Differentiating The Proper Integral With Respect To A Parameter

Page 1

來處理許多一般傳統技巧上無法處理的複雜積分問題,而複變函數論(又稱複 分析)的預備知識是高等微積分(初階實分析),固不在此詳述相關內容。現 在覺得可以對萊布尼茨積分法做出一個整合,用不精湛的中文寫一篇短述給非 數學系的學生,在學習電磁學的過程中為個人喜好或在必要時刻免去使用三角

DIFFERENTIATING THE PROPER INTEGRAL WITH RESPECT TO A PARAMETER 含參變數常義積分中的微分公式(費曼最愛的方法) P. TSUYEN WU 在理論物理學家理查費曼的"Surely You're Joking, Mr. Feynman!"自傳中,文內有 那麼一段話是關於費曼在高中時初次接觸高等微積分的趣味經歷,主要關於如 何對常義積分符號內的參數求微分,利用該方法去解決一些較為困難的積分問 題。該方法又稱為萊布尼茨積分法則。若非數學系本科生,一般理工科系生在 大學裏不太會學到這方法。在費曼的自傳裏,他敘述自己在自修高等微積分時 始終沒有掌握到圍道積分的技巧。該技巧屬於複變函數論裏的內容,主要是運 用柯西-古薩定理處理復平面上全純函數的路徑積分的一個重要定理,通常用
代換法的一些難處,為進行微積分的計算過程中添加一點趣味性。 萊布尼茨給出了含參變數常義積分在積分符號下的求導法則,可應用到解決某些較為複 雜的積分,也就是說無法使用傳統技巧解決的一些積分問題。我們考慮一個積分(程量子 老師編著的普通物理 14 7 頁安培定律的範例 2 10) ∫��·ⅆ�� ℒ = ∫ ��0ⅈ��2 2√��2 +��23 ⅆ�� +�� �� 要解決右手邊的積分通常使用三角函數代換法即可。然而我們在此避開三角函數,給定一 個參變數在積分的符號下取偏微分,進行對整體積分計算的簡化去推導出最終結果。 定理:倘若函數 f:→ℝ 在矩形 P={(x,y)∈ℝ²|a≤x≤b∧c≤y≤d} 上連續且對 y 有連續偏 導數,則積分 F(y)=∫ f(x,y)dxb a 屬於 C(1)([a,b],ℝ),且 ��′(��)= ∫��������(��,��)ⅆ�� �� �� [Зорич В. А. Математический анализ. Часть 2. 4 е изд. 蘇聯時期數學家卓里奇名著“分析學”] 在基礎分析學裏,該定理的首要條件必須是被積函數 f 為定義於[a,b]上的有界實函數。這 是一項具有一定局限性的重要定理,不適合直接用於處理不定積分(即使是在某種依然成
立的特殊情況下)。這是由於在處理不定積分時會出現一個待定常數,而該常數在多變數 之微積分內有著關於向量空間的深厚意義,使用萊布尼茨積分法時必須慎重考慮到積分的 界限性質,不可在不確定界限的情況下誤用萊布尼茨法則,否則會導致由於忽視條件所產 生的錯誤。在處理特殊情形時(如瑕積分)需將上述積分運算推廣至任何測度空間中(參 考勒貝格積分)去做思考,以更足夠有力的條件去做計算。雖然運用萊布尼茨法會顯得有 些大材小用的感覺,然而多瞭解一項工具總是有好處的。因此我們現在就用該定理去處理 上述範例中的基礎積分問題。 §類型一:由已知推理未知 考慮積分 ∫ ��0ⅈ��2 2√��2+�� 32 ⅆ�� +�� �� = ��0ⅈ��2 2 ∫ 1 √��2+�� 32 ⅆ�� +�� �� , ��0ⅈ��2 2 皆為常數。 步驟 1:已知 ∫ 1 √��2+��2 ⅆ�� +�� �� =����|��+√��2 +��2|| �� �� =����|��+√��2+��2 √��2+��2 ��| *以上的被積函數為初等函數,是在普通微積分裏經常出現的積分類型,固省略推導。然而需謹記界限的重要 性,必須將上下界代入取得最終結果。這裏是非常會導致錯誤的地方! 