Га́уссов интегра́л (также интегра́л Э́йлера — Пуассо́на или интегра́л Пуассо́на) — интеграл от гауссовой функции:

Доказательства ДоказательствоРассмотрим функцию . Она ограничена сверху единицей на интервале , а снизу нулем на интервале . В частности, полагая , получим при :

Ограничим в первом неравенстве изменение промежутком , а во втором — промежутком , возведём оба неравенства в степень , так как неравенства с положительными членами можно возводить в любую положительную степень. Получим: и

Интегрируя неравенства в указанных пределах и сведя их в одно, получим

При замене получим

Полагая получим, соответственно,

Замена пределов интегрирования получается из-за того, что при изменении переменной от 0 до величина меняется в пределах от 0 до 1.

И заменяя , получим

Здесь с пределами интегрирования аналогично: изменяется от бесконечности до нуля при изменении переменной от 0 до .

Два последних интеграла могут быть найдены следующим образом: дважды интегрируя их по частям, мы получим рекуррентные соотношения, разрешая которые придем к результатам в правой части.

Таким образом искомое К может быть заключено в интервале

Для нахождения К возведём всё неравенство в квадрат и преобразуем. В результате всё сильно упрощается до

Из формулы Валлиса следует, что и левое, и правое выражение стремятся к при

Следовательно,

В силу чётности функции , получаем, что

Доказательство 2Гауссов интеграл может быть представлен как . Рассмотрим квадрат этого интеграла . Вводя двумерные декартовы координаты, переходя от них к полярным координатам , , и интегрируя по (от 0 до ), получаем:

Следовательно, . Доказательство 3Гауссов интеграл может быть представлен как . Рассмотрим куб этого интеграла . Вводя трёхмерные декартовы координаты, переходя от них к сферическим координатам:

, якобиан преобразования равен ,

и интегрируя по (от до ), по (от до ), по (от до ), получаем:

Следовательно, .

Вариации

Гауссовы интегралы от масштабированной гауссовой функции

и многомерные гауссовы интегралы

элементарно сводятся к обычному одномерному, описанному первым (здесь и ниже везде подразумевается интегрирование по всему пространству).

То же относится к многомерным интегралам вида

где x — вектор, а M — симметричная матрица с отрицательными собственными числами, так как такие интегралы сводятся к предыдущему, если сделать преобразование координат, диагонализующее матрицу М.

Практическое применение (например, для вычисления Фурье-преобразования от гауссовой функции) часто находит следующее соотношение

В физике Вычисление этого интеграла и его различных вариаций служит основным содержанием многих тем современной теоретической физики.

История Впервые одномерный гауссов интеграл вычислен в 1729 году Эйлером, затем Пуассон нашел простой приём его вычисления. В связи с этим он получил название интеграла Эйлера — Пуассона.

См. также Функция ошибок

Примечания

Ссылки

Категория:Интегралы Категория:Объекты, названные в честь Карла Фридриха Гаусса Категория:Объекты, названные в честь Леонарда Эйлера