stringtranslate.com

Гауссовский интеграл

График функции и площадь между ним и осью (т.е. всей действительной прямой), которая равна .

Гауссовский интеграл , также известный как интеграл Эйлера–Пуассона , — это интеграл гауссовой функции по всей действительной прямой. Названный в честь немецкого математика Карла Фридриха Гаусса , интеграл равен

Авраам де Муавр первоначально открыл этот тип интеграла в 1733 году, в то время как Гаусс опубликовал точный интеграл в 1809 году, [1] приписав его открытие Лапласу. Интеграл имеет широкий спектр приложений. Например, при небольшом изменении переменных он используется для вычисления нормирующей константы нормального распределения . Тот же интеграл с конечными пределами тесно связан как с функцией ошибок, так и с кумулятивной функцией распределения нормального распределения . В физике этот тип интеграла часто появляется, например, в квантовой механике , чтобы найти плотность вероятности основного состояния гармонического осциллятора. Этот интеграл также используется в формулировке интеграла по траекториям, чтобы найти пропагатор гармонического осциллятора, и в статистической механике , чтобы найти его функцию распределения .

Хотя для функции ошибки не существует элементарной функции , как может быть доказано алгоритмом Риша , [2] гауссовский интеграл может быть решен аналитически с помощью методов многомерного исчисления . То есть, не существует элементарного неопределенного интеграла для , но можно вычислить определенный интеграл . Определенный интеграл произвольной гауссовой функции равен

Вычисление

По полярным координатам

Стандартный способ вычисления гауссовского интеграла, идея которого восходит к Пуассону [3], заключается в использовании следующего свойства:

Рассмотрим функцию на плоскости и вычислим ее интеграл двумя способами:

  1. с одной стороны, при двойном интегрировании в декартовой системе координат ее интеграл представляет собой квадрат:
  2. с другой стороны, путем интегрирования по оболочке (случай двойного интегрирования в полярных координатах ) ее интеграл вычисляется как

Сравнение этих двух вычислений дает интеграл, хотя следует учитывать наличие несобственных интегралов .

где множитель r — это определитель Якоби , который появляется из-за преобразования в полярные координаты ( r dr — стандартная мера на плоскости, выраженная в полярных координатах Wikibooks:Calculus/Polar Integration#Generalization), а подстановка подразумевает взятие s = − r 2 , поэтому ds = −2 r dr .

Объединение этих выходов таким образом

Полное доказательство

Для обоснования несобственных двойных интегралов и приравнивания двух выражений начнем с аппроксимирующей функции:

Если бы интеграл был абсолютно сходящимся, то мы имели бы его главное значение Коши , то есть предел совпадал бы с Чтобы убедиться в этом, рассмотрим, что

Итак, мы можем вычислить, просто взяв предел

Возводя урожайность в квадрат

Используя теорему Фубини , приведенный выше двойной интеграл можно рассматривать как интеграл площади, взятый по квадрату с вершинами {(− a , a ), ( a , a ), ( a ,a ), (− a , − a )} на плоскости xy .

Так как показательная функция больше 0 для всех действительных чисел, то отсюда следует, что интеграл, взятый по вписанной окружности квадрата, должен быть меньше , и аналогично интеграл, взятый по описанной окружности квадрата, должен быть больше . Интегралы по двум кругам можно легко вычислить, перейдя от декартовых координат к полярным координатам :

(См . полярные координаты из декартовых координат для получения помощи в полярном преобразовании.)

Интеграция,

По теореме о сжатии это дает гауссовский интеграл

По декартовым координатам

Другая техника, восходящая к Лапласу (1812), [3] заключается в следующем. Пусть

Поскольку пределы s при y → ±∞ зависят от знака x , то для упрощения вычислений можно воспользоваться тем фактом, что e x 2 является четной функцией , и, следовательно, интеграл по всем действительным числам равен всего лишь удвоенному интегралу от нуля до бесконечности. То есть,

Таким образом, в области интегрирования x ≥ 0 , а переменные y и s имеют одинаковые пределы. Это дает: Затем, используя теорему Фубини для переключения порядка интегрирования :

Поэтому, как и ожидалось.

КМетод Лапласа

В приближении Лапласа мы имеем дело только с членами до второго порядка в разложении Тейлора, поэтому мы рассматриваем .

