高斯积分作为一种特殊的反常积分,其应用范围相当广泛,无论是在概率论中所引入的高斯分布(亦称正态分布),还是在统计物理中的相关应用,都表明其有着至关重要的作用。
下面我们来介绍一种记忆高斯积分的方法:
01
从量纲谈起
我们之前曾借助量纲辅助记忆了不少公式,有兴趣的读者不妨在《物理记忆》栏目中回顾有关量纲分析的相关应用。但在该专栏中未曾讨论过量纲如何在超越函数中应用,现在我们做一讨论:
简单回顾正弦,余弦,e指数这三大超越函数的幂级数展开式:
从中不难看出,若x具有物理量纲,则展开式的每一项量纲都不相同,而量纲不相同的物理量是无法相加的,因此x仅能为无量纲数,例如弧度制的角度θ
我们回到高斯积分本身:
对此公式,我们不妨给x赋予长度的量纲
那么根据上述分析,a的量纲必须为长度的负二次方,方能使a乘以x平方是无量纲数。
我们观察等号左侧e指数项整体无量纲,dx具有长度量纲,因此等号左侧具有长度量纲
那么等号右侧也必须有长度量纲[L]
考虑到a具有长度负二次方的量纲,为使等号右侧也为长度量纲,因此等号右侧必须出现a的负二分之一次方:
02
π何来?
第一部分已经分析了右侧必须出现a的负二分之一次方,但尚未解释为何还需要再乘以常系数根号π,为确定此系数,可以令a=1
该积分右侧便是所需确定的系数
下面采用一些技巧来计算上述积分:
由此我们转化为了二重积分,看似将问题复杂化了,实则引入了更强的对称性,我们此时可以用极坐标去处理:直角坐标的面积微元dxdy对应极坐标的面积微元rdrdθ,且积分是对整个二维平面进行积分,因此有:
最终得到:
03
记忆
第二部分的过程仅仅给出了具体推导过程,而至于记忆方法,我们可以这么想:
为了计算积分结果,将本来对称性较低的积分(原来的被积函数是偶函数,仅具有轴对称型)化为根号下二重积分,以便于利用极坐标下更好的对称性,而极坐标网格是一圈一圈的圆环构成的,而π这个常数的出现恰是与圆密切联系的,因此我们可以由此记忆常数根号π的由来
再结合第一部分,由量纲法得出等号右侧必须出现a的负二分之一次方
综上,结合二者便可记忆高斯积分公式:
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