0
EN
1
المرجع الالكتروني للمعلوماتية

تاريخ الرياضيات

الاعداد و نظريتها

تاريخ التحليل

تار يخ الجبر

الهندسة و التبلوجي

الرياضيات في الحضارات المختلفة

العربية

اليونانية

البابلية

الصينية

المايا

المصرية

الهندية

الرياضيات المتقطعة

المنطق

اسس الرياضيات

فلسفة الرياضيات

مواضيع عامة في المنطق

الجبر

الجبر الخطي

الجبر المجرد

الجبر البولياني

مواضيع عامة في الجبر

الضبابية

نظرية المجموعات

نظرية الزمر

نظرية الحلقات والحقول

نظرية الاعداد

نظرية الفئات

حساب المتجهات

المتتاليات-المتسلسلات

المصفوفات و نظريتها

المثلثات

الهندسة

الهندسة المستوية

الهندسة غير المستوية

مواضيع عامة في الهندسة

التفاضل و التكامل

المعادلات التفاضلية و التكاملية

معادلات تفاضلية

معادلات تكاملية

مواضيع عامة في المعادلات

التحليل

التحليل العددي

التحليل العقدي

التحليل الدالي

مواضيع عامة في التحليل

التحليل الحقيقي

التبلوجيا

نظرية الالعاب

الاحتمالات و الاحصاء

نظرية التحكم

بحوث العمليات

نظرية الكم

الشفرات

الرياضيات التطبيقية

نظريات ومبرهنات

علماء الرياضيات

500AD

500-1499

1000to1499

1500to1599

1600to1649

1650to1699

1700to1749

1750to1779

1780to1799

1800to1819

1820to1829

1830to1839

1840to1849

1850to1859

1860to1864

1865to1869

1870to1874

1875to1879

1880to1884

1885to1889

1890to1894

1895to1899

1900to1904

1905to1909

1910to1914

1915to1919

1920to1924

1925to1929

1930to1939

1940to the present

علماء الرياضيات

الرياضيات في العلوم الاخرى

بحوث و اطاريح جامعية

هل تعلم

طرائق التدريس

الرياضيات العامة

نظرية البيان

قم بتسجيل الدخول اولاً لكي يتسنى لك الاعجاب والتعليق.

Gaussian Integral

المؤلف:  Guitton, E.

المصدر:  "Démonstration de la formule." Nouv. Ann. Math. 65

الجزء والصفحة:  ...

28-4-2019

4250

+

-

20

Gaussian Integral

 

The Gaussian integral, also called the probability integral and closely related to the erf function, is the integral of the one-dimensional Gaussian function over (-infty,infty). It can be computed using the trick of combining two one-dimensional Gaussians

int_(-infty)^inftye^(-x^2)dx = sqrt((int_(-infty)^inftye^(-x^2)dx)(int_(-infty)^inftye^(-x^2)dx))

(1)

= sqrt((int_(-infty)^inftye^(-y^2)dy)(int_(-infty)^inftye^(-x^2)dx))

(2)

= sqrt(int_(-infty)^inftyint_(-infty)^inftye^(-(x^2+y^2))dydx).

(3)

Here, use has been made of the fact that the variable in the integral is a dummy variable that is integrates out in the end and hence can be renamed from x to y. Switching to polar coordinates then gives

int_(-infty)^inftye^(-x^2)dx = sqrt(int_0^(2pi)int_0^inftye^(-r^2)rdrdtheta)

(4)

= sqrt(2pi[-1/2e^(-r^2)]_0^infty)

(5)

= sqrt(pi).

(6)

There also exists a simple proof of this identity that does not require transformation to polar coordinates (Nicholas and Yates 1950).

The integral from 0 to a finite upper limit a can be given by the continued fraction

int_0^ae^(-t^2)dt = 1/2sqrt(pi)erf(a)

(7)

= 1/2sqrt(pi)-(e^(-a^2))/(2a+)1/(a+)2/(2a+)3/(a+)4/(2a+...),

(8)

where erfx is erf (the error function), as first stated by Laplace, proved by Jacobi, and rediscovered by Ramanujan (Watson 1928; Hardy 1999, pp. 8-9).

The general class of integrals of the form

 I_n(a)=int_0^inftye^(-ax^2)x^ndx

(9)

can be solved analytically by setting

x = a^(-1/2)y

(10)

dx = a^(-1/2)dy

(11)

y^2 = ax^2.

(12)

Then

I_n(a) = a^(-1/2)int_0^inftye^(-y^2)(a^(-1/2)y)^ndy

(13)

= a^(-(n+1)/2)int_0^inftye^(-y^2)y^ndy.

(14)

For n=0, this is just the usual Gaussian integral, so

 I_0(a)=(sqrt(pi))/2a^(-1/2)=1/2sqrt(pi/a).

(15)

For n=1, the integrand is integrable by quadrature,

 I_1(a)=a^(-1)int_0^inftye^(-y^2)ydy=a^(-1)[-1/2e^(-y^2)]_0^infty=1/2a^(-1).

