Robin 边值问题的极值原理与最大模估计

现在考虑

(2.42){−Δu+C(x)u=f(x),C(x)⩾0,x∈Ω∂u∂n+α(x)u=g(x),α(x)⩾α0>0,x∈∂Ω

极大值原理

考虑不等式方程

{−Δu+C(x)u⩽0∂nu+α(x)u⩽0

由 u 在 Ω¯ 上最大值在边界达到(非负最大值)
设 x0∈∂Ω 是 u 正的最大值点,则 ∂nu(x0)⩾0
于是 ∂nu(x0)+α(x0)u(x0)>0,矛盾.
故 u⩽0 .

最大模估计

如果 u∈C2(Ω)∩C1(Ω),是 (2.42) 的解, F=max|f|,G=max|g|,则

maxΩ¯|u|=C(G+F),C=C(n,d),d=diamΩ.

证明

不妨设 0∈Ω,令 w=u−z,则

−Δw+C(x)w=(−Δ+C(x)u)−(−Δz+c(x)z)=f(x)−(−Δz+C(x)z)⩽?f(x)−F⩽0−Δz+C(x)z⩾F.

由

∂nw+α(x)w=(∂nu+α(x)u)−(∂nz+αz)⩽g(x)−G⩽0

则

∂nz+α(x)z⩾G,x∈∂Ω.

令 z(x)=F2n(d2−|x|2)+Fdnα0+Gα0,
则 −Δz+c(x)z⩾F, x∈Ω
∂nz+α(x)z
且

∂nz+α(x)z=n→⋅(−Fnx)+α(x)(F2n(d2−|x|2)+Fdnα0+Gα0)⩾−Fnn→⋅x+α0(F2n(d2−|x|2)+Fdα0n+Gα0)⩾G

因此,−Δw+C(x)w⩽f−F⩽0,∂nw+α(x)w⩽g−G⩽0
由极大值原理,w 在 x0∈∂Ω 达到非负最大值 ⟹∂nw(x0)⩾0
若 w(x0)>0,由边界条件 ∂nw(x0)=−α(x)w(x0)⩽−α0w(x0)<0,矛盾。

因此 u(x0)⩽0 即 w(x)⩽0,∀x∈Ω¯,
故 u(x)⩽z(x)⩽F2nd2+Fdα0n+Gα0⩽C(F+G)
类似可证 −u⩽C(F+G)
即证。

推论:解的唯一性

同一个方程的两个解的差满足方程

(2.43){−Δu+C(x)u=0,C(x)⩾0,x∈Ω∂u∂n+α(x)u=0,α(x)⩾α0>0,x∈∂Ω

max|u|⩽0,得 u=0。