定理 26.1(退化定理). 设 J: [0,∞) → [0,∞) 有界、支撑在 [0,1] 内,记
M₂ = ∫ J(|w|) |w|² dw, M₄ = ∫ J(|w|) |w|⁴ dw,
二者均有限。令
c = M₂ / (2d).
则对任何 u ∈ C⁴(ℝᵈ) 且四阶导数有界,有
‖ℒ_r u − c·Δu‖∞ ≤ (M₄ / 24) · ‖D⁴u‖∞ · r² 对一切 r > 0.
特别地,ℒ_r u → c·Δu 一致收敛,收敛率 O(r²)。
在 x 处展开 u(y),令 z = y − x:
u(x+z) − u(x) = ∇u(x)·z + ½ zᵀD²u(x) z + (1/6) D³u(x)[z,z,z] + R₄(z),
其中 |R₄(z)| ≤ (1/24)‖D⁴u‖∞ |z|⁴。
代入定义并作变量替换 z = r w(dz = rᵈ dw):
ℒ_r u(x) = ∫ r^(−d−2) J(|z|/r) (u(x+z) − u(x)) dz = ∫ r^(−2) J(|w|) (u(x+rw) −u(x)) dw.
一阶项. ∫ J(|w|) ∇u·(rw) dw · r^(−2) = r^(−1) ∇u · ∫ J(|w|) w dw = 0,因为 J径向对称故 w 的一次矩为零。
二阶项. r^(−2) · ½ ∫ J(|w|) (rw)ᵀ D²u (rw) dw = ½ ∫ J(|w|) wᵀ D²u w dw。由径向对称,
∫ J(|w|) w_i w_j dw = δ(ij) · (1/d) ∫ J(|w|)|w|² dw = δ(ij) M₂ / d,
故二阶项 = ½ · (M₂/d) · tr(D²u) = (M₂ / 2d) · Δu = c · Δu。三阶项. 被积函数是 w 的奇次齐次式,径向对称下积分为零。
余项. |r^(−2) ∫ J(|w|) R₄(rw) dw| ≤ r^(−2) · (1/24)‖D⁴u‖∞ · r⁴ ∫ J(|w|)|w|⁴ dw= (M₄/24)‖D⁴u‖∞ r²。∎
取 J = 𝟙[0,1](即在半径 r 的球内均匀加权)。记 σ(d) = 2π^(d/2)/Γ(d/2) 为单位球面面积,则
M₂ = σ(d) / (d+2), c = σ(d) / (2d(d+2)), M₄ = σ(d) / (d+4).
维数 c 的封闭形式 数值 d=1 1/3 0.333333333333 d=2 π/8 0.392699081699 d=3 2π/15 0.418879020479
取 d = 3、J = 𝟙[0,1]、u(x) = e^(i k·x)。由球内指数积分的闭式 ∫(|w|≤1) e^(iξ·w) dw = 4π(sin|ξ| − |ξ|cos|ξ|)/|ξ|³,得共振算子的乘子
m(r) = r^(−2) [ 4π(sin t − t cos t)/t³ − 4π/3 ], t = r|k|.
把 sin t − t cos t = t³/3 − t⁵/30 + t⁷/840 − ⋯ 代入并整理:
m(r) = −(2π/15)|k|² + (π/210) r²|k|⁴ − ⋯
第一项恰为 c·Δ 的乘子 −c|k|²,验证 c = 2π/15;第二项给出误差的精确首项 (π/210) r²|k|⁴。取 |k| = 2 计算:
r m(r) −c|k|² 误差 预测 比值
0.400 −1.63766 −1.67551 3.785e−0 3.830e−0 0.988234
9 6 2 2
0.200 −1.66597 −1.67551 9.546e−0 9.574e−0 0.997042
0 6 3 3
0.100 −1.67312 −1.67551 2.392e−0 2.394e−0 0.999260
4 6 3 3
0.050 −1.67491 −1.67551 5.983e−0 5.984e−0 0.999815
8 6 4 4
0.025 −1.67536 −1.67551 1.496e−0 1.496e−0 0.999951
6 6 4 4
比值单调趋于 1,确认误差的阶与常数都对。同时可核对定理给出的上界:M₄/24 ·
‖D⁴u‖ 在此情形化为 (1/24)·(4π/35)|k|⁴ = (π/210)|k|⁴,与精确首项逐字相同——即
定理 26.1 的常数在指示核与指数函数上是紧的。取 d = 3、J = 𝟙[0,1]、u(x) = sin x₁ cos x₂ + x₃³、x = (0.3, 0.2, 0.1),用对偶采样 (z, −z)消去奇次项后直接数值积分(4×10⁶ 样本):
r ℒ_r u c·Δu 误差 收敛阶
0.400 0.01142896 0.00868798 2.741e−03 —
8 9
0.200 0.00936516 0.00868798 6.772e−04 2.017
9 9
0.100 0.00884634 0.00868798 1.584e−04 2.096
6 9
0.050 0.00871646 0.00868798 2.847e−05 (抽样噪声
1 9 主导)前两个收敛阶 2.017 与 2.096 独立确认 O(r²)。r 更小时误差已降到 10⁻⁵ 量级,蒙特卡罗噪声开始主导,此时的阶数不再可读——这一行保留在表中,是为了说明数值方法自身的有效范围,而不是为了充数。
[证据分级:定理 26.1 属第一层,证明不依赖任何计算。第三节的常数属第一层(封闭形式)。第四节属第一层(解析展开)。第五节属第三层(数值),其作用是独立佐证,不承重。]
推论 26.2. 在 J 与正则性条件下,经典二阶微分算子是共振算子族 {ℒ_r} 在
r→0 时的极限,且差异为 O(r²)。
把它放回第 53 号的框架:那里说传统数学是 r→0、ω=1、v→∞ 的三重退化,本推论给出的是其中 r→0 那一重的定量版本——带条件、带显式常数、带 O(r²) 收敛率。另外两重(ω 与 v)本书未处理。
这句话的意义不在于"经典理论被包含了"——那只是一个包含关系,本身不产生任何新东西。意义在于它的逆用:
既然经典理论是 r→0 的那一层,那么在 r→0 中被抹去的一切,经典理论结
构性地看不见。
下一章处理的就是"被抹去的是什么"。