高级积分技巧

积分号下求导(differentiation under the integral sign)

设想一个积分,其被积式里多坐着一个参数,比如 I(a) = e^(-ax) 乘某式从 0 到无穷的积分。积分号下求导,就是允许你把 d/da 移到积分号里,使得 I(a) 对 a 的导数等于被积式对 a 的导数的积分。你在固定积分变量的情况下对里面求导,然后照常积分。听起来简单得几乎过分——但用得巧妙,它能攻下抵抗一切标准技巧的积分。

最朴素的形式下,当上下限为常数时,规则正是那个交换:[常区间] 上 f(x, a) dx 的积分对 a 的导数,等于 f 对 a 的偏导数的积分。策略是故意往一个难积分里引入一个参数,求导得到一个更容易的积分,解出它,再对参数积分回去(由某个已知的特殊值找回积分常数)。当积分上下限本身依赖参数时,你需要更完整的莱布尼茨法则,它会添加边界项。

这不是廉价把戏,而是一条严格的定理——只要被积式及其参数导数足够好(连续,且有一个控制界以便把极限穿过积分),它就成立。它是物理学中许多结果背后的引擎:生成分布的矩、计算高斯型积分、求那些正面看毫无希望的值。它的非正式昵称「费曼技巧」,是为纪念理查德·费曼如何令人难忘地推广了它,尽管这方法要古老得多。

定义 I(a) = e^(-ax) (sin x)/x 从 0 到无穷的积分。则 dI/da = -e^(-ax) sin x dx 的积分 = -1/(1 + a^2);积分回去并用 I(无穷) = 0 得 I(a) = arctan(1/a),于是 I(0) = pi/2。

对参数 a 求导把一个无望的积分变成初等积分,然后再积分回去。

交换不是自动成立的——它需要论证(连续性加上一致/控制界)。在被积式于某端点处不良时,不加检验地交换积分与导数会给出错误答案。

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