第一章 调和方程

1方程的物理背景和定解问题

1.

验证 Laplace 算子 维极坐标 下以及 维球坐标 下的形式:

方法 I. 维坐标 的参数化是从而于是由此相加得

维坐标 的参数化是 以及 维情形的计算结果, 有相加得其中 , 且

方法 II. 我们用流形上 Laplace 算子来解题, 其中 是 Hodge 星算子.

维极坐标有转换 , 则推出从而 构成一组标准正交基, 于是有 . 由此,

维有球坐标转换 , 则推出从而 构成一组标准正交基. 由此,

注:

维时, Laplace 算子有如下的形式.

公式. 上, Laplace 算子在极坐标下的表达式为其中 唯一地写成 , 单位球面 上的度量诱导自这个嵌入, 相应地有球面上的 Laplace 算子 .

证明.

证明. 的坐标是 , 上的标准度量就是这里 上的标准度量, 最后一个等号是因为 推出 .

再设 的局部坐标是 , 以及 , 就有 上的标准度量在坐标 下等于换言之, 系数矩阵 .

回忆 Riemann 流形上的 Laplace 算子的坐标表示为其中 , 矩阵 .

现在 , 有 , , 其中 , . 因此

4.

, 由于 , 有 .

6.

为单位球 , 构造下述方程的非零解: 由于边界条件, 考虑形如 的特解, 这里 , 的一个非零特征函数, 也就是 . 说明特征值 . 根据 Laplace 算子的极坐标表达式, 试着取 , 则 . 边界条件进一步要求于是令 , 其中 的两个根.

注:

特征函数 的存在性可用变分法说明: 设这里的 是 Sobolev 空间 (不是 de Rham 上同调群) , 是说 .

取一个极小化序列 (是指 ) 满足 , 由于 有界, 抽取子列后 下弱收敛于某个 , 由 Rellich 定理, 再次抽取子列后 下强收敛于 . 因为, 并且 说明 ; 对一切 可得积分得常数 , 系 .

类似地, 设已有特征函数 , 通过研究可得特征值 以及对应的 . 对 反复用椭圆正则性, 得到 , 这是 de Rham 上同调群 (不是 Sobolev 空间) . 具体的过程见 [Jo] 3.2 节.

事实上可以算出 从小到大第 个不同的正特征值为 , 见 [Ta] Chapter 8 Corollary 4.3.

7.

是上一题的特例, 参数化为 , 的特征值是 , 的根是 , 从而于是是这个方程的解.

9.

方法 I. 对多项式 计算 , 再用稠密性得出结果.

引理. 上的齐次多项式, 次数为 , 简记 , 有

证明., 有于是

下面说明 . 特别地, 如果 , 那么 .

是齐次多项式, 次数为 , 由引理 ( 的含义同上) , 最后的等号是因为 变换为 (注意 的次数为 ) 由线性, 命题对 是多项式 (未必齐次) 同样成立, 又由于 中多项式是局部上稠密的 (用 Stone–Weierstrass 定理) , 命题进一步对 成立.

方法 II. 用前面给出的 Laplace 算子的表达式来计算.

设极坐标下 , , 则 . 这样故有于是当 .

方法 III. 直接计算. 过程较复杂, 隐藏了.

1个回答被折叠 (为什么? ) .
1 个回答被折叠 (为什么? ) .对于 , 计算得到其中第 4 个等号是因为 以及倒数第 2 个等号则是因为, 对取定的 , 有

2调和函数的基本性质与应用

2.

6.

对任意 , 由平均值性质, 对任何 , .

8.

, 对 , 上的非负调和函数.

注:

, 结论不再成立, 比如 上的下有界的调和函数 一定是常数: 注意到下图的 上的下有界的调和函数故是常数.

9.

通过平移, 对非负调和函数 证明即可.

方法 I. 对任意 , 由梯度估计, 对任何 成立, 令 . 于是 为常数.

