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2025-02-22T10:19:37Z

Funktionentheorie: Einleitung überarbeitet

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[[Bild:Maximum modulus principle.png|mini|Illustration des Maximumprinzips: Sowohl die Maxima als auch die Minima dieser Funktion (rot) liegen auf dem Rand des Definitionsbereichs (blau).]]

Das '''Maximumprinzip''' ist in der Mathematik eine Eigenschaft, die von Lösungen gewisser [[partielle Differentialgleichung|partieller Differentialgleichungen]] erfüllt wird. Gilt für eine Funktion das Maximumprinzip, so lassen sich selbst bei Unkenntnis dieser Funktion weitreichende Aussagen über deren Verhalten treffen. Grob gesprochen genügt eine Funktion genau dann dem Maximumprinzip, wenn sie ihr (globales) [[Extremwert|Maximum]] auf dem [[Rand (Topologie)|Rand]] ihres Definitionsbereiches annimmt.

Das '''starke Maximumprinzip''' sagt aus, dass eine Funktion, die ihr Maximum im Innern ihres Definitionsbereiches annimmt, konstant sein muss. Das '''schwache Maximumprinzip''' sagt aus, dass das Maximum zwar auf dem Rand angenommen wird, aber weitere Maximumsstellen im Innern des Definitionsbereiches existieren können. Darüber hinaus existieren weitere, noch schwächere Maximumprinzipien. In aller Regel gelten zum Maximumprinzip analoge Aussagen auch für das Minimum einer Funktion, diese werden dann als '''Minimumprinzip''' bezeichnet.

Das Maximumprinzip kann nicht nur für [[reellwertige Funktion]]en, sondern auch für komplexwertige oder [[vektorwertige Funktion]]en definiert werden. In diesen Fällen betrachtet man das Maximum für den [[Betragsfunktion|Betrag]] oder die [[Norm (Mathematik)|Norm]] der Funktionswerte. Bekanntestes Beispiel hierfür ist die Klasse der [[holomorphe Funktion|holomorphen Funktionen]].

== Geschichte ==
Das erste Maximumprinzip wurde von [[Bernhard Riemann]] in seiner Dissertation für die Klasse der [[Harmonische Funktion|harmonischen Funktionen]] aufgestellt. [[Eberhard Hopf]] dehnte dieses dann auf die Lösungen von [[Elliptische partielle Differentialgleichung|elliptischen Differentialgleichungen]] zweiter Ordnung aus. Für harmonische Funktionen kann man das Maximumprinzip recht schnell aus der Mittelwerteigenschaft dieser Funktionen ableiten. Dieser Gedanke wurde von [[Heinz Bauer (Mathematiker)|Heinz Bauer]] zu einem allgemeinen Maximumprinzip für konvexe Kegel von nach oben halbstetigen Funktionen auf kompakten Räumen ausgebaut. Aus diesem abstrakten Maximumprinzip folgt unter anderem, dass nach oben halbstetige, [[konvexe Funktion]]en auf kompakten, konvexen Mengen ihr Maximum auf den [[Extremalpunkt]]en der konvexen Menge annehmen.

== Physikalische Motivation ==
[[Datei:Heat_eqn.gif|miniatur|Lösung einer zweidimensionalen Wärmeleitungsgleichung]]
Sei <math>u</math> eine Funktion, die die Temperatur eines Festkörpers in Abhängigkeit vom Ort und der Zeit angibt, also <math>u=u(x_1,x_2,x_3,t)</math>. <math>u</math> ist zeitabhängig, weil sich die [[thermische Energie]] mit der Zeit über das Material ausbreitet. Die physikalische Selbstverständlichkeit, dass Wärme nicht aus dem Nichts entsteht, schlägt sich mathematisch im Maximumprinzip nieder: Der Maximalwert über Zeit und Raum der Temperatur wird entweder am Anfang des betrachteten Zeitintervalls (''siehe auch: [[Anfangswertproblem]]'') oder am Rand des betrachteten Raumbereichs (''siehe auch: [[Randwertproblem]]'') angenommen.

== Anwendungen ==
Bei den partiellen Differentialgleichungen ist das Maximumprinzip vor allem im Hinblick auf [[Dirichlet-Randbedingung]]en von Interesse. Insbesondere folgen daraus die Eindeutigkeit und die Stabilität gegenüber kleinen Störungen der Lösungen dieses Problems.

Darüber hinaus gilt das Maximumprinzip für:
* Lösungen [[Parabolische partielle Differentialgleichung|parabolischer Differentialgleichungen]] 2. Ordnung (z. B. der [[Wärmeleitungsgleichung]]),
* nicht-lineare elliptische Systeme mit quadratischem Wachstum im [[Gradient (Mathematik)|Gradienten]] unter Annahme einer Kleinheitsbedingung.