Фактически, поскольку для всех , мы имеем точные границы: Тогда мы можем провести границу в пределе приближения Лапласа:

То есть,

С помощью тригонометрической подстановки мы точно вычисляем эти две границы: и

Извлекая квадратный корень из формулы Уоллиса , мы получаем , желаемый нижний предел. Аналогично мы можем получить желаемый верхний предел. И наоборот, если мы сначала вычислим интеграл одним из других методов, указанных выше, мы получим доказательство формулы Уоллиса.

Связь с гамма-функцией

Интегральная функция является четной функцией ,

Таким образом, после замены переменной это превращается в интеграл Эйлера

где — гамма-функция . Это показывает, почему факториал полуцелого числа является рациональным кратным . В более общем случае, это можно получить, подставив в подынтегральное выражение гамма-функции, чтобы получить .

Обобщения

Интеграл гауссовой функции

Интеграл произвольной гауссовой функции равен

Альтернативная форма —

Эта форма полезна для расчета ожиданий некоторых непрерывных распределений вероятностей, связанных с нормальным распределением , например, логнормальным распределением .

Сложная форма

и, в более общем смысле, для любой положительно определенной симметричной матрицы .

н-мерное и функциональное обобщение

Предположим, что A — симметричная положительно определенная (следовательно, обратимая) матрица точности n × n , которая является матрицей, обратной ковариационной матрице . Тогда,

Заполнив квадрат, это обобщается до

Этот факт применяется при изучении многомерного нормального распределения .

Кроме того, где σперестановка { 1, …, 2 N } , а дополнительный множитель в правой части — сумма по всем комбинаторным парам {1 , …, 2 N } N копий A −1 .

В качестве альтернативы, [4]

для некоторой аналитической функции f , при условии, что она удовлетворяет некоторым соответствующим ограничениям на свой рост и некоторым другим техническим критериям. (Это работает для некоторых функций и не работает для других. Полиномы подходят.) Экспонента над дифференциальным оператором понимается как степенной ряд .

Хотя функциональные интегралы не имеют строгого определения (или даже нестрогого вычислительного в большинстве случаев), мы можем определить гауссовский функциональный интеграл по аналогии с конечномерным случаем. [ требуется ссылка ] Однако все еще существует проблема, которая бесконечна, а также функциональный определитель также будет бесконечным в общем случае. Это можно решить, если рассматривать только отношения:

В обозначениях ДеВитта уравнение выглядит идентично конечномерному случаю.

н-мерный с линейным членом

Если A снова является симметричной положительно определенной матрицей, то (предполагая, что все являются векторами-столбцами)

Интегралы подобного вида

где положительное целое число

Самый простой способ их вывести — дифференцировать под знаком интеграла .

Можно также выполнить интегрирование по частям и найти рекуррентное соотношение для решения этой задачи.

Полиномы высшего порядка

Применение линейной замены базиса показывает, что интеграл экспоненты однородного полинома от n переменных может зависеть только от SL( n ) -инвариантов полинома. Одним из таких инвариантов является дискриминант , нули которого отмечают сингулярности интеграла. Однако интеграл может зависеть и от других инвариантов. [5]

Экспоненты других четных многочленов могут быть численно решены с помощью рядов. Они могут быть интерпретированы как формальные вычисления, когда нет сходимости. Например, решение интеграла экспоненты многочлена четвертой степени равно [ необходима цитата ]

Требование n + p = 0 mod 2 обусловлено тем, что интеграл от −∞ до 0 вносит множитель (−1) n + p /2 в каждый член, тогда как интеграл от 0 до +∞ вносит множитель 1/2 в каждый член. Эти интегралы появляются в таких предметах, как квантовая теория поля .

Смотрите также

Ссылки

Цитаты

  1. ^ Stahl, Saul (апрель 2006 г.). «Эволюция нормального распределения» (PDF) . MAA.org . Получено 25 мая 2018 г. .
  2. ^ Cherry, GW (1985). «Интеграция в конечных членах со специальными функциями: функция ошибки». Журнал символических вычислений . 1 (3): 283–302. doi : 10.1016/S0747-7171(85)80037-7 .
  3. ^ ab Ли, Питер М. «Интеграл вероятности» (PDF) .
  4. ^ "Справочник по многомерному гауссовскому интегралу". Stack Exchange . 30 марта 2012 г.
  5. ^ Морозов, А.; Шакиров, Ш. (2009). "Введение в интегральные дискриминанты". Журнал физики высоких энергий . 2009 (12): 002. arXiv : 0903.2595 . Bibcode :2009JHEP...12..002M. doi :10.1088/1126-6708/2009/12/002.

Источники