最大值原理與定性性質
強最大值原理(strong maximum principle)
弱形式說調和函數的最高值落在邊界某處。強形式走得更遠,說:它「只」落在邊界。若一個調和溫度竟在某個單一內部點觸及它的最大值,唯一可能的情形是這個溫度處處等於同一個平的值。調和函數的中間不可能有一個孤立的熱點——內部一旦出現尖峰,整個函數就被迫成為常數。
精確地說:設 u 在一個連通開區域上滿足 Laplacian u >= 0(次調和)。若 u 在某個內部點達到其最大值,則 u 在整個區域上是常數。直覺來自平均值性質:調和函數在任一點等於它在一個微小周圍球面上各值的平均。若中心是嚴格最大值,球面上的平均就必須嚴格小於中心值——與相等矛盾。因此嚴格的內部最大值不可能;唯一的出路是周圍的值全都等於那個尖峰值,再由連通性把這份相等鋪滿整個區域。同樣的敘述對一般均勻橢圓方程的解都成立,不只是拉普拉斯算子。
這種剛性是橢圓型唯一性與比較論證的脊梁:它說解不可能藏有內部極值,於是它的整體行為都由邊界掌控。配上霍普夫邊界點引理(它掌控最大值在邊界達到處的導數),就給出諾伊曼與羅賓問題唯一性的標準路徑,以及透過移動平面法得到的對稱性結果。誠實提醒:它需要連通性與橢圓(或拋物)算子;對一般 PDE、或在不連通的區域上,內部最大值完全可以出現而不迫使解成為常數。
假設一個連通板上的調和函數 u,已知在某個內部點等於 30 度,且處處最多 30 度。強最大值原理迫使 u 在整塊板上都恰好是 30 度——不可能有一個溫暖的內部點凸出在較涼的四周之上。
內部出現尖峰,就迫使解處處都是平的。
連通性是關鍵:在兩個分開的連通分支上,一塊可以是常數高、另一塊常數低,於是高塊上的內部最大值不會迫使低塊跟著相等。結論是在每個連通分支上為常數,未必在整個區域上。
又称
另见