駐相法(method of stationary phase)
光學、聲學與波動物理中許多積分在大 N 時看起來像(對 f(t) e^(i N phi(t)) dt 的積分),其中振幅 f 緩慢變化,而相位 N phi(t) 旋轉得非常快。在相位旋轉快的地方,被積函數在正負之間擺盪得如此迅速,以致相鄰的貢獻幾乎完全抵消。唯一倖存的地方是旋轉一時減慢到停頓之處——即相位駐定之處。駐相法說:整個積分由 phi'(t) = 0 那些點周圍的微小窗口所主導。
在這樣一個駐點 t_0,相位在局部看起來像 phi(t_0) + (1/2) phi''(t_0)(t - t_0)^2,而對該窗口的積分算出一個菲涅耳型的高斯。每個駐點的主導貢獻是 f(t_0) e^(i N phi(t_0)) 乘 (2 pi / (N |phi''(t_0)|)) 的平方根,再乘一個相位 e^(i (pi/4) phi''(t_0) 之正負號),它記錄相位是向上彎還是向下彎。對所有駐點求和便得到大 N 的漸近,其量級是 N 的平方根分之一——遠大於快速振盪區域留下的指數級小殘餘。
駐相法是最速下降法的振盪雙生子:最速下降法有一個會衰減的實指數,駐相法則有一個會振盪的純虛指數,而兩者透過把圍道形變進複平面而統一(phi 的駐點即 i phi 的鞍點)。它解釋了為何你會看到一條銳利的亮光焦散、為何彩虹有確定的角度、以及為何遠場波形集中在幾何光學的射線上。告誡是:它同樣是漸近方法;若兩個駐點相撞,簡單公式便失效,你必須使用一致近似(在折疊焦散附近用艾里函數)。
對(從負無窮到正無窮對 e^(i N (t^3/3 + x t)) dt 的積分)——定義艾里函數的積分——相位 phi(t) = t^3/3 + x t 有 phi'(t) = t^2 + x。當 x < 0 時有兩個實駐點位於 t = 正負 (-x 的平方根),駐相法預言一條振盪而衰減的尾巴;當 x > 0 時沒有實駐點,函數改為指數衰減。
艾里積分的兩個駐點(當 x < 0 時)給出它振盪的尾巴。
駐相法只看得到相位的實駐點;積分區間的端點,或振幅 f 不光滑的點,也會有貢獻,而這些邊界項很容易被遺漏。