方法 II. 对任何两点 , 记 ,

10.

方法 I. 对距离小于 , 由 得到 .

取大约 个点 使 , 那么 .

方法 II. 由梯度估计, 对 , 有

3极值原理及其应用

1.

是有界开集, 且不妨设 连通.

先考虑 的情况. 假设 内部某点取到最大值, 那么在该点 , 且 是半负定对称阵, 则 (对 是正交阵, 令 ) . 记 , 有 , 矛盾.

, 取 , , 则 , 由于 , 取 很大就有 , 于是 . 令 就有 .

注: 更一般的结果如下, 证明完全相同. 更多结论见 [GT] 3.1 节.

弱极值原理. 满足其中 是有界函数, 且 是严格椭圆的, 即 对所有 以及常数 成立, 则 代替 , 得到 .

2.

非空, 假设 , 作与 相切的球 , 对 使用强极值原理得到球内在切点附近 的值更大, 矛盾.

3.

直接证明更一般的结果, 是 Hopf 引理的一种情形. 更多结论见 [GT] 3.2 节.

强极值原理. 满足其中 是有界函数, 且 是严格椭圆的. 若并且存在与 相切于 的球 , 则对任何向外的方向 (即 ) 有

不妨设 , 取 的邻域 . 考虑 上的函数 , 均待定.

先说明 , 只需验证 . 事实上, 由于 , 取 很大就有上式 .

由弱极值原理, 的最大值在 上取到; 而 的最大值又在 取到, 这是因为:

, 于是 ;

, , 这只需要 相对于 很小即可.

因此 的最大值在 取到. 那么于是有

6.

4Green 函数法

2.

[2] 对任意给定的 , 由于 上的调和函数, 对任意的 , 上面的大于等于不能取等号, 不然 是常数, 然而 .

由于 上的调和函数,

[4] Green 恒等式中取 为常数 .

[3] 令 , 是调和函数. 取 , 由 Green 公式,

上是 , 于是

由于 , 以及 , 在上式中让 得到 , 即 .

9.

用静电源像法.

(1) 设 关于圆周的反演点是 , 关于直径的对称点是 , Green 函数为

(2) 设 关于 的对称点是 , 关于 的对称点是 , Green 函数为

14.

由第 11 题, 只需证明 满足平均值性质. 回忆平均值性质的证明过程, 只需证明对任何球 成立 .

, ;

均相交, 记 上的单位外法向量, 方向相反, 则

5特征值问题

3.

正交是因为, 对 由于 , 要说明 是完备系, 只需说明任何 可以用 的线性组合在 范数下逼近: 事实上,

0.

本题来自以前的讲义, 是要证明 Sturm-Liouville 定理, 即定理 1.5.1.

另一解法见 [Sa] Theorem 8.3 (P117).

1.

特征值 非负是因为 当且仅当存在特征函数 使 , 当且仅当 .

设特征值 对应的解为, 代入边界条件得方程组有解 , 等价于分类讨论可以说明 (详见 [Zh] 定理 3.6) 所有特征值是并且有渐近公式 .

2.

首先, 根据表达式有 .

不同特征值的特征函数 是正交的, 这是因为最后一步中, 在 表明由边界条件, 同一特征值的特征函数空间只有 维.

第一、第二类边界条件下, 特征函数全体的完备性是标准的 Fourier 级数结论; 涉及第三类边界条件需要用自伴紧算子的性质, 推导同后面的推广.

3.

非常大时, 快速振荡, 范数与 范数差不多大: 具体来讲, 设 , 有因此对于 收敛的级数

推广: 维的情形同样有如下的结论. 总的来说, 1 是因为 是自伴紧算子, 2,3 要用到全局正则性.

定理. 考虑边界光滑的有界区域 上的混合边界条件特征值问题: 其中 , 三者均为 的若干个连通分支的并, . 我们有如下结论成立:

1.

