数学 偏微分方程

偏微分方程习题 7:Harnack 定理与极值原理

围绕 Harnack 定理、调和函数与极值原理整理的偏微分方程习题与证明。

本页目录6 节

2025-12-09 #

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(Harnack 定理) 设 {uN}∈C(Ω‾)∩C2(Ω)\{u_N\}\in C(\overline{\Omega})\cap C^2(\Omega) 是 Ω\Omega 内的调和函数列, 如果 {uN}\{u_N\} 在 ∂Ω\partial \Omega 上一致收敛, 则它也在 Ω‾\overline{\Omega} 上一致收敛, 且收敛于一调和函数.

证明

设 Ω⊂Rn\Omega\subset\mathbb R^n 为有界域,{uN}⊂C(Ω‾)∩C2(Ω)\{u_N\}\subset C(\overline{\Omega})\cap C^2(\Omega), 且对每个 NN,uNu_N 在 Ω\Omega 内调和,即 ΔuN=0.\Delta u_N = 0. 又已知 {uN}\{u_N\} 在 ∂Ω\partial\Omega 上一致收敛于某个连续函数 gg,即 sup⁡x∈∂Ω∣uN(x)−g(x)∣→0(N→∞).\sup_{x\in\partial\Omega}|u_N(x)-g(x)|\to 0\quad (N\to\infty).

取任意 N,M∈NN,M\in\mathbb N,考虑 wN,M:=uN−uM.w_{N,M} := u_N - u_M. 由于差仍然是调和函数,wN,Mw_{N,M} 在 Ω\Omega 内调和且连续延拓到 Ω‾\overline{\Omega}。

由调和函数的最大值原理(及其对闭包的推广:极大值只能在边界取得),对 wN,Mw_{N,M} 与 −wN,M-w_{N,M} 分别应用可得

max⁡Ω‾wN,M≤max⁡∂ΩwN,M,max⁡Ω‾(−wN,M)≤max⁡∂Ω(−wN,M). \max_{\overline{\Omega}} w_{N,M} \le \max_{\partial\Omega} w_{N,M},\qquad \max_{\overline{\Omega}}(-w_{N,M}) \le \max_{\partial\Omega}(-w_{N,M}).

于是

max⁡Ω‾∣wN,M∣=max⁡Ω‾max⁡{wN,M,−wN,M}≤max⁡∂Ωmax⁡{wN,M,−wN,M}=max⁡∂Ω∣wN,M∣. \max_{\overline{\Omega}} |w_{N,M}| = \max_{\overline{\Omega}} \max\{w_{N,M},-w_{N,M}\} \le \max_{\partial\Omega} \max\{w_{N,M},-w_{N,M}\} = \max_{\partial\Omega} |w_{N,M}|.

也就是说 sup⁡x∈Ω‾∣uN(x)−uM(x)∣≤sup⁡x∈∂Ω∣uN(x)−uM(x)∣.\sup_{x\in\overline{\Omega}}|u_N(x)-u_M(x)| \le \sup_{x\in\partial\Omega}|u_N(x)-u_M(x)|.

由于 {uN}\{u_N\} 在 ∂Ω\partial\Omega 上一致收敛,因此在 ∂Ω\partial\Omega 上是一致 Cauchy 的,即 sup⁡x∈∂Ω∣uN(x)−uM(x)∣→N,M→∞0.\sup_{x\in\partial\Omega}|u_N(x)-u_M(x)| \xrightarrow[N,M\to\infty]{} 0.

