物理学中常用的高斯与类高斯型积分

第40卷第5期大 学 物 
Vol.40No.52021
年5月
COLLEGE PHYSICS
May2021
 收稿日期:2020-06-23;修回日期:
2014-02-14 基金项目:中央高校基本科研业务费专项资金项目(GK201903022) 作者简介:王蒙(1997—),男,河南焦作人,陕西师范大学物理学与信息技术学院2019级研究生,主要从事粒子物理与场论方向的研究. 
通信作者:郑华,zhengh@snnu.edu.cn
物理学中常用的高斯与类高斯型积分
王 蒙,陶俊琦,程剑剑,郑 华
(陕西师范大学物理学与信息技术学院,陕西西安 
710119
摘要:本文展示了基于大学数学基础对不同积分限的高斯与类高斯型积分的求解方法,并列举了高斯与类高斯型积分在
“热力学与统计物理”、“光学”、“量子力学”、“量子光学”等物理学科中的若干应用实例.
关键词:高斯分布;高斯型积分;Γ函数
中图分类号:O4-1   文献标识码:A   文章编号:1000 0712(2021)05 0013 07【DOI】10.16854/j.cnki.1000 0712.200268
高斯分布是一个在物理、数学及工程等领域都非常常见且重要的概率分布.因此,在涉及高斯分布的量的计算过程中都会用到高斯型的积分[1 6
].比如,在“热力学与统计物理”中,麦克斯韦速率分布就是高斯分布.计算物理量平均速率v与方均根速率v2
槡时,需要用到积分限从0到正无穷的高斯型积分.在“量子力学”中,一维谐振子在坐标表象中的基态波函数为高斯函数,验证海森堡测不准关系时,需要用到积分限从负无穷到正无穷的高斯型积分.类高斯型积分在物理学中也比较常见.比如,在“量子力学”中,利用傅里叶变换从一维谐振子在坐标表象中的基态波函数计算其在动量表象中的波函数和利用费曼路径积分计算一维自由粒子传播子时,需要用到积分限从负无穷到正无穷的类高斯型积分.“光学”中常用的菲涅耳积分可以利用类高斯型积分得到.“量子光学”中,在原子能级自发衰变中考虑原子之间弹性碰撞的贡献时,也会用到类高斯型积分.
本文旨在基于大学数学基础对常用的高斯及类高斯型积分做系统的阐述,给出相应的求解方法和通用积分结果.以期助力学生学习与教职人员教授相关内容.
1 
高斯与类高斯型积分
本节中,我们将对不同的高斯与类高斯型积分进行计算与讨论,遵循由简到难、由特殊到一般的
逻辑.
1.1 
高斯型积分I=∫∞
-∞防火拉链
e-αx2
dx,(α>0,α∈R)
在高斯与类高斯型积分中,非常重要的一个积
分是
I=
-∞
-αx2
dx(1)考虑α为实数的情况.为保证式(1)积分收敛,要求α>0.式(1)无法利用牛顿莱布尼兹公式求出原函数对积分进行计算.但可以通过构造的方法,建立式(1)
与二维积分的联系,然后利用常用积分就可以计算了.具体过程如下
I2
=∫∞
-∞e-αx2
dx∫∞
-∞
e-αy2
dy=
∫2π0
dθ∫∞0
e-αr2
rdr=πα
(2)对式(
2)中r的积分进行变量代换,容易看出是一个指数函数积分.因此
I=∫∞
-∞
e-αx2
dx=π
α
CC数据
(3)此积分过程中体现了一个重要的思想,在当前维度下如果解决不了问题时,可以发散性的将问题向高维转化.某些特殊函数的生成函数,也应用了这一思想,在此我们不做详细论述[7
].
下面讨论3个常用的高斯型积分.