所有的特征值 都是非负的, 且构成趋于 的单调递增序列, 可记为特别地, 当且仅当边界条件是 Neumann 的, 即 .

2.

存在一列特征函数 (对应特征值 ) , 构成 的完备标准正交基. 从而任意 可以表示为右端在 意义下收敛.

3.

如果 , 且 均满足上面的边界条件, 则 的右端按 收敛到 .

证明. 首先, 对于不同的边界条件来选取 Hilbert 空间 . 当 时, 仿照 , 取而当 时, 取 的常数函数的正交补空间, 系接着, 定义双线性型这是 上的一个内积, 事实上 带来 , 且取等时 , 于是 是常数, 分别讨论 以及 的情况, 都进而有 .

而且, 这个内积对应的范数 原来的范数 是等价的, 这是因为, 一方面有另一方面, 假如对任意 不成立, 则对任意 亦不成立, 换言之存在一列 使得 根据 Rellich 定理, 是紧嵌入, 故存在一个子列 中收敛到某个 . 由于对任何 成立得到弱导数 存在并且是 , 于是 是常数. 又由, 况且 推出 , 分别讨论 以及 的情况都有 , 然而这和 矛盾.

至此完成了 等价于 的证明. 是故 同样是 Hilbert 空间, 那么根据 Riesz 表示定理, 对任何 , 存在唯一的 使且对任何 , 存在唯一的 使明显地, 上的线性算子, 且表明 的逆算子, 特别地, 连续. 现在在 两端复合嵌入映射, 使 变成 上的紧算子, 记为 , 具体来说: 左边的嵌入 是把 先映到 , 再通过 获得 , 也就是说 ; 右边的嵌入 作为 的子空间紧嵌入 , 是恒等映射. 由此, 上的紧算子. 此外, , 这说明 上的自伴的正算子.

那么, 由 Hilbert–Schmidt 定理, 存在可数个 的特征向量 构成 的完备标准正交基, 是对应的特征值.

更重要的是, 的子空间 上面是 的逆算子: 对 , 设 , 对任意 , 按定义, 由分布意义下的 Green 公式以及 , 相加得 的任意性, 有因此, , 且是 的弱解.

于是, 对于 , 令 (不过 Neumann 条件下需要令 , 因为常数函数满足 , 可是 的定义里去除了非零常数函数) , 有由全局正则性 (见 [Mi], IV.2 Theorem 7) , , 用 Morrey 不等式, .

最后, 如果 且满足上面的边界条件, 设均在 意义下收敛. 由连续嵌入 , 只需要说明 的 Cauchy 列 (从而收敛, 必定收敛到 ) , 分两种情况.

是偶数时, 由边界条件有推出所以

是奇数时, 对满足边界条件的 , 用迹定理有代入 所以

注:

Morrey 不等式的陈述与证明见 Sobolev 不等式, 迹定理见 [Ev] 5.5 Theorem 2.

假如上面的过程看晕了, 建议阅读位势方程一节来理解构造算子 的方法.

参考文献

[Ev]

L. C. Evans. Partial Differential Equations. Graduate Studies in Mathematics 19. Amer. Math. Soc, 2010.

[GT]

D. Gilbarg and N. S. Trudinger. Elliptic Partial Differential Equations of Second Order. Classics in Mathematics. Springer, 1998.

[Jo]

J. Jost. Riemannian Geometry and Geometric Analysis. Universitext. Springer, 2011.

[Mi]

V. P. Mikhailov. Partial Differential Equations. Mir Publishers, 1978.

[Sa]

F. Sauvigny. Partial Differential Equations 2. Universitext. Springer, 2012.

[Ta]

M. E. Taylor. Partial Differential Equations II. Applied Mathematical Sciences 116. Springer, 2011.

[Zh]

周蜀林. 偏微分方程. 北京大学数学教学系列丛书. 北京大学出版社, 2005.