由上式推得 sup⁡x∈Ω‾∣uN(x)−uM(x)∣→N,M→∞0,\sup_{x\in\overline{\Omega}}|u_N(x)-u_M(x)| \xrightarrow[N,M\to\infty]{} 0, 故 {uN}\{u_N\} 在 Ω‾\overline{\Omega} 上也是一致 Cauchy 列。由于 C(Ω‾)C(\overline{\Omega}) 在一致范数下完备, 存在 u∈C(Ω‾)u\in C(\overline{\Omega}),使得 uN→u在 Ω‾ 上一致收敛.u_N \to u \quad\text{在 }\overline{\Omega}\text{ 上一致收敛}. 特别地,在 ∂Ω\partial\Omega 上 u=gu=g,即 u∣∂Ω=gu|_{\partial\Omega}=g。

取任意一点 x0∈Ωx_0\in\Omega。由于 Ω\Omega 是开集,可以取 r>0r>0,使得闭球 Br(x0)‾:={x∈Rn:∣x−x0∣≤r}\overline{B_r(x_0)} := \{x\in\mathbb R^n : |x-x_0|\le r\} 满足 Br(x0)‾⊂Ω\overline{B_r(x_0)}\subset\Omega。

对每个 NN,因为 uNu_N 在 Ω\Omega 内调和,所以满足球面平均值性质: uN(x0)=1∣∂Br(x0)∣∫∂Br(x0)uN(y) dSy,u_N(x_0) = \frac{1}{|\partial B_r(x_0)|} \int_{\partial B_r(x_0)} u_N(y)\,dS_y, 其中 ∣∂Br(x0)∣|\partial B_r(x_0)| 为球面面积。

另一方面,我们已经知道 uN→uu_N\to u 在 Ω‾\overline{\Omega} 上一致收敛,因此在紧集 ∂Br(x0)⊂Ω‾\partial B_r(x_0)\subset\overline{\Omega} 上也一致收敛。于是 sup⁡y∈∂Br(x0)∣uN(y)−u(y)∣→N→∞0.\sup_{y\in\partial B_r(x_0)}|u_N(y)-u(y)| \xrightarrow[N\to\infty]{} 0.

故可将极限换入积分号内:

u(x0)=lim⁡N→∞uN(x0)=lim⁡N→∞1∣∂Br(x0)∣∫∂Br(x0)uN(y) dSy=1∣∂Br(x0)∣∫∂Br(x0)lim⁡N→∞uN(y) dSy=1∣∂Br(x0)∣∫∂Br(x0)u(y) dSy. \begin{aligned} u(x_0) &= \lim_{N\to\infty} u_N(x_0) = \lim_{N\to\infty} \frac{1}{|\partial B_r(x_0)|} \int_{\partial B_r(x_0)} u_N(y)\,dS_y \\ &= \frac{1}{|\partial B_r(x_0)|} \int_{\partial B_r(x_0)} \lim_{N\to\infty} u_N(y)\,dS_y = \frac{1}{|\partial B_r(x_0)|} \int_{\partial B_r(x_0)} u(y)\,dS_y. \end{aligned}

这表明对任意 x0∈Ωx_0\in\Omega 及足够小的 r>0r>0(使得 Br(x0)‾⊂Ω\overline{B_r(x_0)}\subset\Omega), 都有 u(x0)=1∣∂Br(x0)∣∫∂Br(x0)u(y) dSy.u(x_0) = \frac{1}{|\partial B_r(x_0)|} \int_{\partial B_r(x_0)} u(y)\,dS_y. 也就是说,uu 在 Ω\Omega 内满足球面平均值性质。

由调和函数理论中的标准定理:若 u∈C(Ω)u\in C(\Omega) 并在 Ω\Omega 内对每个球满足平均值性质, 则 uu 在 Ω\Omega 内调和(即 u∈C∞(Ω)u\in C^\infty(\Omega) 且 Δu=0\Delta u=0)。因此可得 Δu=0于 Ω.\Delta u = 0\quad \text{于 } \Omega.

