Gauss integrali - Gaussian integral

Ning grafigi va funktsiya va ning orasidagi maydon ga teng bo'lgan eksa .

The Gauss integrali, deb ham tanilgan Eyler-Puasson integrali, ning ajralmas qismi Gauss funktsiyasi butun haqiqiy chiziq bo'ylab. Nemis matematikasi nomi bilan atalgan Karl Fridrix Gauss, integral

Avraam de Moivre dastlab bu turdagi integralni 1733 yilda kashf etgan, Gauss esa 1809 yilda aniq integralni nashr etgan.[1] Integral dasturning keng doirasiga ega. Masalan, o'zgaruvchilarning ozgina o'zgarishi bilan uni hisoblash uchun foydalaniladi doimiylikni normalizatsiya qilish ning normal taqsimot. Sonli chegaralar bilan bir xil integral ikkala bilan chambarchas bog'liq xato funktsiyasi va kümülatif taqsimlash funktsiyasi ning normal taqsimot. Fizikada bu turdagi integral tez-tez uchraydi, masalan kvant mexanikasi, harmonik osilatorning asosiy holatining ehtimollik zichligini topish. Ushbu integral shuningdek, integral integral formulada, harmonik osilatorning tarqaluvchisini topish uchun va statistik mexanika, uni topish bo'lim funktsiyasi.

Garchi yo'q bo'lsa ham elementar funktsiya tomonidan isbotlanishi mumkin bo'lgan xato funktsiyasi uchun mavjud Risch algoritmi,[2] usullari orqali analitik ravishda Gauss integralini echish mumkin ko'p o'zgaruvchan hisoblash. Ya'ni, boshlang'ich narsa yo'q noaniq integral uchun

lekin aniq integral

baholanishi mumkin. Ixtiyoriyning aniq integrali Gauss funktsiyasi bu

Hisoblash

Polar koordinatalar bo'yicha

Gauss integralini hisoblashning standart usuli, uning g'oyasi Puassonga borib taqaladi,[3] quyidagilardan iborat bo'lgan mulkdan foydalanish:

Funktsiyani ko'rib chiqing samolyotda va uning ajralmas ikkita usulini hisoblang:

  1. bir tomondan, tomonidan ikki tomonlama integratsiya ichida Dekart koordinatalar tizimi, uning integrali kvadrat:
  2. boshqa tomondan, tomonidan qobiq integratsiyasi (er-xotin integratsiya holati qutb koordinatalari ), uning integrali hisoblangan

Ushbu ikkita hisob-kitoblarni taqqoslash ajralmas narsaga olib keladi, ammo bunga e'tibor berish kerak noto'g'ri integrallar jalb qilingan.

qaerda omil r bo'ladi Yakobian determinanti tufayli paydo bo'lgan qutb koordinatalariga aylantirish (r dr  qutb koordinatalarida ifodalangan tekislikdagi standart o'lchovdir Wikibooks: Calculus / Polar Integration # Umumlashtirish ), almashtirish esa olishni o'z ichiga oladi s = −r2, shuning uchun ds = −2r dr.

Ushbu hosillarni birlashtirish

shunday

.

To'liq dalil

Noto'g'ri er-xotin integralni asoslash va ikkita ifodani tenglashtirish uchun biz taxminiy funktsiyadan boshlaymiz:

Agar integral bo'lsa

edi mutlaqo yaqinlashuvchi bizda shunday bo'ladi Koshining asosiy qiymati, ya'ni chegara

bilan mos keladi

Buni ko'rish uchun, o'ylab ko'ring

shuning uchun biz hisoblashimiz mumkin

faqat chegarani olish bilan

.

Kvadratini olish hosil

Foydalanish Fubini teoremasi, yuqoridagi er-xotin integralni maydon integrali sifatida ko'rish mumkin

tepaliklari bo'lgan kvadrat ustiga olingan {(-aa), (aa), (a, −a), (−a, −a)} ustida xy-samolyot.

Ko'rsatkichli funktsiya barcha haqiqiy sonlar uchun 0 dan katta bo'lganligi sababli, kvadratning kvadratiga olingan integral chiqadi aylana dan kam bo'lishi kerak , va shunga o'xshash kvadrat bo'yicha olingan integral aylana dan kattaroq bo'lishi kerak . Ikkala disk ustidagi integrallarni kartezian koordinatalaridan -ga o'tish orqali osongina hisoblash mumkin qutb koordinatalari:

(Qarang dekart koordinatalaridan qutb koordinatalariga qutbli transformatsiya uchun yordam uchun.)

Integratsiyalashgan,

Tomonidan teoremani siqish, bu Gauss integralini beradi

Dekart koordinatalari bo'yicha

Laplasga qaytadigan boshqa uslub (1812),[3] quyidagilar. Ruxsat bering

Chegaradan beri s kabi y → ± ∞ belgisiga bog'liq x, bu haqiqatni ishlatish uchun hisoblashni soddalashtiradi ex2 bu hatto funktsiya, va shuning uchun barcha haqiqiy sonlar bo'yicha integral integral noldan cheksizgacha atigi ikki baravar ko'pdir. Anavi,

Shunday qilib, integratsiya oralig'ida, x ≥ 0 va o'zgaruvchilar y va s bir xil chegaralarga ega. Bu hosil:

Shuning uchun, , kutilganidek.

