Кіріспе

Гармоникалық функциялар Лаплас теңдеуінің шешімі ретінде
Математика мен математикалық физикада потенциал теориясы – гармоникалық функцияларды зерттейтін ғылым. "Потенциал теориясы" термині 19 ғасырдағы физикада пайда болды, сол кезде табиғаттың екі негізгі күші – гравитация және электростатикалық күш, гравитациялық потенциал және электростатикалық потенциал деп аталатын функциялар арқылы модельдеуге болатыны анықталды. Бұл функциялар Пуассон теңдеуін немесе вакуумда Лаплас теңдеуін қанағаттандырады. Потенциал теориясы мен Пуассон теңдеуі теориясының арасында үлкен байланыс бар, сондықтан бұл екі саланың арасын ажырату қиын. Айырмашылық көбінесе тақырып емес, басымдық мәселесінде болады: потенциал теориясы функциялардың қасиеттеріне, ал емес теңдеудің қасиеттеріне назар аударады. Мысалы, гармоникалық функциялардың ерекшеліктері туралы нәтиже потенциал теориясына жатады, ал шешімнің шекаралық шарттарға қалай тәуелді екендігі туралы нәтиже Лаплас теңдеуі теориясына жатады. Бұл қатаң айырмашылық емес, және практикада екі сала арасында көптеген ортақ әдістер мен нәтижелер бар. Қазіргі заманғы потенциал теориясы ықтималдық теориясымен және Марков тізбектері теориясымен тығыз байланысты. Үзіліссіз жағдайда бұл аналитикалық теориямен тығыз байланысты. Шекті күй кеңістігі жағдайында бұл байланысты күй кеңістігінде электрлік желі енгізу арқылы орнатуға болады, мұнда нүктелер арасындағы кедергі өтпе ықтималдығына кері пропорционал, ал тығыздықтар потенциалдарға пропорционал. Тіпті шекті жағдайда да, потенциал теориясындағы Лапласианның аналогы I K өзінің максимум принципіне, бірегейлік принципіне, тепе-теңдік принципіне және басқаларына ие.

Симметрия

Гармоникалық функцияларды зерттеудегі пайдалы бастау нүктесі және ұйымдастыру принципі – Лаплас теңдеуінің симметриясын қарастыру болып табылады. Бұл терминнің дәстүрлі мағынасында симметрия болмаса да, Лаплас теңдеуінің сызықтық екенін байқаудан бастауға болады. Бұл потенциал теориясының негізгі зерттеу нысаны функциялардың сызықтық кеңістігі екенін білдіреді. Бұл байқау, функциялық кеңістік тәсілдерін қарастырғанда, ерекше маңызға ие болады. Дәстүрлі мағынадағы симметрияға келетін болсақ, біз өлшемді Лаплас теңдеуінің симметриялары өлшемді Эвклид кеңістігінің конформдық симметрияларымен сәйкес келеді деген теоремадан бастауымыз мүмкін. Бұл фактің бірнеше салдары бар. Біріншіден, конформдық топтың немесе оның ішкі топтарының (мысалы, айналулар немесе жылжулар тобының) өзгермейтін өкілдіктері бойынша түрленетін гармоникалық функцияларды қарастыруға болады. Осылайша, Лаплас теңдеуінің шешімдерін жүйелі түрде алуға болады, олар сфералық гармоникалық шешімдер және Фурье қатарлары сияқты айнымалыларды бөлу арқылы туындайды. Бұл шешімдердің сызықтық суперпозицияларын қолдану арқылы, тиісті топологияларда гармоникалық функциялар кеңістігінде тығыз болатын гармоникалық функциялардың кең кластарын құруға болады. Екіншіден, Кельвин түрлендіруі және бейнелер әдісі сияқты гармоникалық функцияларды жасаудың классикалық тәсілдерін түсіну үшін конформдық симметрияны пайдалануға болады. Үшіншіден, конформдық түрлендірулерді бір домендегі гармоникалық функцияларды басқа домендегі гармоникалық функцияларға сәйкестендіру үшін қолдануға болады. Мұндай құрылымның ең көп таралған мысалы – дискідегі гармоникалық функцияларды жарты жазықтықтағы гармоникалық функциялармен байланыстыру. Төртіншіден, конформдық симметрияны гармоникалық функцияларды конформдық жазық Риман көптүрліліктеріндегі гармоникалық функцияларға дейін кеңейтуге болады. Мүмкін, мұндай кеңейтудің ең қарапайым түрі – Rn-нің толық кеңістігінде (мүмкін, дискретті ерекше нүктелер жиынтығын қоспағанда) анықталған гармоникалық функцияны өлшемді сферадағы гармоникалық функция ретінде қарастыру. Күрделірек жағдайлар да болуы мүмкін. Мысалы, Риман беттерінің теориясының жоғары өлшемді аналогын Rn-нің тармақталған қақпағындағы бірмәнді функция ретінде көпмәнді гармоникалық функцияны өрнектеу арқылы алуға болады немесе конформдық топтың дискретті ішкі тобына қатысты инвариантты гармоникалық функцияларды көп байланысты көптүрліліктерде немесе орбиталық кеңістіктердегі функциялар ретінде қарастыруға болады.