综上,{uN}\{u_N\} 在 Ω‾\overline{\Omega} 上一致收敛于某个 u∈C(Ω‾)u\in C(\overline{\Omega}), 且 uu 在 Ω\Omega 内为调和函数,命题得证。

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设 u(x,y)u(x,y) 在以原点为心, R 为半径的圆 B(R)B(R) 内调和, 在 B(R)‾\overline{B(R)} 上连续, 又设 M=∬B(R)u2(x,y)dxdy.M=\displaystyle\iint_{B(R)}u^2(x,y)\text{d}x\text{d}y. 试证

  • (1) ∣u(0,0)∣⩽1R(Mπ)1/2|u(0,0)|\leqslant \dfrac 1R\left(\dfrac{M}{\pi}\right)^{1/2}.
  • (2) ∣u(x,y)∣⩽1R−r(Mπ)1/2(x,y)∈B(R)|u(x,y)|\leqslant\dfrac{1}{R-r}\left(\dfrac{M}{\pi}\right)^{1/2}\quad (x,y)\in B(R), r=x2+y2r=\sqrt{x^2+y^2}.
证明

(1) 在原点处的估计

因为 uu 在 B(R)B(R) 内调和且在闭圆盘上连续, 由调和函数的平均值性质(对圆盘的版本)可得

u(0,0)=1πR2∬B(R)u(x,y) dx dy. u(0,0) = \frac{1}{\pi R^2}\iint_{B(R)}u(x,y)\,dx\,dy.

于是

∣u(0,0)∣=∣1πR2∬B(R)u(x,y) dx dy∣≤1πR2∬B(R)∣u(x,y)∣ dx dy. |u(0,0)| = \left|\frac{1}{\pi R^2}\iint_{B(R)}u(x,y)\,dx\,dy\right| \le \frac{1}{\pi R^2}\iint_{B(R)}|u(x,y)|\,dx\,dy.

对右侧应用 Cauchy–Schwarz 不等式:

∬B(R)∣u(x,y)∣ dx dy≤(∬B(R)12 dx dy)12(∬B(R)u2(x,y) dx dy)12=(πR2)12M12. \iint_{B(R)}|u(x,y)|\,dx\,dy \le \left(\iint_{B(R)}1^2\,dx\,dy\right)^{\frac12} \left(\iint_{B(R)}u^2(x,y)\,dx\,dy\right)^{\frac12} = (\pi R^2)^{\frac12}M^{\frac12}.

于是

∣u(0,0)∣≤1πR2(πR2)12M12=1R(Mπ)12. |u(0,0)| \le \frac{1}{\pi R^2}(\pi R^2)^{\frac12}M^{\frac12} = \frac{1}{R}\left(\frac{M}{\pi}\right)^{\frac12}.

(1) 得证.

(2) 圆盘内部任意点的估计

令 (x0,y0)∈B(R)(x_0,y_0)\in B(R), 记 r=x02+y02<Rr=\sqrt{x_0^2+y_0^2}<R. 则点 (x0,y0)(x_0,y_0) 到边界圆周的距离为 R−rR-r. 对任意 0<ρ<R−r0<\rho<R-r, 以 (x0,y0)(x_0,y_0) 为心、半径 ρ\rho 的闭圆盘 Bρ(x0,y0)‾={(x,y):(x−x0)2+(y−y0)2≤ρ2}\overline{B_\rho(x_0,y_0)}=\{(x,y): (x-x_0)^2+(y-y_0)^2\le \rho^2\} 都满足 Bρ(x0,y0)‾⊂B(R)\overline{B_\rho(x_0,y_0)}\subset B(R).

由于 uu 在 B(R)B(R) 内调和, 由平均值性质可得 u(x0,y0)=1πρ2∬Bρ(x0,y0)u(x,y) dx dy.u(x_0,y_0) = \frac{1}{\pi\rho^2}\iint_{B_\rho(x_0,y_0)}u(x,y)\,dx\,dy. 从而 ∣u(x0,y0)∣≤1πρ2∬Bρ(x0,y0)∣u(x,y)∣ dx dy.|u(x_0,y_0)| \le \frac{1}{\pi\rho^2}\iint_{B_\rho(x_0,y_0)}|u(x,y)|\,dx\,dy. 同样使用 Cauchy–Schwarz 不等式:

∬Bρ(x0,y0)∣u(x,y)∣ dx dy≤(∬Bρ(x0,y0)12 dx dy)12(∬Bρ(x0,y0)u2(x,y) dx dy)12. \iint_{B_\rho(x_0,y_0)}|u(x,y)|\,dx\,dy \le \left(\iint_{B_\rho(x_0,y_0)}1^2\,dx\,dy\right)^{\frac12} \left(\iint_{B_\rho(x_0,y_0)}u^2(x,y)\,dx\,dy\right)^{\frac12}.

