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 .
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 dθ — 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:
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 :
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.
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 .
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,
Кроме того,
где σ — перестановка { 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:
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 .
^ Stahl, Saul (апрель 2006 г.). «Эволюция нормального распределения» (PDF) . MAA.org . Получено 25 мая 2018 г. .
^ 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 .
^ ab Ли, Питер М. «Интеграл вероятности» (PDF) .
^ "Справочник по многомерному гауссовскому интегралу". Stack Exchange . 30 марта 2012 г.
^ 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.