数学 偏微分方程

偏微分方程:第 8 次作业

4pt] { u}{ n}+(x)u{1}=1 u{2}=2 {cases}。

本页目录5 节

2025-12-17 #

2 #

设 u(x)u(x) 是定解问题

{−Δu+c(x)u=f(x),x∈Ω,∂u∂n+α(x)u∣Γ1=φ1,u∣Γ2=φ2, \begin{cases} -\Delta u+c(x)u=f(x), & x\in\Omega,\\[4pt] \dfrac{\partial u}{\partial n}+\alpha(x)u\big|_{\Gamma_1}=\varphi_1,\qquad u\big|_{\Gamma_2}=\varphi_2, \end{cases}

的解,其中 Γ1∪Γ2=∂Ω, Γ1∩Γ2=∅, Γ2≠∅\Gamma_1\cup\Gamma_2=\partial\Omega,\ \Gamma_1\cap\Gamma_2=\varnothing,\ \Gamma_2\neq\varnothing。 如果 c(x)≥0, α(x)≥α0>0c(x)\ge 0,\ \alpha(x)\ge \alpha_0>0,则有估计

max⁡Ω‾∣u(x)∣≤C(sup⁡Ω∣f∣+sup⁡Γ1∣φ1∣+sup⁡Γ2∣φ2∣), \max_{\overline{\Omega}}|u(x)| \le C\Big(\sup_{\Omega}|f|+\sup_{\Gamma_1}|\varphi_1|+\sup_{\Gamma_2}|\varphi_2|\Big),

其中常数 CC 依赖于 α0\alpha_0 与 Ω\Omega 的直径。

证明

记 R:=diam⁡(Ω)R:=\operatorname{diam}(\Omega),取一点 x0x_0 使得 Ω‾⊂BR(x0)\overline{\Omega}\subset B_R(x_0)。 令

F:=sup⁡Ω∣f∣,B1:=sup⁡Γ1∣φ1∣,B2:=sup⁡Γ2∣φ2∣, F:=\sup_{\Omega}|f|,\quad B_1:=\sup_{\Gamma_1}|\varphi_1|,\quad B_2:=\sup_{\Gamma_2}|\varphi_2|,

并取二次函数 b(x):=F2n(R2−∣x−x0∣2)≥0(x∈Ω).b(x):=\frac{F}{2n}\bigl(R^2-|x-x_0|^2\bigr)\ge 0\qquad(x\in\Omega). 则在 Ω\Omega 内有 −Δb=F-\Delta b=F,且

0≤b≤F2nR2,∣∂b∂n∣≤∣∇b∣=Fn∣x−x0∣≤FnR于 ∂Ω. 0\le b\le \frac{F}{2n}R^2,\qquad \left|\frac{\partial b}{\partial n}\right| \le |\nabla b| =\frac{F}{n}|x-x_0| \le \frac{F}{n}R\quad \text{于 }\partial\Omega.

取常数 K:=B2+B1+FnRα0.K:=B_2+\frac{B_1+\frac{F}{n}R}{\alpha_0}.

考虑 w:=u−b−K.w:=u-b-K. 在 Ω\Omega 中

−Δw+c(x)w=(−Δu+cu)−(−Δb)−c(b+K)=f−F−c(b+K)≤∣f∣−F≤0. -\Delta w+c(x)w =\bigl(-\Delta u+c u\bigr)-\bigl(-\Delta b\bigr)-c(b+K) =f-F-c(b+K)\le |f|-F\le 0.

在 Γ2\Gamma_2 上,由 u=φ2u=\varphi_2 得

w∣Γ2=φ2−b−K≤B2−0−K≤0. w|_{\Gamma_2}=\varphi_2-b-K\le B_2-0-K\le 0.

若 ww 在 Ω‾\overline{\Omega} 取得正最大值,则不可能在 Ω\Omega 内部,只能发生在 Γ1\Gamma_1 上某点 x∗x^\ast。 此时有 ∂w∂n(x∗)≥0\dfrac{\partial w}{\partial n}(x^\ast)\ge 0,从边界条件 ∂w∂n+αw=φ1−∂b∂n−α(b+K)\frac{\partial w}{\partial n}+\alpha w =\varphi_1-\frac{\partial b}{\partial n}-\alpha(b+K)

在 x∗x^\ast 处得到

α(x∗) w(x∗)≤φ1(x∗)−∂b∂n(x∗)−α(x∗)(b(x∗)+K)≤B1+FnR−α0K≤0, \alpha(x^\ast)\, w(x^\ast) \le \varphi_1(x^\ast)-\frac{\partial b}{\partial n}(x^\ast)-\alpha(x^\ast)(b(x^\ast)+K) \le B_1+\frac{F}{n}R-\alpha_0 K\le 0,

从而 w(x∗)≤0w(x^\ast)\le 0,与 w(x∗)>0w(x^\ast)>0 矛盾。故 w≤0w\le 0 于 Ω‾\overline{\Omega},即

u≤b+K≤F2nR2+B2+B1+FnRα0. u\le b+K\le \frac{F}{2n}R^2+B_2+\frac{B_1+\frac{F}{n}R}{\alpha_0}.

