單位圓盤上,u(x, y) = x 是調和的;它在閉圓盤上的最大值為 1、最小值為 -1,兩者都在邊界圓上達到(在點 1 與 -1),絕不在內部。

調和函數 x 只在邊界上達到其極值,恰如原理所要求。

此原理談的是實調和函數及其值;對解析函數的類比敘述是最大模原理,談的是 |f| 而非 f 本身(Re f 在內部取最大值同樣被禁止,但 Re f 可為負——除非 f 不為零,否則沒有「最小模」原理)。

又称
maximum-minimum principle極值原理extremum principle for harmonic functions