== Maximumprinzip für elliptische PDGn 2. Ordnung ==

Sei <math>U\subset \mathbb{R}^n</math> offen und beschränkt. Wir betrachten einen [[Elliptische partielle Differentialgleichung|elliptischen Operator]] der Form

:<math>Lu=-\sum\limits_{i,j=1}^n a_{ij}(x)u_{x_i}u_{x_j}+\sum\limits_{i=1}^n b_{i}(x)u_{x_i}+c(x)u,</math>

wobei die Koeffizienten <math>a_{ij},b_{i},c</math> stetig sind und der Operator [[Elliptische partielle Differentialgleichung#Gleichmäßig elliptischer Differentialoperator|gleichmäßig elliptisch]] ist.<ref>{{Literatur|Titel=Partial Differential Equations|Autor=Lawrence C. Evans|Herausgeber=American Mathematical Society|Band=19}}</ref>

=== Schwaches Maximumprinzip elliptische PDGn 2. Ordnung ===

Sei <math>u\in C^2(U)\cap C(\bar{U})</math>.

1. Fall: <math>c\equiv 0</math> in <math>U</math>.

:(i) Falls <math>Lu\leq 0</math> in <math>U</math>, dann
::<math>\max\limits_{\bar{U}} u=\max\limits_{\partial{U}} u.</math>

:(ii) Falls <math>Lu\geq 0</math> in <math>U</math>, dann
::<math>\min\limits_{\bar{U}} u=\min\limits_{\partial{U}} u.</math>

2. Fall: <math>c\geq0</math> in <math>U</math>.

:(i) Falls <math>Lu\leq 0</math> in <math>U</math>, dann
::<math>\max\limits_{\bar{U}} u\leq \max\limits_{\partial{U}} u^{+}.</math>

:(ii) Falls <math>Lu\geq 0</math> in <math>U</math>, dann
::<math>\min\limits_{\bar{U}} u\geq -\max\limits_{\partial{U}} u^{-}.</math>

=== Starkes Maximumprinzip elliptische PDGn 2. Ordnung ===
{{Hauptartikel|Elliptische partielle Differentialgleichung#Maximumprinzip}}

== Funktionentheorie ==

Das [[Holomorphe Funktion#Maximum- und Minimumprinzip|Maximumprinzip für holomorphe Funktionen]] folgt aus dem [[Offenheitsprinzip]] der [[Funktionentheorie]]. Es lautet:

''Es sei <math>f</math> holomorph im Gebiet <math>G</math>. Es gebe einen Punkt <math>c \in G</math>, so dass <math>|f|</math> in <math>c</math> ein lokales Maximum hat, d. h., es gebe eine Umgebung <math>U \subset G</math> von <math>c</math> mit <math>|f(c)| = \sup_{z\in U} |f(z)|</math>. Dann ist <math>f</math> konstant in <math>G</math>.''

Die andere Variante des Satzes lautet:

''Es sei <math>G</math> ein beschränktes Gebiet, und es sei <math>f</math> eine in <math>\bar{G}= G \cup \partial G</math> stetige und in <math>G</math> holomorphe Funktion. Dann nimmt die Funktion <math>|f|</math> ihr Maximum auf dem Rand von <math>G</math> an: <math>|f(z)| \le \sup_{\zeta\in \partial G} |f(\zeta)|</math> für alle <math>z \in \bar{G}</math>.''

Die Anwendung des Satzes auf <math>1/f</math> führt unmittelbar zum Minimumprinzip:

''Es sei <math>f</math> holomorph in <math>G</math>. Es gebe einen Punkt <math>c \in G</math>, so dass <math>f</math> in <math>c</math> ein lokales Minimum hat, d. h., es gebe eine Umgebung <math>U \subset G</math> von <math>c</math> mit <math>|f(c)| = \inf_{z \in U}|f(z)|</math>. Dann gilt <math>f(c)=0</math> oder <math>f</math> ist konstant in <math>G</math>.''

== Literatur ==
* [[Lawrence C. Evans]]: ''Partial Differential Equations.'' Reprinted with corrections. American Mathematical Society, Providence RI 2008, ISBN 978-0-8218-0772-9 (''Graduate studies in mathematics'' 19).
* [[David Gilbarg]], Neil S. Trudinger: ''Elliptic Partial Differential Equations of Second Order.'' 2nd edition, revised 3rd printing. Springer, Berlin u. a. 1998 ISBN 3-540-13025-X (''Grundlehren der mathematischen Wissenschaften'' 224).
* [[Erhard Heinz]], Günter Hellwig: ''Partielle Differentialgleichungen. 25.2. bis 3.3.1973.'' Vorlesung an der Georg-August-Universität Göttingen. Mathematisches Forschungsinstitut, Oberwolfach 1973 (''Mathematisches Forschungsinstitut Oberwolfach.'' Tagungsbericht 1973, 7, {{ZDB|529790-4}}).
* [[Murray H. Protter]], Hans F. Weinberger: ''Maximum principles in differential equations.'' Prentice-Hall, Englewood Cliffs NJ 1967 (''Prentice-Hall partial differential equations Series'').
* [[Friedrich Sauvigny]]: ''Partielle Differentialgleichungen der Geometrie und der Physik.'' 2 Bände. Springer, Berlin u. a. 2004–2005, ISBN 3-540-20453-9.
* [[Ilia Wekua|I. N. Vekua]]: ''Verallgemeinerte analytische Funktionen.'' Akademie Verlag, Berlin 1963.
* [[Reinhold Remmert]], Georg Schumacher: ''Funktionentheorie 1.'' 5. Auflage, Springer Verlag, 2001.

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Theorie partieller Differentialgleichungen]]
[[Kategorie:Funktionentheorie]]

Maximumprinzip (Mathematik) - Versionsgeschichte

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