高級積分技巧

積分號下求導(differentiation under the integral sign)

設想一個積分,其被積式裡多坐著一個參數,比如 I(a) = e^(-ax) 乘某式從 0 到無窮的積分。積分號下求導,就是允許你把 d/da 移到積分號裡,使得 I(a) 對 a 的導數等於被積式對 a 的導數的積分。你在固定積分變量的情況下對裡面求導,然後照常積分。聽起來簡單得幾乎過分——但用得巧妙,它能攻下抵抗一切標準技巧的積分。

最樸素的形式下,當上下限為常數時,規則正是那個交換:[常區間] 上 f(x, a) dx 的積分對 a 的導數,等於 f 對 a 的偏導數的積分。策略是故意往一個難積分裡引入一個參數,求導得到一個更容易的積分,解出它,再對參數積分回去(由某個已知的特殊值找回積分常數)。當積分上下限本身依賴參數時,你需要更完整的萊布尼茨法則,它會添加邊界項。

這不是廉價把戲,而是一條嚴格的定理——只要被積式及其參數導數足夠好(連續,且有一個控制界以便把極限穿過積分),它就成立。它是物理學中許多結果背後的引擎:生成分布的矩、計算高斯型積分、求那些正面看毫無希望的值。它的非正式暱稱「費曼技巧」,是為紀念理查德·費曼如何令人難忘地推廣了它,儘管這方法要古老得多。

定義 I(a) = e^(-ax) (sin x)/x 從 0 到無窮的積分。則 dI/da = -e^(-ax) sin x dx 的積分 = -1/(1 + a^2);積分回去並用 I(無窮) = 0 得 I(a) = arctan(1/a),於是 I(0) = pi/2。

對參數 a 求導把一個無望的積分變成初等積分,然後再積分回去。

交換不是自動成立的——它需要論證(連續性加上一致/控制界)。在被積式於某端點處不良時,不加檢驗地交換積分與導數會給出錯誤答案。

又稱
interchanging differentiation and integration积分号下微分微积分换序