Gamma funktsiyasi bilan bog'liqlik

Integran an hatto funktsiya,

Shunday qilib, o'zgaruvchan o'zgargandan so'ng , bu Eyler integraliga aylanadi

qayerda bo'ladi gamma funktsiyasi. Bu nima uchun ekanligini ko'rsatadi faktorial yarim butun sonning ratsional ko'paytmasi . Umuman olganda,

almashtirish bilan olish mumkin bo'lgan olish uchun gamma funktsiyasining integralida .

Umumlashtirish

Gauss funktsiyasining ajralmas qismi

O'zboshimchalik bilan integral Gauss funktsiyasi bu

Muqobil shakl

Ushbu forma normal taqsimot bilan bog'liq ba'zi bir doimiy ehtimollik taqsimotlarining taxminlarini hisoblash uchun foydalidir, masalan normal taqsimot, masalan.

n-o'lchovli va funktsional umumlashtirish

Aytaylik A nosimmetrik musbat aniq (shuning uchun teskari) n × n aniqlik matritsasi, ning teskari matritsasi bo'lgan kovaryans matritsasi. Keyin,

bu erda integral tugagan deb tushuniladi Rn. Ushbu haqiqat .ni o'rganishda qo'llaniladi ko'p o'zgaruvchan normal taqsimot.

Shuningdek,

bu erda $ a $ almashtirish {1, ..., 2N} va o'ng tarafdagi qo'shimcha omil - bu {1, ..., 2 ning barcha kombinatorial juftliklari yig'indisi.N} ning N nusxalari A−1.

Shu bilan bir qatorda,[4]

kimdir uchun analitik funktsiya f, uning o'sishi uchun ba'zi bir tegishli chegaralarni va boshqa ba'zi texnik mezonlarni qondirish sharti bilan. (Bu ba'zi funktsiyalar uchun ishlaydi, boshqalari uchun ishlamaydi. Polinomlar yaxshi.) Diferensial operatorga nisbatan eksponent quvvat seriyasi.

Esa funktsional integrallar qat'iy ta'rifga ega emas (yoki aksariyat hollarda noaniq bo'lmagan hisoblash), biz buni qila olamiz aniqlang cheklangan o'lchovli holatga o'xshash Gauss funktsional integrali.[iqtibos kerak ] Muammo hali ham mavjud, ammo shunga qaramay cheksiz va shuningdek, funktsional determinant umuman olganda cheksiz bo'lar edi. Agar faqat nisbatlarni hisobga olsak, bunga e'tibor qaratishimiz mumkin:

In DeWitt yozuvlari, tenglama chekli o'lchovli holatga o'xshaydi.

n- chiziqli muddat bilan o'lchovli

Agar A yana nosimmetrik musbat aniq matritsa bo'lsa, unda (barchasi ustun vektorlari deb faraz qilinadi)

Shunga o'xshash shakldagi integrallar

qayerda musbat butun son va belgisini bildiradi ikki faktorial.

Bularni olishning oson yo'li bu integral belgisi ostida farqlash.

Shuningdek, qismlarga ko'ra birlashtirilib, takrorlanish munosabati buni hal qilish.

Yuqori tartibli polinomlar

Bazisning chiziqli o'zgarishini qo'llash shuni ko'rsatadiki, ichida bir hil polinom eksponentining integrali n o'zgaruvchilar faqat bog'liq bo'lishi mumkin SL (n) - polinomning o'zgaruvchan variantlari. Shunday o'zgarmaslardan biri diskriminant, nollari integralning o'ziga xosligini belgilaydi. Shu bilan birga, integral boshqa invariantlarga ham bog'liq bo'lishi mumkin.[5]

Boshqa juft polinomlarning eksponentlari sonli ravishda ketma-ketlik yordamida echilishi mumkin. Ular quyidagicha talqin qilinishi mumkin rasmiy hisob-kitoblar yaqinlashish bo'lmaganida. Masalan, kvartal polinomning eksponensial integralining echimi[iqtibos kerak ]

The n + p = 0 mod 2 talabi shundaki, $ phi $ dan $ 0gacha integral (-1) $ omiliga yordam beradi.n+p/ 2 har bir davrga, 0 dan + ∞ gacha bo'lgan integral har bir davrga 1/2 koeffitsientni beradi. Ushbu integrallar kabi mavzularda aylanadi kvant maydon nazariyasi.

Shuningdek qarang

Adabiyotlar

Iqtiboslar

  1. ^ Stal, Shoul (2006 yil aprel). "Oddiy taqsimot evolyutsiyasi" (PDF). MAA.org. Olingan 25 may, 2018.
  2. ^ Cherry, G. W. (1985). "Maxsus funktsiyalar bilan cheklangan atamalarga integratsiya: Xato funktsiyasi". Ramziy hisoblash jurnali. 1 (3): 283–302. doi:10.1016 / S0747-7171 (85) 80037-7.
  3. ^ a b "Ehtimollarning ajralmas qismi" (PDF).
  4. ^ "Ko'p o'lchovli Gauss integrali uchun ma'lumotnoma". Stack Exchange. 2012 yil 30 mart.
  5. ^ Morozov, A .; Shakirove, Sh. (2009). "Integral diskriminantlarga kirish". Yuqori energiya fizikasi jurnali. 12: 002. arXiv:0903.2595. doi:10.1088/1126-6708/2009/12/002.

Manbalar