同理对 −u-u 重复上述过程,得 −u≤b+K,-u\le b+K, 于是

max⁡Ω‾∣u∣≤F2nR2+B2+B1+FnRα0≤C(α0,R) (F+B1+B2), \max_{\overline{\Omega}}|u| \le \frac{F}{2n}R^2+B_2+\frac{B_1+\frac{F}{n}R}{\alpha_0} \le C(\alpha_0,R)\,(F+B_1+B_2),

其中 C(α0,R)C(\alpha_0,R) 仅依赖于 α0\alpha_0 与 R=diam⁡(Ω)R=\operatorname{diam}(\Omega)。证毕。

5 #

设 Ω0\Omega_0 是三维有界区域,Ω=R3∖Ω0‾\Omega=\mathbb{R}^3\setminus\overline{\Omega_0}。 又设 u∈C2(Ω)∩C(Ω‾)u\in C^2(\Omega)\cap C(\overline{\Omega}) 是外部问题

{−Δu+c(x)u=0,x∈Ω,u∣∂Ω=φ,lim⁡∣x∣→∞u(x)=l, \begin{cases} -\Delta u+c(x)u=0, & x\in\Omega,\\ u|_{\partial\Omega}=\varphi,\\ \displaystyle\lim_{|x|\to\infty}u(x)=l, \end{cases}

的解,其中 c(x)≥0c(x)\ge 0 且在 Ω‾\overline{\Omega} 上局部有界,则有估计

sup⁡Ω∣u(x)∣≤max⁡{∣l∣, max⁡∂Ω∣φ(x)∣}. \sup_{\Omega}|u(x)|\le \max\Big\{|l|,\ \max_{\partial\Omega}|\varphi(x)|\Big\}.
证明

令

M:=max⁡{∣l∣, max⁡∂Ω∣φ∣}. M:=\max\Big\{|l|,\ \max_{\partial\Omega}|\varphi|\Big\}.

任取 ε>0\varepsilon>0。由 lim⁡∣x∣→∞u(x)=l\lim_{|x|\to\infty}u(x)=l,存在 RεR_\varepsilon 使得当 ∣x∣≥Rε|x|\ge R_\varepsilon 时

∣u(x)−l∣<ε⇒∣u(x)∣≤∣l∣+ε≤M+ε. |u(x)-l|<\varepsilon\quad\Rightarrow\quad |u(x)|\le |l|+\varepsilon\le M+\varepsilon.

对任意 R≥RεR\ge R_\varepsilon,记截断外域

ΩR:=Ω∩BR(0), \Omega_R:=\Omega\cap B_R(0),

其边界由 ∂Ω\partial\Omega 与球面 SR:=∂BR(0)S_R:=\partial B_R(0) 的一部分组成。 在 ∂Ω\partial\Omega 上 ∣u∣=∣φ∣≤M≤M+ε|u|=|\varphi|\le M\le M+\varepsilon; 在 SR∩ΩS_R\cap\Omega 上 ∣u∣≤M+ε|u|\le M+\varepsilon。 另一方面,uu 满足

−Δu+c(x)u=0,c(x)≥0, -\Delta u+c(x)u=0,\qquad c(x)\ge 0,

故对 ±u\pm u 可用弱最大值原理推出

max⁡ΩR‾∣u∣≤max⁡∂ΩR∣u∣≤M+ε. \max_{\overline{\Omega_R}}|u|\le \max_{\partial\Omega_R}|u|\le M+\varepsilon.

令 R→∞R\to\infty 得 sup⁡Ω∣u∣≤M+ε\sup_{\Omega}|u|\le M+\varepsilon,再令 ε→0\varepsilon\to 0 即得结论。

7 #

设 Ω\Omega 为有界区域,P0∈∂ΩP_0\in\partial\Omega。函数

u∈C(Ω‾∖{P0})∩C2(Ω) u\in C(\overline{\Omega}\setminus\{P_0\})\cap C^2(\Omega)

满足

{−Δu=0,x∈Ω,u∣∂Ω∖{P0}=φ,lim‾⁡P→P0∣u(P)∣≤M0, \begin{cases} -\Delta u=0, & x\in\Omega,\\ u|_{\partial\Omega\setminus\{P_0\}}=\varphi,\\ \displaystyle\varlimsup_{P\to P_0}|u(P)|\le M_0, \end{cases}

则

sup⁡Ω∣u(x)∣≤max⁡{M0, sup⁡∂Ω∣φ(x)∣}. \sup_{\Omega}|u(x)|\le \max\Big\{M_0,\ \sup_{\partial\Omega}|\varphi(x)|\Big\}.
证明

记 M:=max⁡{M0, sup⁡∂Ω∣φ∣}M:=\max\{M_0,\ \sup_{\partial\Omega}|\varphi|\}。任取 ε>0\varepsilon>0。 由 lim‾⁡P→P0∣u(P)∣≤M0≤M\varlimsup_{P\to P_0}|u(P)|\le M_0\le M,存在 δ>0\delta>0 使得当 P∈ΩP\in\Omega 且 ∣P−P0∣<δ|P-P_0|<\delta 时 ∣u(P)∣≤M+ε.|u(P)|\le M+\varepsilon.