(a)当α=1时,由式(3)可得
∫∞
-∞
e-x2
dx=槡π
(4)
14
 大 学 物 理  第40卷(b)将式(3)的积分限变成0到正无穷,由式
(3)的积分函数是偶函数可得
∫∞0e-αx2dx=1
π
α
槡(5)
(c)将式(3)的积分限变成0到正无穷且α=1
∫∞0e-x2dx=1
槡π(6)1.2 Γ函数与高斯型积分
Γ函数与高斯型积分具有直接的联系[8 10].在实变函数中,Γ函数的通常定义如下
Γ(x)≡∫∞0e-ttx-1dt(x>0,x∈R)(7)Γ函数具有如下性质
Γ(x+1)=xΓ(x)(8)将Γ函数式(7)的积分变量t作积分变量代换,
令t=u2.可得
Γ(x)=∫∞0e-u2u2(x-1)du2=2∫∞0e-u2u2x-1du(9)为便于文章后面的讨论,将式(9)改写为
12Γ
x+1
()=∫∞0e-u2uxdu(10)
可见,当x=0时,式(10)右边为高斯型积分式(6),故有
Γ
()=槡π(11)
这是我们熟知的结果.
1.3 高斯型积分I(n)=∫xne-αx2dx(α>0,α∈R)下面将考虑几个不同积分限的高斯型积分.
1.3.1 高斯型积分In()=∫∞-∞xne-αx2dx
与高斯分布相关的物理量的计算中,很常用的一类积分为
In()=∫∞-∞xne-αx2dx(12)当n为奇数时,由于被积函数为奇函数,可得
I(n)=∫∞-∞xne-αx2dx=0(13)当n为偶数时,取n=2k(k为自然数),式(12)变成
I2k
()=∫∞-∞x2ke-αx2dx(14)我们将以k=1为例,通过3种方法来计算
I(2),然后给出积分式(14)的通用公式.(a)计算积分I(2)常用的方法为分部积分法
I(2)=∫∞-∞x2e-αx2dx=-12α∫∞-∞xde-αx2=
-1
2α
xe-αx2
-∞
-1
2α
∫∞-
e-αx2dx=
2α
∫∞-
e-αx2dx=
2α
π
α
槡(15)已经利用了高斯型积分式(3)的结果.如果k值取更大,用分部积分法计算式(14)会比较繁琐.(b)另一种方法计算积分I(2),可以将α看成变量
I(2)=∫∞-∞x2e-αx2dx=-ddα∫∞-∞e-αx2dx=
dα
π
α
槡=12απα槡(16)此方法比分部积分法简洁,更重要的是其可以很容易给出积分式(14)的通用公式
I(2k)=∫∞-∞x2ke-αx2dx=(-1)kdkdαk∫∞-∞e-αx2dx=(-1)k
dk
dαk
π
α
槡()=(2k-1)!!2kαkπα槡
(17)双阶乘定义:(2n-1)!!≡1·3……(2n-3)(2n-1).(
c)更简洁的方法是将I(2)与Γ函数式(10)联系,可得
I(2)=∫∞-∞x2e-αx2dx=2槡αα∫∞0u2e-u2du=
槡ααΓ32()=12απα槡(18)其中u=槡αx.同理可得I(2k)的通用公式
I(2k)=∫∞-∞x2ke-αx2dx=2αk槡α∫∞0u2ke-u2du=
αk槡αΓ
2k+1
()=(2k-1)!!
2kαk
π
α
槡(19)
最后的结果已经利用Γ函数的性质式(8).此方法避免了(b)中对α求导的过程.
综上所述,式(12)的积分结果为
I(n)=∫∞-∞xne-αx2dx=
0,n=2k+1
(2k-1)!!
2kαk
π
α
槡,n=2k
{
(20)其中k为自然数.
1.3.2 高斯型积分In()=∫∞0xne-αx2dx
由上节可知,将高斯积分与Γ函数联系是很简
第5期
王 蒙,等:物理学中常用的高斯与类高斯型积分
15
洁的方法.与式(20)类似的过程可得
I(n)=∫∞0
xn
e-αx2
dx=k!2αk+1
,n=2k+1(2k-1)!!2
k+1
α
πα
,n=2k
21)其中k为自然数.
