المرجع الالكتروني للمعلوماتية
المرجع الألكتروني للمعلوماتية

الرياضيات
عدد المواضيع في هذا القسم 9761 موضوعاً
تاريخ الرياضيات
الرياضيات المتقطعة
الجبر
الهندسة
المعادلات التفاضلية و التكاملية
التحليل
علماء الرياضيات

Untitled Document
أبحث عن شيء أخر
غزوة الحديبية والهدنة بين النبي وقريش
2024-11-01
بعد الحديبية افتروا على النبي « صلى الله عليه وآله » أنه سحر
2024-11-01
المستغفرون بالاسحار
2024-11-01
المرابطة في انتظار الفرج
2024-11-01
النضوج الجنسي للماشية sexual maturity
2024-11-01
المخرجون من ديارهم في سبيل الله
2024-11-01

تحليل آية (1-3) من سورة الفاتحة
17-10-2014
معنى كلمة تسع
1-8-2022
والله لو أقسم أهل الأرض بهذه الأسماء لأجابهم
20-7-2017
الشبكة المائية
3-1-2016
إدارة شركة التضامن
7-10-2017
شعر لأبي محمد ابن سفيان
2024-02-24

Gaussian Integral  
  
2690   01:52 صباحاً   date: 28-4-2019
Author : Guitton, E.
Book or Source : "Démonstration de la formule." Nouv. Ann. Math. 65
Page and Part : ...


Read More
Date: 3-6-2019 1490
Date: 28-8-2019 1424
Date: 24-9-2019 1932

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={((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.

(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)={(2I_n(a))/(sqrt(pi))   for n even; 0   for n odd.

(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-{0} (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.




الجبر أحد الفروع الرئيسية في الرياضيات، حيث إن التمكن من الرياضيات يعتمد على الفهم السليم للجبر. ويستخدم المهندسون والعلماء الجبر يومياً، وتعول المشاريع التجارية والصناعية على الجبر لحل الكثير من المعضلات التي تتعرض لها. ونظراً لأهمية الجبر في الحياة العصرية فإنه يدرّس في المدارس والجامعات في جميع أنحاء العالم. ويُعجب الكثير من الدارسين للجبر بقدرته وفائدته الكبيرتين، إذ باستخدام الجبر يمكن للمرء أن يحل كثيرًا من المسائل التي يتعذر حلها باستخدام الحساب فقط.وجاء اسمه من كتاب عالم الرياضيات والفلك والرحالة محمد بن موسى الخورازمي.


يعتبر علم المثلثات Trigonometry علماً عربياً ، فرياضيو العرب فضلوا علم المثلثات عن علم الفلك كأنهما علمين متداخلين ، ونظموه تنظيماً فيه لكثير من الدقة ، وقد كان اليونان يستعملون وتر CORDE ضعف القوسي قياس الزوايا ، فاستعاض رياضيو العرب عن الوتر بالجيب SINUS فأنت هذه الاستعاضة إلى تسهيل كثير من الاعمال الرياضية.

تعتبر المعادلات التفاضلية خير وسيلة لوصف معظم المـسائل الهندسـية والرياضـية والعلمية على حد سواء، إذ يتضح ذلك جليا في وصف عمليات انتقال الحرارة، جريان الموائـع، الحركة الموجية، الدوائر الإلكترونية فضلاً عن استخدامها في مسائل الهياكل الإنشائية والوصف الرياضي للتفاعلات الكيميائية.
ففي في الرياضيات, يطلق اسم المعادلات التفاضلية على المعادلات التي تحوي مشتقات و تفاضلات لبعض الدوال الرياضية و تظهر فيها بشكل متغيرات المعادلة . و يكون الهدف من حل هذه المعادلات هو إيجاد هذه الدوال الرياضية التي تحقق مشتقات هذه المعادلات.