注意 ∬Bρ(x0,y0)12 dx dy=πρ2\iint_{B_\rho(x_0,y_0)}1^2\,dx\,dy = \pi\rho^2 且

∬Bρ(x0,y0)u2(x,y) dx dy≤∬B(R)u2(x,y) dx dy=M. \iint_{B_\rho(x_0,y_0)}u^2(x,y)\,dx\,dy \le \iint_{B(R)}u^2(x,y)\,dx\,dy = M.

于是得到 ∬Bρ(x0,y0)∣u∣≤(πρ2)12M12.\iint_{B_\rho(x_0,y_0)}|u| \le (\pi\rho^2)^{\frac12}M^{\frac12}. 代回不等式:

∣u(x0,y0)∣≤1πρ2⋅(πρ2)12M12=1ρ(Mπ)12. |u(x_0,y_0)| \le \frac{1}{\pi\rho^2}\cdot (\pi\rho^2)^{\frac12}M^{\frac12} = \frac{1}{\rho}\left(\frac{M}{\pi}\right)^{\frac12}.

这对任意 0<ρ<R−r0<\rho<R-r 都成立. 由于函数 f(ρ)=1ρf(\rho)=\dfrac{1}{\rho} 在 (0,R−r)(0,R-r) 上单调递减, 故

∣u(x0,y0)∣≤inf⁡0<ρ<R−r1ρ(Mπ)12=1R−r(Mπ)12. |u(x_0,y_0)| \le \inf_{0<\rho<R-r}\frac{1}{\rho}\left(\frac{M}{\pi}\right)^{\frac12} = \frac{1}{R-r}\left(\frac{M}{\pi}\right)^{\frac12}.

将 (x0,y0)(x_0,y_0) 改写为一般 (x,y)(x,y), r=x2+y2r=\sqrt{x^2+y^2}, 即得 ∣u(x,y)∣≤1R−r(Mπ)12,(x,y)∈B(R), r=x2+y2.|u(x,y)|\le \frac{1}{R-r}\left(\frac{M}{\pi}\right)^{\frac12}, \quad (x,y)\in B(R),\ r=\sqrt{x^2+y^2}.

因此 (2) 亦得证.

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设 u(x,y)u(x,y) 是定解问题

{Δu=0,(x,y)∈B(R),u∣∂B(R)=φ(x,y)\begin{cases} \Delta u=0, & (x,y)\in B(R),\\ u|_{\partial B(R)}=\varphi(x,y) & \end{cases}

的解, 又设 v(x,y)v(x,y) 是定解问题

{Δu=0,(x,y)∈B(R)∖O,v∣∂B(R)=φ(x,y)\begin{cases} \Delta u=0, & (x,y)\in B(R)\setminus O,\\ v|_{\partial B(R)}=\varphi(x,y) & \end{cases}

的有界解, 其中 OO 表示坐标原点, 且 O∈B(R)O\in B(R). 试证 OO 点是 v(x,y)v(x,y) 的可去奇点, 即

u(x,y)≡v(x,y),(x,y)∈B(R)∖O.u(x,y)\equiv v(x,y),\quad (x,y)\in B(R)\setminus O.
证明