1.4 类高斯型积分I=∫∞
-∞e-α(x+c)2
dx
现在来计算类高斯型积分
I=∫∞
-∞
e-α(x+c)2
dx(
22)其中α与c可以是复数,考虑到积分的收敛性,要求Re(α)
>0.这与1.1与1.3中要求α为实数不一样,我们称之为类高斯型积分.
由于类高斯型积分已经涉及到了复数,有些计算过程会用到“数学物理方法”中的留数定理[11
].为使讨论更为清晰,我们分以下几种情况:
人脸识别门(a)α与c均为实数:这种情况与1.1的讨论很相似,唯一的差别是高斯函数的对称中心在x=-c.可以通过积分变量代换将式(22)变成式(
3)∫∞
-∞
e-α(x+c)2
dx=∫
-∞e-α(x+c)2
d(x+c)=∫∞
-∞
e-αu2
du=πα
(23)(b)α为实数,
c为纯虚数:这种情况下需要用到留数定理.不失一般性的可以令c=ib,b为正实
数.在复平面上选择积分路径如图1所示.
图1 复平面积分路径
被积函数f(z)=e-αz2在积分区域内是解析的.由留数定理可得
∮e-αz2
dz=0
(24)可将积分式(24)沿长方形闭合区域写成4部分之和
∫R
-R
e-αx2
dx+∫
通用积分b
e-α(R+iy)2
idy+ 
∫-R
e-α(x+ib)2
dx+
0b
e-α(-R+
iy)2idy=0
(25)在R→∞,
第三项与待求积分有简单的关系:∫-R
e-α(x+ib)2
dx=-I
(26)由式(3)知第一项等于πα槡
;第二项的模为limR→∞
∫b
e-α(R+iy)2
idy≤limR→∞
e-αR2
∫b0
eαy2
dy=0,因此第二项为0;同理可得第四项为0.由式(25)与式(26)可得
∫∞
-∞
e-α(x+ib)2
dx=πα
(27)当b为负实数时,在复平面上将积分路径选在下半平面,其余过程与b为正实数类似,可以得到同样的积分结果.
(c)α为复数,c为实数:α为复数时,与1.1中α为实数时类似,
可以得到∫∞
-∞
e-αx2
dx=πα
(28)由于此处α为复数,槡α是多值函数.为保证积
分值的单一性,我们限定α的辐角在-π
2,π
2()
.利用1.4(a)中的积分变量代换,可得到
∫∞
-∞
e-α(x+c)2
dx=πα槡
(29)(d)α为复数,c为纯虚数:与1.4(b)中计算过
程类似并利用1.4(c)的积分结果,可得
∫∞
-∞
e-α(x+c)2
dx=πα
槡(30)同1.4(c)一样,限定α的辐角在-π2,π
2().(e)α与c均为复数:此种情况是最一般的情况.利用1.4(a)中的积分变量代换,可以将复数c的实部消除,这时积分就变成了1.4(d)中的积分.因此,积分结果为
∫∞
-∞
e-α(x+c)2
dx=πα
(31)同1.4(c)一样,限定α的辐角在-π2,π
2()
.讨论延拓:在1.4中讨论的积分基础上,利用积分变量代换与留数定理,我们可以计算积分In()=
-∞
xne-α(x+c)2
dx,其中α与c是复数,要求Re(α)>0.但计算结果开始变得复杂.由于篇幅有限,在此我
16
 大 学 物 理 
第40卷
们不做具体计算.
1.5 类高斯型积分I=∫∞
-∞
eim(x+c)2
dx
在1.4所有的讨论中,要求Re(α)>0.本节将讨论另外一种情况,即I=∫∞
-∞
人工熊胆eim(x+c)2
dx其中m为实数,c可以为复数(只有c为实数此积分才收敛).与1.4的讨论类似,我们分以下几种情况.
