拉普拉斯方程、帕松方程與位勢論

次調和函數(subharmonic function)

調和函數恰好坐落在其局部平均上。次調和函數則是坐落在其平均之上或之下——它們向上傾,伏在調和理想之下,就像凸曲線位於弦之下,只是這裡的比較是對球面取平均。它們是調和函數半放鬆的表親,也是在任何公式都嫌太不規則的區域上建造解的關鍵技術手段。

精確地說,若 u 在某區域上至多等於它在每個以區域內某點為心的小球面上的平均,則稱 u 在該區域上次調和:u 在中心的值小於或等於其周圍的球面平均。等價地,在 u 二次可微之處,Laplacian u 大於或等於 0——臨界的 Laplacian u = 0 是調和,而嚴格為正的拉普拉斯算子把 u 向上彎。一元凸函數是其一維模型。關鍵性質是單邊最大值原理:次調和函數只在邊界上達到其最大值(它可以低於一個調和比較者,但永不高於它),不過與調和函數不同,它未必服從任何最小值原理。超調和函數是其鏡像,Laplacian u 小於或等於 0。

次調和函數是佩龍法的引擎,該法能在本質上任意的區域上求解狄利克雷問題。其想法是取所有保持在邊界資料之下的次調和函數所成的族,並把解定義為它們的上包絡(逐點上確界);在溫和條件下這包絡恰好是調和解。因為次調和性在取最大值下保持、且由一個不等式而非精確方程定義,這個族夠靈活,足以在沒有明確公式之處建造一個解。它們也瀰漫於複分析(對解析函數 f,log|f| 次調和)以及黏性解的現代理論。

在二維中 u = x^2 + y^2 是次調和的:Laplacian u = 2 + 2 = 4 > 0。它在任一圓中心的值小於邊緣周圍的平均(邊緣較遠,x^2 + y^2 較大),故它落在其球面平均之下——恰好是次調和不等式,且它在邊界上取最大值。

低於自己的平均,只有最大值原理——佩龍法靈活的素材。

正負號慣例不一,務必查清:此處「次調和」指 Laplacian u 大於或等於 0、值在球面平均之下,並具單邊最大值原理(無最小值原理)。超調和則相反。「次」指位於調和比較函數之下,而非指小。

又称
subharmonic下調和函數