积分的导数
本文最终要完成对 leibniz 律的高维推广.由于真的很少有书讲全这个内容——哪怕是专门的微分几何教材,遂决定写下此文仔细讲解(尤其是变化区域上)对积分求导的具体操作.本文算是对笔者一篇回答的补充.这里假定读者懂一些多元微积分和线性代数,但我仍尽力尝试用最简单的话讲清楚怎么对一个积分整体求导.
1. leibniz 律简介
首先,大家应该学过变限积分的求导公式,称作 leibniz
律,它是
\frac{\text d}{\text
dt}\int_{g(t)}^{h(t)}f(x,t)\,\text dx=f(h,t)\dot h-f(g,t)\dot g+\int_{g(t)}^{h(t)}\frac{\partial
f}{\partial t}\,\text dx.\\
我们发现其实真正使用上式的场合还是很少的:一般来讲要么就是单限含参,要么就是积分域不变(与求导无关),比如说
\frac{\text d}{\text dt}\int_{c}^{t}f(x)\,\text
dx=f(t),\quad\frac{\text d}{\text dt}\int_0^\infty
f(x,t)\,\text dx=\int_0^\infty \frac{\partial
f}{\partial t}\,\text dx.\\
证明是容易的.通常的办法便是把整个积分视作一个多元函数
\phi(g,h,t)=\int_g^h f(x,t)\,\text dx,\\
再用链式法则 \frac{\text d\phi}{\text
dt}=\frac{\partial\phi}{\partial g}\dot
g+\frac{\partial\phi}{\partial h}\dot
h+\frac{\partial\phi}{\partial t}.\\
右式前两项代表积分区域 [g,h] 变化的影响;第三项则是被积函数自身变化的影响,而 g,h 均不显含 t, 因此如果函数足够光滑,那么可以把偏导数移进积分里[1],其具体证明是