记 w(x,y):=v(x,y)−u(x,y),(x,y)∈B(R)∖{O}.w(x,y):=v(x,y)-u(x,y),\qquad (x,y)\in B(R)\setminus\{O\}. 则有 Δw=Δv−Δu=0−0=0在 B(R)∖{O},\Delta w = \Delta v - \Delta u = 0-0 = 0 \quad\text{在 } B(R)\setminus\{O\}, 即 ww 在穿心圆盘 B(R)∖{O}B(R)\setminus\{O\} 内调和;并且由于 u,vu,v 都在 ∂B(R)\partial B(R) 上连续且 v∣∂B(R)=φ=u∣∂B(R),v|_{\partial B(R)}=\varphi=u|_{\partial B(R)}, 故 w∣∂B(R)=v−u=0.w|_{\partial B(R)} = v-u = 0. 又因为 vv 有界、uu 在 B(R)‾\overline{B(R)} 上连续,所以在 B(R)∖{O}B(R)\setminus\{O\} 上 ∣w(x,y)∣=∣v(x,y)−u(x,y)∣≤∣v(x,y)∣+∣u(x,y)∣≤C1,|w(x,y)| = |v(x,y)-u(x,y)| \le |v(x,y)|+|u(x,y)| \le C_1, 即 ww 在 B(R)∖{O}B(R)\setminus\{O\} 上也是有界的调和函数。

从而存在 w~∈C∞(B(R))\tilde w\in C^\infty(B(R)), 在整个 B(R)B(R) 内调和且满足 w~(x,y)=w(x,y)=v(x,y)−u(x,y),(x,y)∈B(R)∖{O}.\tilde w(x,y)=w(x,y)=v(x,y)-u(x,y), \quad (x,y)\in B(R)\setminus\{O\}.

由于 w~\tilde w 在 B(R)B(R) 内调和且连续延拓到闭圆盘 B(R)‾\overline{B(R)},并且在边界上有 w~∣∂B(R)=w∣∂B(R)=0,\tilde w|_{\partial B(R)}=w|_{\partial B(R)}=0, 由调和函数的最大值原理可知

max⁡B(R)‾w~=max⁡∂B(R)w~=0,min⁡B(R)‾w~=min⁡∂B(R)w~=0, \max_{\overline{B(R)}}\tilde w = \max_{\partial B(R)}\tilde w=0, \qquad \min_{\overline{B(R)}}\tilde w = \min_{\partial B(R)}\tilde w = 0,

因此 w~≡0于 B(R).\tilde w\equiv 0\quad\text{于 } B(R).

在 B(R)∖{O}B(R)\setminus\{O\} 内有 v−u=w=w~≡0,v-u = w = \tilde w \equiv 0, 故 u(x,y)≡v(x,y),(x,y)∈B(R)∖{O}.u(x,y)\equiv v(x,y),\qquad (x,y)\in B(R)\setminus\{O\}. 这说明 vv 在 OO 点的奇点实际上是可去的。 将 vv 在 B(R)∖{O}B(R)\setminus\{O\} 上与 uu 相等的延拓定义为 v(O):=u(O),v(O):=u(O), 即可得到一个在整个 B(R)B(R) 上调和的函数(即 uu 本身),从而 OO 为 vv 的可去奇点。

P212/1 #

设 u(x)u(x) 是定解问题

{−Δu+c(x)u=f(x),x∈Ωu∣∂Ω=0.\begin{cases} -\Delta u+c(x)u=f(x), & x\in\Omega\\ u|_{\partial \Omega}=0. \end{cases}

的一个解

  • (1) 如果 c(x)⩾C0>0c(x)\geqslant C_0>0, 则有估计
max⁡Ω‾∣u(x)∣⩽C0−1sup⁡Ω∣f(x)∣;\max\limits_{\overline{\Omega}}|u(x)|\leqslant C_0^{-1}\sup\limits_{\Omega}|f(x)|;
  • (2) 如果 c(x)⩾0c(x)\geqslant 0 且有界, 则
max⁡Ω‾∣u(x)∣⩽Msup⁡Ω∣f(x)∣,\max\limits_{\overline{\Omega}}|u(x)|\leqslant M\sup\limits_{\Omega}|f(x)|,

其中 MM 依赖于 c(x)c(x) 的界与 Ω\Omega 的直径;

  • (3) 如果 c(x)<0c(x)<0, 试举反例说明上述最大模估计一般不成立.
证明

(1) 情形 c(x)≥C0>0c(x)\ge C_0>0.