(16)

To compute I_n(a) for n>1, use the identity

-partial/(partiala)I_(n-2)(a) = -partial/(partiala)int_0^inftye^(-ax^2)x^(n-2)dx

(17)

= -int_0^infty-x^2e^(-ax^2)x^(n-2)dx

(18)

= int_0^inftye^(-ax^2)x^ndx

(19)

= I_n(a).

(20)

For n=2s even,

I_n(a) = (-partial/(partiala))I_(n-2)(a)

(21)

= (-partial/(partiala))^2I_(n-4)

(22)

= ...=(-partial/(partiala))^(n/2)I_0(a)

(23)

= (partial^(n/2))/(partiala^(n/2))I_0(a)

(24)

= (sqrt(pi))/2(partial^(n/2))/(partiala^(n/2))a^(-1/2),

(25)

so

int_0^inftyx^(2s)e^(-ax^2)dx = ((s-1/2)!)/(2a^(s+1/2))

(26)

= ((2s-1)!!)/(2^(s+1)a^s)sqrt(pi/a),

(27)

where n!! is a double factorial. If n=2s+1 is odd, then

I_n(a) = (-partial/(partiala))I_(n-2)(a)

(28)

= (-partial/(partiala))^2I_(n-4)(a)

(29)

= ...=(-partial/(partiala))^((n-1)/2)I_1(a)

(30)

= (partial^((n-1)/2))/(partiala^((n-1)/2))I_1(a)

(31)

= 1/2(partial^((n-1)/2))/(partiala^((n-1)/2))a^(-1),

(32)

so

 int_0^inftyx^(2s+1)e^(-ax^2)dx=(s!)/(2a^(s+1)).

(33)

The solution is therefore

 int_0^inftye^(-ax^2)x^ndx=<span style={((n-1)!!)/(2^(n/2+1)a^(n/2))sqrt(pi/a) for n even; ([1/2(n-1)]!)/(2a^((n+1)/2)) for n odd. " src="http://mathworld.wolfram.com/images/equations/GaussianIntegral/NumberedEquation5.gif" style="height:98px; width:286px" />

(34)

The first few values are therefore

I_0(a) = 1/2sqrt(pi/a)

(35)

I_1(a) = 1/(2a)

(36)

I_2(a) = 1/(4a)sqrt(pi/a)

(37)

I_3(a) = 1/(2a^2)

(38)

I_4(a) = 3/(8a^2)sqrt(pi/a)

(39)

I_5(a) = 1/(a^3)

(40)

I_6(a) = (15)/(16a^3)sqrt(pi/a).

(41)

A related, often useful integral is

 H_n(a)=1/(sqrt(pi))int_(-infty)^inftye^(-ax^2)x^ndx,

(42)

which is simply given by

 H_n(a)=<span style={(2I_n(a))/(sqrt(pi)) for n even; 0 for n odd. " src="http://mathworld.wolfram.com/images/equations/GaussianIntegral/NumberedEquation7.gif" style="height:64px; width:178px" />

(43)

The more general integral of x^ne^(-ax^2+bx) has the following closed forms,

int_(-infty)^inftyx^ne^(-ax^2+bx)dx = i^(-n)a^(-(n+1)/2)sqrt(pi)e^(b^2/(4a))U(-1/2n;1/2;-b^2/4a)

(44)

= sqrt(pi/a)e^(b^2/(4a))sum_(k=0)^(|_n/2_|)(n!)/(k!(n-2k)!)((2b)^(n-2k))/((4a)^(n-k))

(45)

= sqrt(pi/a)e^(b^2/(4a))sum_(k=0)^(|_n/2_|)(n; 2k)(2k-1)!!(2a)^(k-n)b^(n-2k)

(46)

for integer n>0 (F. Pilolli, pers. comm.). For (45) and (46), a,b in C-<span style={0}" src="http://mathworld.wolfram.com/images/equations/GaussianIntegral/Inline132.gif" style="height:14px; width:78px" /> (the punctured plane), R[a]>0, and (-1)!!=1. Here, U(a;b;x) is a confluent hypergeometric function of the second kind and (n; k) is a binomial coefficient.


REFERENCES:

Guitton, E. "Démonstration de la formule." Nouv. Ann. Math. 65, 237-239, 1906.

Hardy, G. H. Ramanujan: Twelve Lectures on Subjects Suggested by His Life and Work, 3rd ed. New York: Chelsea, 1999.

Nicholas, C. B. and Yates, R. C. "The Probability Integral." Amer. Math. Monthly 57, 412-413, 1950.

Papoulis, A. Probability, Random Variables, and Stochastic Processes, 2nd ed. New York: McGraw-Hill, pp. 147-148, 1984.

Watson, G. N. "Theorems Stated by Ramanujan (IV): Theorems on Approximate Integration and Summation of Series." J. London Math. Soc. 3, 282-289, 1928.

اخر الاخبار

اشترك بقناتنا على التلجرام ليصلك كل ما هو جديد