駐相法(method of stationary phase)
當你用轉換解出一個波動型偏微分方程後,答案是一個逆轉換積分:對所有頻率、把快速振盪的波加總起來。要弄清楚解在遙遠之處、久遠之後長什麼樣——它的大時間行為——你必須估計這個積分。但把劇烈振盪的項加起來很微妙:幾乎每個地方振盪都相互抵消。駐相法正是這樣的洞見:積分由少數幾個特殊頻率主宰,也就是振盪一瞬間停止狂奔的那些頻率。
圖像如下。對大 t 而言,逆轉換看來像 integral of A(k) e^(i t phi(k)) dk,其中 phi(k) 是一個相位(由色散關係構成)。當 t 很大時,e^(i t phi(k)) 隨 k 變化而極快地旋轉,於是相鄰的貢獻指向相反方向而抵消——除了在相位一瞬間變平之處,也就是 phi'(k) = 0 之處。在這樣的駐點上,振盪暫停,鄰近的貢獻同步相加而不抵消,那一個鄰域便供應了實質上整個積分。在那裡把相位展開到二階,得到一個你能精確算出的高斯型積分,結果是一個漸近公式:解以 t 的某個冪衰減(一維中通常是 1/sqrt(t))乘上一個由駐點決定的振盪。
回報是物理的、而非僅僅技術的。駐相條件 phi'(k) = 0 恰恰是說:一個以固定速度移動的觀察者,看見的是其群速度與該速度相符的波數——所以駐相法是「波包以群速度行進」的嚴格理由,也是色散波為何隨時間攤開且振幅衰減的原因。它是求薛丁格方程、水波及其他色散方程之解的大時間漸近行為的標準途徑。誠實的限度是:它給的是領頭的大 t 行為、而非精確答案,且它需要一個二階導數不為零的真正駐點;當 phi'' 也為零(駐點合併)時,簡單的 1/sqrt(t) 律失效,你需要更精細的漸近分析。
對自由薛丁格方程,解在位置 x、大時間 t 處是一個相位為 phi(k) = k(x/t) - omega(k)/... 的積分,其駐點落在群速度等於 x/t 的那個 k 上。駐相法於是給出我們熟悉的、像 1/sqrt(t) 衰減的擴散波包:你在 x 附近找到粒子的機率,由其群速度把它帶到那裡的那個單一波數所支配。
只有相位一瞬間變平的頻率存活下來——而那正是群速度對應的頻率。
駐相法處理振盪型積分(實的、快速旋轉的相位);當指數帶有的是實的衰減部分時,你要的是它的表親——最陡下降法。乾淨的 1/sqrt(t) 衰減假設只有單一、非退化的駐點。