驻相法(method of stationary phase)
当你把许多相位以不同速率旋转的波叠加起来时,它们多半相互抵消成一片模糊——唯独在相位一时停止变化的地方,邻近的波短暂地步调一致、彼此相加。驻相法把这一关于波的日常事实变成工具:一个振荡积分由其相位驻定的那些点主导,几乎其余一切都抵消掉。
其情境是带大实参数 k 的积分 g(t) e^(i k phi(t)) dt。因子 e^(i k phi) 一圈一圈地旋转;在 phi'(t) 不为零的任何区段上,这种快速旋转使正负贡献相消,剩下的部分比 1/k 的任何幂都小。幸存的贡献来自驻点,即 phi'(t0) = 0 的地方,因为那里相位局部平坦,振荡短暂地相互加强。在该处把 phi 展开到二阶,做一个(如今是复的)高斯积分,给出主导估计:约为 g(t0) sqrt(2 pi / (k |phi''(t0)|)) 乘以 e^(i k phi(t0)) e^(i sigma pi/4),其中 sigma 是 phi''(t0) 的符号。注意衰减只像 1/sqrt(k)——比拉普拉斯方法慢,因为这里是靠振荡相消,而非指数级的小。
驻相法是波与射线的数学:它解释了光与声为何沿驻定时间的路径传播(与费马原理的联系),它给出光学与声学的远场衍射图样、波包的群速度与色散、以及 WKB 的连接公式。诚实的提醒是:它需要真正的、彼此分离的、非退化的驻点。若 phi''(t0) 也为零(更高阶的驻点),衰减进一步变慢,艾里函数之类的特殊函数会登场;而若区间内根本没有驻点,积分就是指数级小,转而由端点主导。
从负无穷到正无穷的 e^(i k (t^3/3 + x t)) dt 这个积分是艾里积分;它的单个或成对驻点(在 t^2 + x = 0 处)解释了焦散亮侧上的振荡条纹。
远离驻点处快速振荡相消;驻点附近邻近的波相加,留下主导贡献。
每个驻点处驻相法以 1/sqrt(k) 的速度衰减,远比拉普拉斯方法的指数级集中要慢。振荡相消弱于指数衰减,所以振荡积分更难变小。