(a)c为实数:利用1.4(a)中的积分变量代换,可以将实数c消除,积分I=∫∞
-∞
eim(x+c)2
dx变为
I=∫∞
-∞
eimx2
dx=2∫∞0
eimx2
dx(32)不失一般性的,先考虑m为正实数.在复平面上eimz2
解析,利用留数定理可得
∮eimz2
dz=0
(33)可在复平面上选择如图2所示积分路径
图2 复平面积分路径可将积分式(33)写成三部分之和∫R
eimx2dx+∫C2
eimz2
dz+∫0
eim(ρeiπ/4)2d(ρeiπ/4
)=0
34)当R→∞时,式(34)
第一项为I/2,其中I为待求积分;第二项积分为0,计算如下∫C2
eimz2
dz=∫π/4
eim(Reiθ)2Rieiθ
dθ=  R∫π/4
0e-mR2sin2θ
dθ=R2∫π/2
e-mR2sin
d ≤  R2∫π/2
e-
2mR2π
=π
4mR
(1-e-mR2
)=0(35)第三项积分为∫0
eim(ρeiπ/4)2d(ρeiπ/4)=-eiπ/4
∫∞0
e-mρ2
dρ=-12eiπ/4
πm槡
(36)由式(34)可得I=∫∞
-∞
eim(
x+c)2
dx=eiπ/4
πm
槡=π(-i)m
槡(37
只取arg(-i)=-π2
.当m为负实数时,在复平面上将积分路径选在下半平面,其余过程与m为正实数类似.为方便,我们让m=-m′(m′>0),可得
I=∫∞
-∞
eim(x+c)2
dx=e-iπ/4
πm′槡=πim′
(38)只取arg(i)=π2
.式(37)与式(38)可以写成通式I=
-∞
e-
( im)(x+c)2dx=π
im
(m>0
)(39)只取arg(±i)=±π2
.(b)c为纯虚数:不失一般性的可以令c=ib,b为正实数.在复平面上选择积分路径如图1所示,同1.4(b)类似有
  ∮eimz2
dz=∫R
-Reimx2
dx+∫b
eim(R+iy)2
idy+
    ∫-R
eim(x+ib)2
dx+∫0b
eim(-R+iy)2
idy=0(40)
当R→∞时,式(40)第一项可以利用1.5(a)的结果,第三项等于负的待求积分,考察第二项与第四项
的模可以发现总有一项是发散的.因此,此种情况
下待求积分是发散的.
(c)c为复数:此种情况是最一般的情况.利用
1.4(a)中的积分变量代换,可以将复数c的实部消除,这时积分就变成了1.5(b)中的积分.同样的道理,此时积分是发散的.1.6 高斯与类高斯型积分的讨论通过观察式(3),式(31)与式(39)的积分结果,可以发现高斯与类高斯积分结果均可写成高斯积分结果的形式,只是需要限定α的辐角范围:(a)Re(α)>0,α∈C,c∈CI=∫∞
-∞
e-α(x+c)2
dx=π
α槡(41)需要限定arg(α)∈(-π/2,π/2),注意α为实数时其辐角为0.
(b)Re(α)=0,α∈C,
c∈RI=∫∞
-∞
e-α(x+c)2
dx=πα
(42)
第5期    王 蒙,等:物理学中常用的高斯与类高斯型积分17
 需要限定arg(α)=-π/2或arg(α)=π/2.
2 高斯与类高斯型积分在物理学中的应用
为将上面讨论的高斯及类高斯型积分与物理学
科中的实际问题联系起来,在此我们将选择不同物
理学科中的几个具体问题,来展示不同形式的高斯
及类高斯型积分的应用实例.所选问题的物理内涵
及重要性,读者均可从相应的教科书中查阅.