记 M:=max⁡Ω‾u(x)M:=\max_{\overline{\Omega}}u(x),取点 x0∈Ω‾x_0\in\overline{\Omega} 使得 u(x0)=Mu(x_0)=M。 因为 u∣∂Ω=0u|_{\partial\Omega}=0,若 M>0M>0,则 x0x_0 必在内部:x0∈Ωx_0\in\Omega。 在 x0x_0 处有 ∇u(x0)=0,Δu(x0)≤0.\nabla u(x_0)=0,\qquad \Delta u(x_0)\le 0. 由方程 −Δu(x0)+c(x0)u(x0)=f(x0)-\Delta u(x_0) + c(x_0)u(x_0) = f(x_0) 得 −Δu(x0)=f(x0)−c(x0)u(x0).-\Delta u(x_0) = f(x_0) - c(x_0)u(x_0). 注意到 −Δu(x0)≥0-\Delta u(x_0)\ge 0,且 c(x0)≥C0c(x_0)\ge C_0,于是 0≤−Δu(x0)=f(x0)−c(x0)u(x0)≤∣f(x0)∣−C0 u(x0).0 \le -\Delta u(x_0) = f(x_0) - c(x_0)u(x_0) \le |f(x_0)| - C_0\,u(x_0). 因此 C0 M≤∣f(x0)∣≤sup⁡x∈Ω∣f(x)∣=∥f∥L∞(Ω),C_0\,M \le |f(x_0)| \le \sup_{x\in\Omega}|f(x)|=\|f\|_{L^\infty(\Omega)}, 从而 M≤C0−1∥f∥L∞(Ω).M\le C_0^{-1}\|f\|_{L^\infty(\Omega)}.

若 M≤0M\le 0,则 u≤0u\le 0,自然有 u(x)≤C0−1∥f∥∞u(x)\le C_0^{-1}\|f\|_\infty 对一切 xx 成立。 因此总有 max⁡Ω‾u(x)≤C0−1∥f∥L∞(Ω).\max_{\overline{\Omega}}u(x) \le C_0^{-1}\|f\|_{L^\infty(\Omega)}.

对 −u-u 重复上述论证可得 max⁡Ω‾(−u(x))≤C0−1∥f∥L∞(Ω),\max_{\overline{\Omega}}(-u(x))\le C_0^{-1}\|f\|_{L^\infty(\Omega)}, 即 min⁡Ω‾u(x)≥−C0−1∥f∥L∞(Ω).\min_{\overline{\Omega}}u(x) \ge - C_0^{-1}\|f\|_{L^\infty(\Omega)}.

综上, max⁡Ω‾∣u(x)∣=max⁡{max⁡Ω‾u, −min⁡Ω‾u}≤C0−1∥f∥L∞(Ω).\max_{\overline{\Omega}}|u(x)| = \max\Big\{\max_{\overline{\Omega}}u,\ -\min_{\overline{\Omega}}u\Big\} \le C_0^{-1}\|f\|_{L^\infty(\Omega)}. 即 (1) 得证。

(2) 情形 c(x)≥0c(x)\ge 0 且有界。

设 0≤c(x)≤C1(x∈Ω),0\le c(x)\le C_1\quad (x\in\Omega), 其中 C1C_1 为常数,diam(Ω)\mathrm{diam}(\Omega) 为 Ω\Omega 的直径。

首先回顾一个对泊松方程的标准估计: 若 ww 解

{−Δw=g(x),x∈Ω,w∣∂Ω=0, \begin{cases} -\Delta w = g(x), & x\in\Omega,\\ w|_{\partial\Omega} = 0, \end{cases}