步驟 2:給定 ��(��)=∫ 1 √��2+��2 ⅆ�� +�� �� =����|��+√��2+��2 √��2+��2 ��| ,∀��∈ℝ 步驟 3:在等號兩邊同時求對參變量��的偏導數 ���� ���� = �� ����∫ 1 √��2+��2 ⅆ�� +�� �� =∫ �� ���� 1 √��2+��2 ⅆ�� +�� �� = �� ����(����|��+√��2+��2 √��2+��2 ��|) *右手邊對於自然對數的微分請參考微分的連鎖律:先將內部微分再將外部微分! ���� ���� =∫ �� (��2+��2) 3 2 ⅆ�� +�� �� = �� ����(����|��+√��2+��2 √��2+��2 ��|) = �� ����(��+√��2 +��2)(√��2 +��2 ��) (��+√��2 +��2) �� ����(√��2 +��2 ��) (√��2 +��2 ��)2 √��2 +��2 �� ��+√��2 +��2 = �� √��2 +��2 (√��2 +��2 ��) �� √��2 +��2 (��+√��2 +��2) (√��2 +��2 ��)(��+√��2 +��2) = 2�� ��√��2 +��2
⇒∫ �� (��2+��2) 3 2 ⅆ�� +�� �� = 2�� ��√��2+��2 ⇒−��∫ 1 (��2+��2) 3 2 ⅆ�� +�� �� = 2�� ��√��2+��2 ⇒ ∫ 1 (��2+��2) 3 2 ⅆ�� +�� �� = 1 �� 2�� ��√��2+��2 = 2�� ��2√��2+��2 步驟 4:代入原式得 ��0ⅈ��2 2 ∫ 1 √��2 +��23 ⅆ�� +�� �� = ��0ⅈ��2 2 2�� ��2√��2 +��2 = ��0ⅈ �� √��2 +��2 = ��0ⅈ 1 √1+(����)2 如此一來,就可以不需要用到三角函數的代換法。 §類型二:透過定理直接積分(瑕積分情況) 考慮積分 ∫ ⅇ ��2������(����)ⅆ�� ∞ 0 步驟 1:給定 ��(��)=∫ ⅇ ��2������(����)ⅆ�� ∞ 0 ,∀��∈ℝ 步驟 2:在等號兩邊同時求對參變量��的偏導數 ⅆ�� ⅆ�� = �� ����∫ ⅇ ��2 ������(����)ⅆ�� ∞ 0 = ∫ �� ����ⅇ ��2 ������(����)ⅆ�� ∞ 0 = ∫ ��ⅇ ��2 sin(����)ⅆ�� ∞ 0 = �� 2∫ ⅇ ��2 ������(����)ⅆ�� ∞ 0 = �� 2��(��) 步驟 3:給定參數值使定積分被簡化 ��(0)=∫ ⅇ ��2 cos(0��)ⅆ�� ∞ 0 =∫ ⅇ ��2 ⅆ�� ∞ 0 = √�� 2 這裏是高斯積分
步驟 4:用前後關係去解推導出來的微分方程 { ��′(��) ��(��) = �� 2 (1) ��(0)= √�� 2 (2) ⇒ ⅆ�� ⅆ�� 1 �� = �� 2 對 G 與 dG 做分離變數法 ⇒ ⅆ�� �� = �� 2 ⅆ�� 將兩邊積分↓ ⇒ ∫ⅆ�� �� = ∫ �� 2 ⅆ�� ⇒����|��|= 1 2 ��2 2 +�� ⇒��(��)=ⅇ �� 4 2 +�� =��ⅇ �� 4 2 ,∀��∈ℝ 且 ��(0)= √�� 2 =��ⅇ 0 4 2 =�� 步驟 5:代入原式得 ��(��)=∫ ⅇ ��2������(����)ⅆ�� ∞ 0 = √�� 2 ⅇ �� 4 2 ,∀�� ∈ℝ 需要知道的是,在處理不定積分時必須嚴格考慮到以下對於積分的定義與性質: 定義:∫��(��,��)ⅆ�� =��(��,��)+��(��)⇒∫ ∂ ∂a��(��,��)ⅆ�� = ∂ ∂a��(��,��)+��(��) 若 ��2 ����������(��,��)= ��2 ����������(��,��) 勿將定積分的情況與不定積分的情況並為一談。 很多需要使用三角函數代換法的積分都可以使用萊布尼茨法來處理掉。然而有時候,三角 函數代換法確實更為簡單些。

