高级积分技巧

莱布尼茨积分法则(Leibniz integral rule)

/ LYBE-nitz /

莱布尼茨积分法则回答一个精确的问题:若一个积分的参数既出现在被积式里又出现在积分上下限里,当参数移动时整体如何变化?它是对 I(t) = f(x, t) dx 从 a(t) 到 b(t) 的积分求导的完整公式,把两种效应缝在一起——被积式的移动,与端点的滑动。

法则有三块。I(t) 的导数等于:第一,f 在上限处的值乘上限移动的速率 db/dt(右缘前进,曲线获得面积);减去 f 在下限处的值乘 da/dt(左缘前进,失去面积);加上 f 对 t 的偏导数在区间上的积分(被积式自身处处在变)。两个边界项恰是动限的链式法则贡献;积分项就是朴素的积分号下求导。当上下限为常数时,边界项消失,只剩那个内部项。

这是动边界问题、流体力学中的输运定理(雷诺输运定理就是随流动携带的区域的多维莱布尼茨法则)以及任何在增长窗口上累积量变化率背后的主力。一个常见的疏忽是只记得积分项,而在上下限确实依赖 t 时忘掉两个边界贡献——这一遗漏悄悄丢掉了真实的物理,比如穿过运动曲面的通量。

对 cos(t x) dx 从 0 到 t^2 的积分求 d/dt,等于 cos(t * t^2) * (2t) + 从 0 到 t^2 的 -x sin(t x) dx 的积分——边界项加上内部的参数导数。

移动的上限 t^2 贡献一个边界项;cos 内部的参数 t 贡献积分项。

当只有上下限依赖参数而被积式不依赖时,法则退化为带链式法则的微积分第二基本定理。恰恰在两者同时变化时才需要完整法则。

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