费曼积分法——积分符号内取微分(3)
By 苏剑林 | 2012-06-23 | 55870位读者 |由于自行车之旅的原因,这篇文章被搁置了一个星期,其实应该在一个星期前就把它写好的。这篇文章继续讲讲费曼积分法的一些例子。读者或许可以从这些不同类型的例子中,发现它应用的基本方向和方法,从而提升对它的认识。
例子2:
∫∞0sinxxdx
这也是一种比较常见的类型,它的形式为∫f(x)xdx,对于这种形式,我们的第一感觉就是将其改写成参数形式∫f(ax)xdx,这样的目的很简单,就是把分母给消去了,与∫xf(x)dx的求积思想是一致的。但是深入一点研究就会发现,纵使这样能够消去分母,使得第一次积分变得简单,但是到了第二次积分的时候,我们发现,它又会变回∫f(x)xdx的积分,使我们不能继续进行下去,因此这个取参数的方法大多数情况下都是不行的。
有一个神奇的方法,让我们将其变换成:
G(a)=∫∞0e−axsinxxdxf(x,a)=e−axsinxx
这样我们在原来的基础上增加了一块e−ax,其作用也是让我们把分母给消去了,因为
∂f(x,a)∂a=−e−axsinx
所以
G′(a)=∫∞0−e−axsinxdx=1a2+1e−ax(asinx+cosx)|∞0=−1a2+1
(指数函数《积分表》)
最后得到
G(a)=−∫1a2+1da=−arctana+C
当a→∞时,f(x,a)=0,G(a)=0,得到C=π2。最终的结果是
∫∞0e−axsinxxdx=−arctana+π2
所以
∫∞0sinxxdx=G(0)=π2
例子3:
在费曼所看的《高等微积分》中,有一个很典型的例子,它的求解过程结合了微分方程的知识。
已知∫∞0e−x2dx=√π2,求积分:u=∫∞0e−x2−a2x2dx
这个积分已经给出了参数a,我们不妨直接对该参数求导,看看会发生什么?
duda=∫∞0∂(e−x2−a2x2)∂adx=2∫∞0e−x2−a2x2d(ax)
令t=ax,则变成了
∫∞0e−x2−a2x2d(ax)=−∫∞0e−t2−a2t2dt
这个积分的形式和所求积分的形式完全一样,因为变量的符号(x,t)只是一个记号,积分本身和变量的符号无关,因此我们有把握地说
∫∞0e−t2−a2t2dt=u
总的来说:duda=−2u
解得:u=C×e−2a,利用给出的已知条件,可以确定常数C=√π2,所以
∫∞0e−x2−a2x2dx=√π2×e−2a
小结
费曼积分法的变换形式多种多样,捉摸不定,需要在实际应用中敢想、敢试,而且时常需要“灵光一现”,才能妙笔生花!也许正是它的这种灵活性,因此通常有意想不到的惊喜等着我们,或者正是这个原因,费曼对它情有独钟。
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December 18th, 2012
有个地方少了个负号,有个地方却多了个负号,LZ可以检查一下
谢谢你的指出,已经修改了部分,不知道修改完了没有?
下次请明确指出哪些地方,方便我修改,谢谢
December 18th, 2012
这么看来难点变成了构造G(a)啊
March 12th, 2022
费曼积分法非常奇特,对某些积分的计算有奇效。
这个积分 ∫∞0e−x2−s2x2dx ,以前用复变围道积分才解决,没想到含参积分法会如此简便。
其实本文求积分∫∞0sinxxdx的方法,也是拉普拉斯变换法。
由L[sinx]=−dds[sinxx]可得
L[sinxx]=−∫L[sinx]ds+C
也就是
∫∞0sinxxe−sxdx=−∫ds∫∞0sinxe−sxdx+C=−∫dss2+1+C=−arctans+C
再根据 lim 可知 C=\frac\pi2,所以
\mathcal L[\sin x](0)=\int_0^\infty\frac{\sin x}{x}dx=\frac\pi2
感谢指点。