關於調和函數的一些性質


以下均為10年前討論的一些內容,或者更早一些。

問題1.考慮調和函數  $-\Delta u=0\ \ \mbox{in}\ \ R^n$,  $n\geq2$, 且$u(x)\geq -(1+|x|)^{\alpha}$ in $R^n$, 其中$\alpha\in(0,1)$, 證明: $u$必為常數。

證明:(1) 考慮直接對$u-\inf\limits_{B_{2R}}u$在$B_R$上使用Harnack 不等式,則

$$\sup_{B_{R}}u-\inf_{B_{2R}}u\leq C(u(0)-\inf_{B_{2R}}u).$$

那么

$$\sup_{B_{R}}u\leq C|u(0)|+(1-C)\inf_{B_{2R}}u\leq C|u(0)|+(C-1)(1+2R)^{\alpha},$$

這樣就有  

$$\sup_{B_{R}}|u|\leq C|u(0)|+C(1+2R)^{\alpha}$$

最后用調和函數的梯度內估計就可以得到結論了。

(2)第二種方法是利用平均值公式推導梯度估計的方法,並結合積分中值定理即可知道$\nabla u \equiv 0$. 具體細節見  Oleinik的《偏微分方程講義》,當然本問題還可以推廣控制的階數。

(3) 受極小曲面的BDG估計的啟發(因為對於極小曲面方程可以提相同的問題,見E.Guisti的book),調和函數也可以有類似的梯度估計(見林芳華,韓青的橢圓方程講義的第一章Lemma1.11, 考慮 $u(x)-\inf_{B_r(x_0)} u$, 即先用平均值公式,再用散度定理,最后用平均值公式),即 對任意的$x_0\in R^n$, $r>0$, 可以做估計:

      $$|\nabla u(x_0)| \leq \frac{C(n)}{r} (u(x_0)-\inf_{\partial B_r(x_0)} u) , $$

這樣問題也類似的迎刃而解。

問題2.考慮二維情形的 全平面 下調和函數 上有界,則必為常數。具體如下:

$$u\in C^2(R^2),\ \ \ -\Delta u\leq0\ \ in \ \ R^2, \sup\limits_{R^2}u=0, \ \ then\ \ u\equiv 0. $$

證明:  第一種情形:如果$u(0)=0$, 由強極值原理可知結論成立。

          第二種情形:如果$u(0)=-m<0$,以下證明 這不可能發生。

          由連續性可知,存在$\delta>0$使得, $\forall\  |x|\leq \delta,\ \ u(x)\leq -\frac{m}{2}<0$, 然后在外部考慮使用基本解構造的閘函數。 對任意的$\epsilon>0$, 取

$$v_{\epsilon}(x)=-\frac{m}{2}+\epsilon \ln(\frac{|x|}{\delta}),$$

由比較定理容易知道 $u\leq v_{\epsilon}$ in $\{x\in R^2:|x|>\delta\}.$

最后令 $\epsilon\rightarrow0+$可知,  

$$u\leq -\frac{m}{2}   \mbox{ in}   \{x:|x|>\delta\}.$$

 這樣就會有  $u\leq -\frac{m}{2}$ in $R^2$,  這與假設$\sup\limits_{R^2} u=0$相矛盾。Q.E.D.

 問題3. 考慮調和函數  $-\Delta u=0\ \ \in\ \ R^n$,  $n\geq2$, 且$u(x)\in L^p(R^n)$, $p>0$,則$u\equiv 0$.

證明: $p\geq 1$時,只需要用均值公式和Holder不等式,至於其他情形可考慮內插或者直接使用Moser迭代的局部極值原理。 Q.E.D.

 問題4. 關於有界調和的可去奇性的問題。引入Capacity來描述,並利用Haussdorff測度來直觀判定。

 問題5. 關於有界調和的孤立點奇性的Bocher定理。

問題4、5是值得深究的,它們可以推廣到其他橢圓、拋物方程上去。

 

  

 


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