哈纳克不等式

更新时间:2022-09-22 09:27

哈纳克不等式(Harnack inequality)是调和函数的重要性质,是指非负调和函数在圆周上的值与其在圆心的值之比的双向不等式,哈纳克不等式引出了一个强大而简单的定理,称为哈纳克原理。

定义

设 是区域Ω中一个非负调和函数,则对Ω的任一紧子集Ω′,存在一个只依赖于n,Ω′和Ω的常数C,使得

特别地,如果 在以原点为中心,R为半径的球 中是一个非负调和函数,那么哈纳克不等式有如下形式:

哈纳克原理

泊松公式使我们可以将一个调和函数用它在一个圆周上的值来表示,为了适应需要,我们把它写成形式

其中而假定在中调和(或对调和,对连续)。联系初等不等式

的右端,公式(1)给出估计

如果已知,那么也可用(2)的第一个不等式,得到一个双重估计

但的算术平均等于,于是最后得到下面的上界与下界:

这是哈纳克不等式,我们要着重指出,它仅对正的调和函数为真。(3)的主要应用是用于正项级数,或等价地,用于调和函数的增序列。它引出一个强大而简单的定理,称为哈纳克原理。

哈纳克原理:考察函数 的一个序列,其中每个函数定义在某一城 内,且在该域内调和。设 为这样的一个域,它的每一点具有一个邻域包含于除有穷个以外的所有 中,并设在这一邻域中,当n足够大时,有 。那么这里只有两种可能:或者是 在 的每个紧致子集上一致地趋于 ,或者是 在紧致集上一致收敛于 内的一个调和极限函数 。

最简单的情形是函数 在 内均为调和,并组成一个非降序列。不过,有很多应用说明这种情形不够普遍。

为了证明这一定理,先设至少对于一点 。根据假设,可以找到一个r和m,使得对于 及 ,函数 都是调和的,并组成一个非降序列,如果将不等式(3)的左边应用于非负函数 ,则知 将在圆盘 中一致地趋于 ,另一方面,如果 ,应用不等式的右边同样可证明 在 上有界。因此,在其上 分别为有穷及无穷的两个集都是开集,而由于 是连通的,故必有一个集是空集。只要 的极限在单一点上是无穷大,则它必恒等于无穷大。至于一致性,可用海涅一博雷尔引理来证明。

在相反的情形,极限函数 是到处均为有穷的,我们只要证明其收敛是一致的即可。应用上面的同样记法,对于 及 ,有 ,因此,在 点收敛就意味着在 的一个邻域中一致收敛,再应用海涅-博雷尔引理可知在每个紧致集上收敛是一致的。至于极限函数的调和性,则可从 能用泊松公式来表示这一点而得证。

设E是包含于域中的一个紧致集,证明,存在一个只依赖于E及的常数M,使得中的每个正调和函数,对于任意两点,满足不等式。

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