本文写于2025-02-25,被我扔上来当实验品了。 不过现在看来没什么意思,当时自己耐心真好品味真差(现在也是QAQ)…
从钟形曲线说起
通常形如下式的积分被称为(第一个/不正式的)高斯积分。它表征着正态分布钟形曲线的面积。
I=∫−∞+∞e−x2dx=π
形如下式时也被称作欧拉-泊松积分
(对于称呼并无严格标准,笔者在本文中使用的一套称呼仅供参考)
I=∫0+∞e−x2dx=2π
证明
- 双重积分[[未完成]]
“一般的高斯积分”
现在我们给出一般来说的高斯积分,这是稍微拓展之后的形式(严格来说可以是不定积分)
G(n)=∫−∞+∞xne−x2dx
使用分部积分法可以处理。我们先来考虑 G(1)
G(1)=∫−∞+∞xe−x2dx=−21∫−∞+∞de−x2=−21e−x2∣∣∣−∞+∞=0
并已知
G(0)=π
对于 n>1,我们都有这样的递推式
G(n)=∫−∞+∞xn−1⋅xe−x2dx=xn−1G(0)+2n−1∫−∞+∞xn−2e−x2dx=2n−1G(n−2)
那么我们可以得知任意的 G(n),显然任意奇数 n(奇函数)的定积分 G(n)=0。
为了给出更加具有意义的公式,我们仅写出 G′(n)=∫0+∞xne−x2dx。
G′(0)G′(1)G′(n)=2π=21=⎩⎨⎧22n+1(n−1)!!2π⋅22n+1(n−1)!!, n is odd, n is even
更加一般的情况
只需要局部细节的调整,用 λx 替代 x,并在结果前面加上系数 λn/21,
我们可以得到实际应用中更加广泛的形式
In(λ)=∫0+∞xne−λx2dx
In+2(λ)I0(λ)I1(λ)In(λ)=2λn+1In(λ)=21λπ=2λ1=⎩⎨⎧(2λ)2n+1(n−1)!!2π⋅(2λ)2n+1(n−1)!!, n is odd, n is even
附录:应用(为了证明它真的不是废物)
参考 高斯积分 - IcyChlorine’s Blog
- 麦克斯韦气体速率分布律
pM.B(v)=c⋅v2exp(−2kBTmv2)
为了计算出前面的归一化系数 c,就需要对后面的部分进行积分,相当于计算 n=2 时的高斯积分。
在温度 T 下,达到热平衡的理想气体中气体分子的「速率」会满足一定的「统计规律」。
麦克斯韦气体速率分布是指:气体分子的速率为 v 的概率即为上述的 p(v)。
- 高斯分布
pGaussian(x)=2πσ1e−2σ2(x−μ)2
为了计算出前面的归一化系数 2πσ1,也需要对后面的部分进行积分,然后调整前面的系数使得概率密度函数在全空间的积分为 1。
这相当于计算 n=0 时的高斯积分:
1=∫−∞+∞p(x)dx=Δ×∫−∞+∞e−2σ2(x−μ)2dx=Δ×2πσ
⇒Δ=2πσ1
外延: 不同的一般化
欸细心的小伙伴可能发现了,这个公式的形式和大名鼎鼎的 WALLIS 公式很像啊![[WALLIS 公式及其应用]]
是的,结合欧拉公式,我们把 x 拓展到复数域便可以直接推出点火公式。
不仅如此,我们还可以给出一个相当一般化形式的公式。
广义高斯积分
我们拓展到复数域,可以证明[[未完成]]
∫−∞+∞exp(−ax2+bx)dx=aπexp(4ab2),a,b∈C
我们的证明可以分为 3 步:
- a,b 都是实数时上式成立
- b 是复数时 …