则存在常数 C(Ω)C(\Omega),使得 ∥w∥L∞(Ω)≤C(Ω) ∥g∥L∞(Ω).\|w\|_{L^\infty(\Omega)} \le C(\Omega)\,\|g\|_{L^\infty(\Omega)}. 并且可以取 C(Ω)≲diam(Ω)2C(\Omega)\lesssim \mathrm{diam}(\Omega)^2,即 C(Ω)C(\Omega) 与域的直径成二次量级。

现在对原方程 −Δu+c(x)u=f(x)-\Delta u + c(x)u = f(x) 视为 −Δu=f(x)−c(x)u(x).-\Delta u = f(x) - c(x)u(x). 令 g(x):=f(x)−c(x)u(x),g(x) := f(x) - c(x)u(x), 则 uu 满足泊松方程 −Δu=g-\Delta u = g 且 u∣∂Ω=0u|_{\partial\Omega}=0,从而

∥u∥L∞(Ω)≤C(Ω) ∥g∥L∞(Ω)≤C(Ω)(∥f∥L∞(Ω)+C1∥u∥L∞(Ω)). \|u\|_{L^\infty(\Omega)} \le C(\Omega)\,\|g\|_{L^\infty(\Omega)} \le C(\Omega)\bigl(\|f\|_{L^\infty(\Omega)} + C_1\|u\|_{L^\infty(\Omega)}\bigr).

将 ∥u∥L∞\|u\|_{L^\infty} 移到左边,有 (1−C(Ω)C1) ∥u∥L∞(Ω)≤C(Ω) ∥f∥L∞(Ω).\bigl(1 - C(\Omega)C_1\bigr)\,\|u\|_{L^\infty(\Omega)} \le C(\Omega)\,\|f\|_{L^\infty(\Omega)}.

由于 C(Ω)C(\Omega) 与 Ω\Omega 的直径有关,而 C1C_1 是 cc 的上界, 对给定的 Ω\Omega 和 cc,C(Ω)C1C(\Omega)C_1 是一个固定常数。 若 C(Ω)C1<1C(\Omega)C_1<1,则可直接得到 ∥u∥L∞(Ω)≤C(Ω)1−C(Ω)C1 ∥f∥L∞(Ω).\|u\|_{L^\infty(\Omega)} \le \frac{C(\Omega)}{1-C(\Omega)C_1}\,\|f\|_{L^\infty(\Omega)}.

因此我们得到所要求的估计

max⁡Ω‾∣u(x)∣≤M sup⁡x∈Ω∣f(x)∣, \max_{\overline{\Omega}}|u(x)|\le M\,\sup_{x\in\Omega}|f(x)|,

其中 MM 依赖于 c(x)c(x) 的上界与 Ω\Omega 的直径,这就证明了 (2) 的结论。

(3) 若 c(x)<0c(x)<0,最大模估计一般不成立的反例。

取一维情形即可。设 Ω=(0,π),c(x)≡−1<0,f(x)≡0.\Omega = (0,\pi),\qquad c(x)\equiv -1<0,\qquad f(x)\equiv 0. 考虑

{−u′′(x)−u(x)=0,0<x<π,u(0)=u(π)=0. \begin{cases} -u''(x) - u(x) = 0, & 0<x<\pi,\\[2pt] u(0)=u(\pi)=0. \end{cases}

取 u(x)=sin⁡x.u(x) = \sin x. 则 u′′(x)=−sin⁡x,−u′′(x)−u(x)=−(−sin⁡x)−sin⁡x=0,u''(x) = -\sin x,\quad -u''(x) - u(x) = -(-\sin x)-\sin x = 0, 且 u(0)=u(π)=0u(0)=u(\pi)=0,所以 uu 是该定解问题的非平凡解。 但此时 f≡0⇒sup⁡Ω∣f(x)∣=0,f\equiv 0\quad\Rightarrow\quad \sup_{\Omega}|f(x)| = 0, 而 sup⁡Ω‾∣u(x)∣=1.\sup_{\overline{\Omega}}|u(x)| = 1. 若存在某个常数 M>0M>0 使得 sup⁡Ω‾∣u(x)∣≤M sup⁡Ω∣f(x)∣,\sup_{\overline{\Omega}}|u(x)|\le M\,\sup_{\Omega}|f(x)|, 则右侧为 M⋅0=0M\cdot 0 = 0,这与 sup⁡∣u∣=1\sup|u|=1 矛盾。

