更新时间:2023-12-29 19:17
(2)定义在Rf(x1,...,xn) = (x1+ ... +xn),其中n≥ 2。
在三元的调和函数的例子前,先定义以简化形式。下面表格中的函数在经过数乘(乘以一个常数)、旋转和相加后仍然会是调和函数。调和函数是由其奇点决定的。调和函数的奇点可以在电磁学中解释为电荷所在的点,因此相应的调和函数可以看作是某种电荷分布下的电势场。
在给定的开集U上所有的调和函数的集合是其上的拉普拉斯算子Δ的核,因此是一个R的向量空间:调和函数的和与差以及数乘,结果依然是调和函数。
如果f是U上的一个调和函数,那么f的所有偏导数也仍然是U上的调和函数,在调和函数类上,拉普拉斯算子和偏导数算子是交换的。
在某些意义上,调和函数是全纯函数在实值函数上的对应物。所有的调和函数都是解析的,也就是说它们可以局部地展开成幂级数。这是关于椭圆算子的一个性质,而拉普拉斯算子是一个常见的例子。
收敛的调和函数列的一致极限仍会是调和的。这是因为所有满足介值性质的连续函数都是调和函数。
一个全纯函数的实数和虚数部分都是R上的调和函数。反过来说,对于一个调和函数u,总可以找到一个调和函数v,使得函数u+iv是全纯函数。这个函数v被称为调和函数u的调和共轭。这里的函数v在差一个常数的意义上是唯一定义的。这个结果在希尔伯特变换中有应用,也是数学分析中一个与奇异积分算子有关的基本例子。在几何意义上,u和v可以被看作具有正交的关系。如果画出两者的等值线,那么两条线在交点处正交(两条切线成直角)。在这种视角下,函数u+iv可以被看作一种“复位势场”,其中u是一个位势函数,而v是流函数。
调和函数总是无穷次可导(光滑)的。事实上,调和函数是实解析函数的一种。
调和函数满足以下的极大值定理:如果K是U的一个紧子集,那么f在K上诱导的函数只能在边界上达到其最大值和最小值。如果U是连通的,那么这个定理意味着f不能达到最大值和最小值,除非它是常数函数。对于次调和函数也有同样的定理。
设B(x,r)是一个以x为中心,以r为半径的完全在U中的球,那么调和函数f(x)球的边界上取值的平均值和f在球的内部的取值的平均值相同。也就是说:
其中表示n维的单位球面。
如果f在整个R都有定义的调和函数,并且在其上有最大值或最小值,那么函数f是常数函数(参见复平面上函数的刘维尔定理)。
调和函数研究的一个推广是黎曼流形上的调和形的研究,后者与上同调的研究有关。此外,可以定义调和的向量值函数,或者两个黎曼流形间的调和映射。这些调和映射出现在最小表面理论中。比如说,一个从R上区间 射到一个黎曼流形的映射是调和的当且仅当它是一条短程线。
若u(x,y)满足“重调和”方程
则称u是重调和函数,它是数学物理方程理论中的一个重要函数类。调和函数和重调和函数,在力学和物理学中都有重要的应用。类似地也有高维的重调和函数。由于拉普拉斯方程是椭圆型方程的一个特殊情况,故后者的解的一般性质也是调和函数的性质。