掌握了它的用法,往後還一再地用到它。因此,靠著自修那本書,我做積分的方法往往與 眾不同。結果經常發生的是,我在麻省理工或普林斯頓的朋友被某些積分難住,原因卻是 他們從學校學來的標準方法不管用。 如果那是圍道積分或級數展開,他們都懂得怎麼把 答案找出;現在他們卻碰壁了。這時我便使出“積分符號內取微分”的方法

One thing I never did learn was contour integration. I had learned to do integrals by various methods shown in a book that my high school physics teacher Mr. Bader had given me. One day he told me to stay after class. "Feynman," he said, "you talk too much and you make too much noise. I know why. You're bored. So I'm going to give you a book. You go up there in the back, in the corner, and study this book, and when you know everything that's in this book, you can talk again." So every physics class, I paid no attention to what was going on with Pascal's Law, or whatever they were doing. I was up in the back with this book: Advanced Calculus, by Woods. Bader knew I had studied Calculus for the Practical Man a little bit, so he gave me the real works it was for a junior or senior course in college. It had Fourier series, Bessel functions, determinants, elliptic functions all kinds of wonderful stuff that I didn't know anything about. That book also showed how to differentiate parameters under the integral sign it's a certain operation. It turns out that's not taught very much in the universities; they don't emphasize it. But I caught on how to use that method, and I used that one damn tool again and again. So because I was self taught using that book, I had peculiar methods of doing integrals. The result was, when guys at

萊布尼茨法主要適合用在諸如: ∫ ��³ 1 ������ ⅆ�� �� �� , ∫ ⅇ ��2 2 ⅆ�� �� �� , ∫ ��ⅈ���� �� ⅆ�� �� �� , ∫ ⅇ ����2erf(ax+b) ⅆ�� �� �� , … 等類型的複雜積分,這是由於該類型的積分一般無法被傳統技巧所解決,因此需要用特殊 的技巧來將之簡化再進行計算處理。 [R. P. Feynman, Surely You're Joking, Mr. Feynman!, Bantam, New York, 1985.(別鬧了,費曼先生!)] 『我始終沒有學會的是圍道積分。高中物理老師貝德先生給過我一本書,我會的所有積分 方法,都是從這本書裏學到的。事情是這樣的:一天下課之後,他叫我留下。“費曼”, 他說,“你上課時話太多了,聲音又太大。我知道你覺得這些課太沉悶,現在我給你這本 書。以後你坐到後面角落去好好讀這本書,等你全弄懂了之後,我才准你講話。”於是每 到上物理課時,不管老師教的是帕斯卡定律或是別的什麼,我都一概不理。我坐在教室的 角落,念伍茲(woods)著的這本《高等微積分學》。貝德知道我念過一點《實用微積 分》,因此他給我這本真正的大部頭著作 給大學二三年級學生念的教材。書內有傅立 葉級數、貝塞爾函數、行列式、橢圓函數 各種我前所未知的奇妙東西。那本書還教你 如何對積分符號內的參數求微分。後來我發現,一般大學課程並不怎麼教這個技巧,但我
這是因為 我有一個與眾不同的工具箱。當其他人用光了他們的工具,還沒法找到解答時,便把問題 交給我了!』 別鬧了,費曼先生! 理查⋅費曼 “

MIT or Princeton had trouble doing a certain integral, it was because they couldn't do it with the standard methods they had learned in school. If it was contour integration, they would have found it; if it was a simple series expansion, they would have found it. Then I come along and try differentiating under the integral sign, and often it worked. So I got a great reputation for doing integrals, only because my box of tools was different from everybody else's, and they had tried all their tools on it before giving the problem to me.”

By Courtesy of Perimeter Institute

Turn static files into dynamic content formats.

Create a flipbook
Issuu converts static files into: digital portfolios, online yearbooks, online catalogs, digital photo albums and more. Sign up and create your flipbook.