平均值性質(mean-value property)
這裡是調和函數最具特徵的單一事實,聽起來幾乎乾淨得不像真的:任一點的值恰好等於繞該點所畫任一圓(或球面)上各值的平均。無論圓畫得多大,只要落在區域內,中心值就等於邊緣的平均。調和函數在每一點、每個尺度上,都完美地自我平均。
精確地說,若 u 在某區域上調和,且以點 p 為心、半徑 r 的球落在其內,則 u(p) 等於 u 在以 p 為心、半徑 r 的球面上的平均,也等於 u 在整個實心球上的平均。原因正是方程本身:Laplacian u = 0 說 u 無淨曲率,故那些會把邊緣平均拉高於中心的貢獻,恰好被把它拉低的貢獻抵消。值得注意的是逆命題也成立——一個在每個小球面上都具平均值性質的連續函數,自動是調和的。所以平均值性質不只是拉普拉斯方程的推論;它是調和性的等價定義,而且往往是更有用的那個。
幾乎整個定性理論都由這一個性質導出。最大值原理立即可得:u 取最大的點不可能超過其周圍球面上的平均,除非 u 在該處為常數,故內部極大不可能。平滑性隨之而來,因為在球上取平均是一種平滑運算。哈納克不等式、劉維定理、以及各收斂定理全都回溯到平均值。它也是機率圖像背後的引擎:調和函數在一點的值,等於從該點出發的隨機漫步所抵達邊界值的期望值。
取 u(x, y) = x,它是調和的。在以 (a, b) 為心、半徑 r 的任一圓上,x 的值為 a + r cos(theta);對 theta 從 0 到 2 pi 取平均,餘弦積分為零,平均值為 a——恰好是中心值 u(a, b) = a。性質成立,這對任何調和函數都必然如此。
中心值等於邊緣平均——調和性的定義性自我平衡。
逆命題確實要求平均值性質在每一點對「所有」小球面(或所有小球)都成立,而非只在某一個半徑上。一個函數可能碰巧在某個特殊圓上等於其平均卻不調和;調和性需要在每個尺度上都相等。