令 Ωδ:=Ω∖Bδ(P0)‾.\Omega_\delta:=\Omega\setminus \overline{B_\delta(P_0)}.

则 uu 在有界域 Ωδ\Omega_\delta 内调和,且其边界由两部分组成:

∂Ωδ=(∂Ω∖Bδ(P0)) ∪ (∂Bδ(P0)∩Ω). \partial\Omega_\delta=\bigl(\partial\Omega\setminus B_\delta(P_0)\bigr)\ \cup\ \bigl(\partial B_\delta(P_0)\cap\Omega\bigr).

在第一部分上 ∣u∣=∣φ∣≤M≤M+ε|u|=|\varphi|\le M\le M+\varepsilon; 在第二部分上由构造得 ∣u∣≤M+ε|u|\le M+\varepsilon。 对调和函数 uu,由最大值原理对 ±u\pm u 应用,得

max⁡Ωδ‾∣u∣≤max⁡∂Ωδ∣u∣≤M+ε. \max_{\overline{\Omega_\delta}}|u|\le \max_{\partial\Omega_\delta}|u|\le M+\varepsilon.

令 δ↓0\delta\downarrow 0 得 sup⁡Ω∣u∣≤M+ε\sup_{\Omega}|u|\le M+\varepsilon,再令 ε↓0\varepsilon\downarrow 0 即得所证。

9 #

记

R+2:={(x,y)∣−∞<x<∞, y>0}, \mathbb{R}^2_+:=\{(x,y)\mid -\infty<x<\infty,\ y>0\},

证明定解问题

{−Δu=f(x,y),(x,y)∈R+2,u∣y=0=φ(x),−∞<x<∞, \begin{cases} -\Delta u=f(x,y), & (x,y)\in \mathbb{R}^2_+,\\ u|_{y=0}=\varphi(x), & -\infty<x<\infty, \end{cases}

属于 C(R+2‾)∩C2(R+2)C(\overline{\mathbb{R}^2_+})\cap C^2(\mathbb{R}^2_+) 的有界解是唯一的。

证明

设 u1,u2u_1,u_2 是两个有界解,令 v:=u1−u2v:=u_1-u_2,则 −Δv=0于 R+2,v(x,0)=0 (x∈R),-\Delta v=0\quad\text{于 }\mathbb{R}^2_+,\qquad v(x,0)=0\ (x\in\mathbb{R}), 并且 vv 有界。我们证 v≡0v\equiv 0。

按提示取 ψ(x,y):=ln⁡ ⁣(x2+(y+1)2).\psi(x,y):=\ln\!\bigl(x^2+(y+1)^2\bigr). 由于奇点 (0,−1)(0,-1) 不在上半平面内,故 ψ\psi 在 R+2\mathbb{R}^2_+ 上调和,即 Δψ=0\Delta\psi=0。 对任意 ε>0\varepsilon>0,定义 w±(x,y):=ε ψ(x,y)±v(x,y).w_\pm(x,y):=\varepsilon\,\psi(x,y)\pm v(x,y). 则 w±w_\pm 在 R+2\mathbb{R}^2_+ 上调和。

在边界 y=0y=0 上, w±(x,0)=εln⁡(x2+1)±v(x,0)=εln⁡(x2+1)≥0.w_\pm(x,0)=\varepsilon\ln(x^2+1)\pm v(x,0)=\varepsilon\ln(x^2+1)\ge 0. 又因为 ψ(x,y)=ln⁡(x2+(y+1)2)→+∞\psi(x,y)=\ln(x^2+(y+1)^2)\to +\infty 当 x2+y2→∞x^2+y^2\to\infty, 而 vv 有界,所以对每个固定 ε>0\varepsilon>0,存在 RεR_\varepsilon 使得在半圆边界 ∂(R+2∩BR(0))∩{y>0}\partial\bigl(\mathbb{R}^2_+\cap B_R(0)\bigr)\cap\{y>0\} 上有 w±≥0w_\pm\ge 0。

于是对有界域 DR:=R+2∩BR(0)D_R:=\mathbb{R}^2_+\cap B_R(0),w±w_\pm 在 DRD_R 调和且边界非负, 由最小值原理得 w±≥0w_\pm\ge 0 于 DR‾\overline{D_R}。令 R→∞R\to\infty 得 ε ψ(x,y)±v(x,y)≥0∀(x,y)∈R+2.\varepsilon\,\psi(x,y)\pm v(x,y)\ge 0\quad \forall (x,y)\in\mathbb{R}^2_+. 即 −ε ψ(x,y)≤v(x,y)≤ε ψ(x,y).-\varepsilon\,\psi(x,y)\le v(x,y)\le \varepsilon\,\psi(x,y). 对固定点 (x,y)(x,y),令 ε→0+\varepsilon\to 0^+,得到 v(x,y)=0v(x,y)=0。故 u1≡u2u_1\equiv u_2,唯一性得证。

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