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MATH4202/6202 Partial Dierential Equations

Assignment 1

2022

1.  (i) (3pts)    An integrable function o e L1(U) is called weakly harmonic in U if

o∆φ dz = 0

U

for all φ > 0 in C2(U) with compact support. Show that a weakly harmonic function is harmonic.

(ii) (3pts) Prove that if o = 0 in a connected open set U and o = θo/θ”= 0 on a smooth, open portion of θU where ”is the normal vector eld to θU , then o 三 0 in U .

 

2.  (3pts) Let o be a nonnegative harmonic function in a ball B(0 R). Use the Poisson integral formula to prove the following version of Harnack’s inequality:

RI2(R - IzI)                         RI2(R + IzI)

(R + IzI)I1                                       (R - IzI)I1

 

3.  (4pts) A function u e C2(U) n C() is called subharmonic (resp. super- harmonic) if

∆u > 0    (resp. < 0)   in   U.

(i) Prove that if u is subharmonic in U , then

u(z) <      1                  u(y) dy    for all    B(z t) c U.

α(n)tI     B(tr)

(ii) Prove that

max u = max u

                 U

(iii) Let φ : R → R be smooth and convex. Prove that u = φ(o) is subhar- monic if o is harmonic.

(iv) Prove that u = IDoI2  is subharmonic if o is harmonic.

 

4.  (4pts) Let o e C2(RI  × [0 o)) solve

ot - ∆o = 0   in   RI  × (0 o)﹐

o = f   on   RI  × {u = 0}﹐

where f is continuous with compact support.

(i) Show that limto o(z u) = 0 uniformly for z e RI and obtain an explicit decay estimate for o.

(ii) Show that all the derivatives of o decay to zero uniformly as u o.


5.   (4pts)  [Evans, Q17, page 88] Let o e C2(R × [0 o)) solve the initial value problem for the wave equation in one space dimension

ott - o北北 = 0   in   R × (0 o)﹐

o = g  ot = h   on   R × {u = 0}﹐

where g﹐ h are smooth with compact support.

The kinetic  energy is k(u) =     塞o(o) ot(2)(z u) dz and the potential  energy is r(u) =    塞o(o) o北(2)(z﹐ u) dz.

Prove that

(i) k(u) + r(u) is constant in u.

(ii) k(u) = r(u) for all large enough times u.

 

6.  (4pts) [Evans, Q18, page 88] Let o solve

ott - ∆o = 0   in   R3  × (0 o)﹐

o = g﹐  ot = h   on   R3  × {u = 0}﹐

where g﹐ h are smooth and have compact support.

(i) Show that there exists a constant C such that

Io(z﹐ u)I <     for    (z﹐ u) e R3  × (0 o).

(ii) Show by giving an example that the decay estimate need not hold if g﹐ h are smooth bounded functions that do not decay to zero sufficiently fast as z o. (in your example, g, h must decay but not too fast)