漸近分析與攝動方法

拉普拉斯方法(Laplace's method)

/ luh-PLAHSS /

許多難以精確求值的積分裡,含有一個巨大的指數權重,它被壓倒性地集中在某一處,就像一束聚光燈只照亮舞台上的一個點,其餘幾乎都陷在黑暗裡。拉普拉斯方法正是利用這一點:當被積函數有一個尖銳的峰時,積分的幾乎全部貢獻都來自峰附近一個極小的區域,你可以通過研究那個小鄰域來近似整個積分。

其機制是:要在大參數 M 趨於無窮時估計 e^(M phi(t)) 在某區間上的積分,先找到光滑函數 phi(t) 取最大值的地方,設為 t = t0,滿足 phi'(t0) = 0 且 phi''(t0) < 0。在該點附近 phi 被它的拋物線 phi(t0) + (1/2) phi''(t0) (t - t0)^2 很好地逼近,於是被積函數變成一個高斯鼓包。把所得的高斯積分算出,就給出主導估計:該積分約等於 e^(M phi(t0)) 乘以 sqrt(2 pi / (M |phi''(t0)|))。峰越高、M 越大,鼓包越尖,近似越好,相對誤差為 1/M 的量級。

這一個想法是大量應用數學背後的引擎:把階乘寫成積分,它就給出 n! 的斯特林公式;它支撐著複平面裡的鞍點法;它也是統計學與機器學習中遍地使用的「拉普拉斯近似」——用一個以最可能值為中心的高斯去近似後驗積分。誠實的提醒是:它需要一個真正的內部最大值,且那裡 phi'' 不為零;若最大值落在端點,或 phi'' 在那裡為零(峰更平坦),主導公式就會改變,你必須重做局部分析。

把 n! = 從 0 到無窮的 t^n e^(-t) dt 這個積分寫出,並在峰 t = n 附近施用拉普拉斯方法,就重現了斯特林公式:n! ~ sqrt(2 pi n) (n/e)^n。

用一個高斯去近似 t^n e^(-t) 的尖峰,把一個棘手的積分變成了斯特林公式。

在主導階起作用的是指數 phi 的最大值,而非整個被積函數的最大值;e^(M phi) 前面那個緩變的前因子,只貢獻它在峰處的取值,而非它的形狀。

又稱
Laplace approximationLaplace's method for integrals拉普拉斯积分法拉普拉斯近似