Екі өлшемді

Конформалық түрлендірулер тобы екі өлшемде шексіз өлшемді, ал екі өлшемнен артық өлшемдерде шекті өлшемді болғандықтан, екі өлшемдегі потенциал теориясының басқа өлшемдердегі потенциал теориясынан өзгеше екенін болжауға болады. Бұл рас, және шындығында, кез келген екі өлшемді гармоникалық функцияның күрделі аналитикалық функцияның нақты бөлігі екенін еске алғанда, екі өлшемді потенциал теориясының мәні күрделі анализбен бірдей екенін көреміз. Сондықтан, потенциал теориясы туралы сөз қозғалғанда, үш немесе одан көп өлшемде орындалатын теоремаларға көбірек назар аударылады. Осы орайда, қызықты факт – күрделі анализде алғаш рет ашылған көптеген нәтижелер мен ұғымдар (мысалы, Шварц теоремасы, Морера теоремасы, Вейерштрасс-Казорати теоремасы, Лоран қатары және сингулярлықтарды алынып тасталатын, полюстер және маңызды сингулярлықтар деп жіктеу) кез келген өлшемдегі гармоникалық функцияларға қатысты нәтижелерге жалпыланады. Күрделі анализдің қай теоремалары кез келген өлшемдегі потенциал теориясының теоремаларының ерекше жағдайлары екенін қарастыру арқылы, екі өлшемдегі күрделі анализдің ерекшелігін және жалпы нәтижелердің екі өлшемді мысалын сезінуге болады.

Жергілікті мінез-құлық

Потенциалдық теориядағы маңызды тақырып – гармониялық функциялардың жергілікті қасиеттерін зерттеу. Жергілікті қасиеттер туралы ең негізгі теорема – Лаплас теңдеуінің тұрақтылық теоремасы, ол гармониялық функциялардың аналитикалық екенін көрсетеді. Гармониялық функциялардың деңгейлік жиындарының жергілікті құрылымын сипаттайтын нәтижелер де бар. Боше теоремасы оң гармониялық функциялардың оқшауланған ерекшеліктерінің қасиеттерін сипаттайды. Алдыңғы бөлімде айтылғандай, гармониялық функциялардың оқшауланған ерекшеліктерін алынып тасталатын ерекшеліктер, полюстер және маңызды ерекшеліктер деп жіктеуге болады.

Теңсіздіктер

Гармониялық функцияларды зерттеудің жемісті тәсілі – олар қанағаттандыратын теңсіздіктерді қарастыру болып табылады. Бұл теңсіздіктердің ішіндегі ең негізгісі, және одан көптеген басқа теңсіздіктер туындайтын нәрсе – максималды принцип. Тағы бір маңызды нәтиже – Лиувилль теоремасы, ол Rn кеңістігінің бүкіл аймағында анықталған жалғыз шектелген гармониялық функциялар тұрақты функциялар екенін көрсетеді. Осы негізгі теңсіздіктерге қоса, Харнак теңсіздігі де бар, ол шектелген домендердегі оң гармониялық функциялар шамамен тұрақты екенін айтады. Бұл теңсіздіктердің маңызды қолданысы – гармониялық немесе субгармониялық функциялардың топтарының жуысатындығын дәлелдеу, Харнак теоремасына қараңыз. Бұл жуысатындық теоремалары белгілі бір қасиеттері бар гармониялық функциялардың бар екенін дәлелдеу үшін пайдаланылады.

Гармониялық функциялар кеңістіктері

Лапластың теңдеуі сызықтық болғандықтан, белгілі бір доменде анықталған гармоникалық функциялар жиыны, іс жүзінде, векторлық кеңістік болып табылады. Тиісті нормалар және/немесе ішкі көбейтулерді анықтау арқылы, Хилберт немесе Банах кеңістіктерін құрайтын гармоникалық функциялар жиындарын көрсетуге болады. Осылайша, Харди кеңістігі, Блох кеңістігі, Бергман кеңістігі және Соболев кеңістігі сияқты кеңістіктерге қол жеткізіледі.