在伞场上,一个泛函可以分成两部分:
• 体积量 V_r:只用单把伞内部的信息,形如 Σ_i ∫ ω_i(y) f(u(y), ∇u(y)) dy。• 跳变量 I_r:只用伞与伞重叠区的信息,形如 Σ(i,j) ∫ ω_i ω_j · g(u|_i − u|
_j)。
剖分是伞的端点特例,在那里重叠区是零测的界面,跳变量退化为界面上的求和——这正是有限体积法里的通量项、逐胞结算里的接口项。
命题 27.1. 设 u ∈ C¹ 且 ∇u 有界,g 为 p 次正齐次(g(λs) = λ^p g(s)),伞
场半径 r、每单位体积伞数 ~ r^(−d)。则当 r → 0:
(i) V_r → 经典体积积分,误差 O(r²)(定理 26.1); (ii) I_r ~ C · r^(p−d),
因而 p > d 时 I_r → 0:跳变信息在经典极限中被抹去; p = d 时 I_r
→ 有限非零:跳变信息在极限中存活为一个新项; p < d 时 I_r → ∞:
经典极限不存在。
论证. 单位体积内伞的数目为 Θ(r^(−d)),每把伞的重叠伙伴数为 O(1)。对 u ∈ C¹,相邻两伞中心相距 O(r),故 u|_i − u|_j = O(r|∇u|)。g 的 p 次齐次性给出每对贡献O(r^p)。求和得 I_r = O(r^(−d)·r^p) = O(r^(p−d))。三分立即得出。∎
[证据分级:属第二层。它是一条标度论证,量级正确、常数未给。临界情形 p = d 的极限值与其存在性条件,属于非局部泛函向局部泛函收敛的既有理论范围(Bourgain–Brezis–Mironescu 一系结果与其后续),本书不重复那里的分析。]
它说的是一件很硬的事:
在经典(r = 0)表述中,只有临界齐次度 p = d 的跳变信息能够存活。齐次度
高于 d 的跳变信息在极限中恒为零——不是小,是零。
于是有:
推论 27.2(结构性失明). 若一个问题的承重信息是齐次度 p > d 的跳变量,
则任何在 r = 0 上写出的表述都对它恒等失明,无论后续估计做得多精细。这一句给出了本书姊妹卷那条不可能性结论的一般形状。那里的具体情形是:能量被写成逐胞求和(r = 0,跳变项被丢弃),因而存在一个天花板严格低于目标值。天花板不是估计不够好造成的,是那一项在写下表述的那一刻就已经是零了。
据此,第二十三章的 SDE 数获得一个可操作的用法:
失明判据. 面对一个问题,先做三件事: 一、把承重泛函按体积量与跳变量分
开; 二、算跳变量的齐次度 p 与维数 d; 三、若 p > d,则逐块(r=0)方法
对该问题的承重部分恒等失明,应改用带重叠的表述,或把结算面迁到重叠
区上。
这条规则有正确答案与错误答案,因而是可用的。它同时也解释了为什么二维与三维会有截然不同的表现——d 变了,临界齐次度就变了,同一个 p 可能在二维处于临界之下、在三维处于临界之上。
第三编第十九章说过:扩张的方向由造成失紧的那一族算子唯一指定。本编给出了一个具体实例——共振算子的归一化指数 −(d+2) 就是这样被唯一指定的(第二十五章第三节)。而第二十七章的分道给出了扩张的代价表:扩张之后哪些信息被保住、哪些被丢掉,按齐次度分三档,一目了然。
三编的关系至此完整: 第二编说给定 (D, E) 之后 S 被定到什么程度; 第三编说 (D, E)怎样被换成下一组; 第四编说换完之后,旧的那一组究竟丢了什么。