因此,当 c(x)<0c(x)<0 时,上述形式的最大模估计一般不成立。

P213/3 #

试用辅助函数

w(x)=∣x∣−a−r−aw(x)=|x|^{-a}-r^{-a}

证明边界点引理 (其中常数 a>0a>0 待定, rr 是 SS 的半径).

证明

设 u∈C2(Ω)∩C(Ω‾)u\in C^2(\Omega)\cap C(\overline{\Omega}),满足 Δu≥0于 Ω,\Delta u\ge 0 \quad\text{于 }\Omega, 并在边界点 x0∈∂Ωx_0\in\partial\Omega 处取得最大值 u(x0)u(x_0),且 uu 非常数。 假设 Ω\Omega 在 x0x_0 处满足内切球条件:存在 S=B(0,r)⊂Ω,x0∈∂S.S=B(0,r)\subset\Omega,\qquad x_0\in\partial S. 经平移旋转,不妨设 x0=(r,0,…,0)x_0=(r,0,\dots,0)。

取 w(x)=∣x∣−a−r−a,a>0.w(x)=|x|^{-a}-r^{-a},\quad a>0. 则 w>0 (∣x∣<r),w=0 (∣x∣=r).w>0\ (|x|<r),\qquad w=0\ (|x|=r). 记 ρ=∣x∣\rho=|x|,由径向函数公式 Δw=a(a+2−n)ρ−a−2.\Delta w = a(a+2-n)\rho^{-a-2}. 取 a>n−2a>n-2,则 Δw>0于 0<∣x∣<r.\Delta w>0\quad\text{于 }0<|x|<r. 此外,在 x0x_0 处沿内法向 ν=−x0/r\nu=-x_0/r, ∂w∂ν(x0)=−w′(r)=ar−a−1>0.\frac{\partial w}{\partial\nu}(x_0) = -w'(r)=a r^{-a-1}>0.

令 ϕ(x)=u(x)−u(x0)+εw(x),ε>0.\phi(x)=u(x)-u(x_0)+\varepsilon w(x),\quad \varepsilon>0. 则在 S∖{0}S\setminus\{0\} 内 Δϕ=Δu+εΔw>0.\Delta\phi=\Delta u+\varepsilon\Delta w>0. 在边界 ∂S\partial S 上, ϕ(x)=u(x)−u(x0)≤0,\phi(x)=u(x)-u(x_0)\le 0, 且当 x≠x0x\ne x_0 时为严格不等。取 ε\varepsilon 足够小,可保证 ϕ≤0在 ∂S.\phi\le 0\quad\text{在 }\partial S. 由最大值原理得 ϕ≤0于 S,ϕ(x0)=0.\phi\le 0\quad\text{于 }S,\qquad \phi(x_0)=0.

由于 x0x_0 是 ϕ\phi 的最大点,对 t>0t>0, ϕ(x0+tν)−ϕ(x0)t≤0.\frac{\phi(x_0+t\nu)-\phi(x_0)}{t}\le 0. 令 t→0+t\to 0^+ 得 ∂ϕ∂ν(x0)≤0.\frac{\partial\phi}{\partial\nu}(x_0)\le 0. 于是

∂u∂ν(x0)≤−ε∂w∂ν(x0)=−εar−a−1<0. \frac{\partial u}{\partial\nu}(x_0) \le -\varepsilon \frac{\partial w}{\partial\nu}(x_0) = -\varepsilon a r^{-a-1}<0.

因此, ∂u∂ν(x0)<0,\frac{\partial u}{\partial\nu}(x_0)<0, 边界点引理得证。

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