高級積分技巧

萊布尼茨積分法則(Leibniz integral rule)

/ LYBE-nitz /

萊布尼茨積分法則回答一個精確的問題:若一個積分的參數既出現在被積式裡又出現在積分上下限裡,當參數移動時整體如何變化?它是對 I(t) = f(x, t) dx 從 a(t) 到 b(t) 的積分求導的完整公式,把兩種效應縫在一起——被積式的移動,與端點的滑動。

法則有三塊。I(t) 的導數等於:第一,f 在上限處的值乘上限移動的速率 db/dt(右緣前進,曲線獲得面積);減去 f 在下限處的值乘 da/dt(左緣前進,失去面積);加上 f 對 t 的偏導數在區間上的積分(被積式自身處處在變)。兩個邊界項恰是動限的鏈式法則貢獻;積分項就是樸素的積分號下求導。當上下限為常數時,邊界項消失,只剩那個內部項。

這是動邊界問題、流體力學中的輸運定理(雷諾輸運定理就是隨流動攜帶的區域的多維萊布尼茨法則)以及任何在增長窗口上累積量變化率背後的主力。一個常見的疏忽是只記得積分項,而在上下限確實依賴 t 時忘掉兩個邊界貢獻——這一遺漏悄悄丟掉了真實的物理,比如穿過運動曲面的通量。

對 cos(t x) dx 從 0 到 t^2 的積分求 d/dt,等於 cos(t * t^2) * (2t) + 從 0 到 t^2 的 -x sin(t x) dx 的積分——邊界項加上內部的參數導數。

移動的上限 t^2 貢獻一個邊界項;cos 內部的參數 t 貢獻積分項。

當只有上下限依賴參數而被積式不依賴時,法則退化為帶鏈式法則的微積分第二基本定理。恰恰在兩者同時變化時才需要完整法則。

又稱
Leibniz rule for differentiating an integral莱布尼茨法则积分变限求导