水晶面膜2.1 热力学与统计物理[3]
热力学与统计物理中,在讨论麦克斯韦速度分
布律及能量均分定理时,需要计算分子速率的平均
及分子速率平方的平均(见文献[3]中197-200
页).为避免重复计算,我们可先得到速率n次方的
平均的通用式
vn=∫∞0vnf(v)dv=4πm02πkT
()32∫∞0vn+2e-m0v22kTdv=
4π
α
π
()32∫∞0vn+2e-αv2dv(43)
其中α=m0
2kT.k,m0,T分别为玻尔兹曼常数,单个理
想气体分子的质量与温度.式(43)中的积分是1.3.2中讨论的高斯型积分,直接可以利用积分结果.因此粒子平均速率v与方均根速率v2槡,即对应n=1,2的情况,分别为
(a)当n=1时,平均速率v为
v=4π
α
π
()3212
α2
απ
槡=8kTπm0槡(44)
(b)当n=2时,速率平方的平均v2为
v2=4π
α
π
()3238
α2
π
α
槡=3kTm0(45)
因此方均根速率为
v2
槡=3kTm
槡(46)
2.2 量子力学[1,2,12]
在量子力学中,高斯与类高斯型积分有着广泛应用.
(a)一维谐振子是量子力学中可以精确求解的少数几个问题之一,其在坐标表象中的基态波函数是高斯函数(见文献[12]中卷一86页).在验证海森堡测不准关系时需要分别计算x,x2,p,p2.按照量子力学中力学量平均值的公式,可以得到1.3.1中讨论的高斯型积分.与2.1中的过程类似,直接利用积分结果.
(b)量子力学中,对同一个问题,可以选择在不同的表象中求解.一般情况下,解薛定谔方程是在坐标表象中进行的,但对有些问题在动量表象中求解更方便(见文献[12]中卷一108-113页).一维谐振子既可以在坐标表象也可以在动量表象中精确求解,且在坐标表象中得到的波函数与在动量表象中得到相应的波函数之间可以通过傅立叶变换联系.以一维谐振子在动量表象中的基态波函数与其在坐标表象中的基态波函数为例
c(p)=12π槡 ∫∞-∞ψ(x)e-i pxdx(47)由于一维谐振子在坐标表象中基态波函数是高斯函数,傅立叶变换时会出现类高斯型积分
c(p)=12π槡 α槡π槡∫∞-∞e-α2x22e-i pxdx=
2π
槡 α槡π槡∫∞-∞e-α22x2+2ip α2x+ip α2()2
[]eα22ip α2()2dx=1
2π
槡 α槡π槡e-p22 2α2∫∞-∞e-α22x+ip α2()2dx=
2π
槡 α槡π槡e-p22 2α2πα22槡=1 α槡槡πe-p22 2α2
(48)其中α=mω
槡,计算过程中用到了1.4中讨论的类高斯积分结果.
(c)费曼路径积分作为量子力学(矩阵力学与波动力学之外)的另一种理论形式,其核心是如何计
算量子系统的传播子.在费曼路径积分计算自由粒子传播子的过程中,会用到1.5中讨论的类高斯型积分.自由粒子传播子的计算需要计算两个高斯函数乘积的积分(见文献[12]卷二176页),如下∫∞-
eα
(x-x
)2+β(x-x
)2dx=
  ∫∞-∞e(α+β)[x-(αx1+βx2α+β)]2eαβα+β(x1-x2)2dx=
π
-(α+β)
槡eαβα+β(x1-x2)2
(49)其中为α、β纯虚数.
3.3 光学[6,11,13]
在研究光在锋利刃边缘的衍射问题时,会出现

本文发布于:2024-09-22 01:12:13,感谢您对本站的认可!

本文链接:https://www.17tex.com/tex/2/339220.html

版权声明:本站内容均来自互联网,仅供演示用,请勿用于商业和其他非法用途。如果侵犯了您的权益请与我们联系,我们将在24小时内删除。

标签:计算   函数   问题   利用   物理   需要   结果   讨论
留言与评论(共有 0 条评论)
   
验证码:
Copyright ©2019-2024 Comsenz Inc.Powered by © 易纺专利技术学习网 豫ICP备2022007602号 豫公网安备41160202000603 站长QQ:729038198 关于我们 投诉建议