Skip to content
Gaussiska integralen

Gaussiska integralen

Integralen

ex2dx \int_{-\infty}^\infty e^{-x^2}\,dx

är mycket viktig och dyker upp gång på gång i diverse skepnader, till exempel inom sannolikhetsteori, Fourieranalys eller som värdet av Gamma-funktionen, Γ(12)\Gamma(\frac12).

Det enklaste sättet att beräkna integralen är via att göra om den till en dubbelintegral och införa polära koordinater. Du har antagligen sett detta trick på kursen i flerdimensionell analys. Andra metoder att beräkna integralen bygger på derivation under integraltecknet, Laplacetransformer och identiteter för Γ\Gamma-funktionen, men det går faktiskt också att göra via residykalkyl.

Det ansågs länge omöjligt att göra med residykalkyl, eftersom funktionen f(z)=ez2f(z) = e^{-z^2} inte har några poler, men på 1940- och 1950-talet upptäcktes flera olika trick som gör det möjligt. Jag väljer att presentera det enklaste av dessa som lär ha upptäckts av den estniske matematikern Hellmuth Kneser på 1950-talet.

Knepet är följande: Låt

g(z)=ez21+e2az, g(z) = \frac{e^{-z^2}}{1+e^{-2az}},

där aa är valt så att a2=iπa^2 = i\pi, närmare bestämt

a=(1+i)π2=πeiπ/4. a = (1+i)\sqrt{\frac{\pi}{2}} = \sqrt{\pi}e^{i\pi/4}.

Finessen nu är att

g(z)g(z+a)=ez21+e2aze(z+a)21+e2a(z+a)=ez21+e2aze(z2+2az+a2)1+e2az2a2=ez21+e2aze(z2+2az+iπ)1+e2az2iπ=ez21+e2az+e(z2+2az)1+e2az=ez21+e2az(1+e2az)=ez2. \begin{align} g(z)-g(z+a) &= \frac{e^{-z^2}}{1+e^{-2az}} - \frac{e^{-(z+a)^2}}{1+e^{-2a(z+a)}} \\[4pt] &= \frac{e^{-z^2}}{1+e^{-2az}} - \frac{e^{-(z^2+2az+a^2)}}{1+e^{-2az-2a^2}} \\[4pt] &= \frac{e^{-z^2}}{1+e^{-2az}} - \frac{e^{-(z^2+2az+i\pi)}}{1+e^{-2az-2i\pi}} \\[4pt] &= \frac{e^{-z^2}}{1+e^{-2az}} + \frac{e^{-(z^2+2az)}}{1+e^{-2az}} \\ &= \frac{e^{-z^2}}{1+e^{-2az}} \left( 1 + e^{-2az} \right) = e^{-z^2}. \end{align}

Dessutom är gg holomorf, utom i punkter där e2az=1e^{-2az} = -1, dvs. i punkter där

2az=iπ(2n+1)=a2(2n+1)z=a2(2n+1) -2az = i\pi(2n+1) = a^2(2n+1) \quad\Leftrightarrow\quad z = -\frac{a}2(2n+1)

för nZn \in \mathbb{Z}.

Man kontrollerar att dessa punkter är enkla poler för gg (till exempel genom att visa att derivatan av nämnaren är nollskild i dessa punkter).

Integrera gg över ett parallellogram γ\gamma med hörn i r-r, ss, s+as+a och r+a-r+a där r,s>0r,s > 0 är reella tal. Funktionen gg är holomorf på och inuti γ\gamma förutom i punkten z=a/2z=a/2.

Residysatsen visar att

γg(z)dz=2πiResz=a/2g(z). \int_\gamma g(z)\,dz = 2\pi i \Res_{z=a/2} g(z).

Å andra sidan är

γg(z)dz=γ1g(z)dz+γ2g(z)dz+γ3g(z)dz+γ4g(z)dz=rsg(x)dx+γ2g(z)dzrsg(x+a)dx+γ4g(z)dz=rsex2dx+γ2g(z)dzγ4g(z)dz. \begin{align} \int_\gamma g(z)\,dz &= \int_{\gamma_1} g(z)\,dz + \int_{\gamma_2} g(z)\,dz + \int_{\gamma_3} g(z)\,dz + \int_{\gamma_4} g(z)\,dz \\[4pt] &= \int_{-r}^s g(x)\,dx + \int_{\gamma_2} g(z)\,dz - \int_{-r}^s g(x+a)\,dx + \int_{\gamma_4} g(z)\,dz \\[4pt] &= \int_{-r}^s e^{-x^2}\,dx + \int_{\gamma_2} g(z)\,dz - \int_{\gamma_4} g(z)\,dz. \end{align}

Om vi låter r,sr, s \to \infty, så kommer

rsex2dxex2dx. \int_{-r}^s e^{-x^2}\,dx \to \int_{-\infty}^\infty e^{-x^2}\,dx.

γ2\gamma_2 (med z=x+iyz=x+iy) gäller att

ez21+e2az=ez21+e2az=ey2x21+e2aze(Ima)2s21e2aze(Ima)2s21e2as \begin{align} \left| \frac{e^{-z^2}}{1+e^{-2az}} \right| &= \frac{|e^{-z^2}|}{|1+e^{-2az}|} \\ &= \frac{e^{y^2-x^2}}{|1+e^{-2az}|} \\ &\le \frac{e^{(\operatorname{Im}a)^2-s^2}}{1-|e^{-2az}|} \\ &\le \frac{e^{(\operatorname{Im}a)^2-s^2}}{1-e^{-2as}} \end{align}

och ML-olikheten visar att

γ2g(z)dzae(Ima)2s21e2as0 \left| \int_{\gamma_2} g(z)\,dz \right| \le |a| \cdot \frac{e^{(\operatorname{Im}a)^2-s^2}}{1-e^{-2as}} \to 0

ss\to\infty. En motsvarande beräkning visar att

γ4g(z)dz0 \left| \int_{\gamma_4} g(z)\,dz \right| \to 0

rr\to\infty.

Genom att sätta ihop ovanstående beräkningar följer att

ex2dx=2πiResz=a/2g(z). \int_{-\infty}^\infty e^{-x^2}\,dx = 2\pi i \Res_{z=a/2} g(z).

Residyn fås enklast med hjälp av residyregel 4:

Resz=a/2ez21+e2az=ez22ae2azz=a/2=ea2/42aea2=eiπ/42aeiπ=eiπ/42πeiπ/4=i2π. \begin{align} \Res_{z=-a/2} \frac{e^{-z^2}}{1+e^{-2az}} &= \left. \frac{e^{-z^2}}{-2ae^{-2az}} \right|_{z=-a/2} \\ &= \frac{e^{-a^2/4}}{-2ae^{a^2}} \\ &= \frac{e^{-i\pi/4}}{-2ae^{i\pi}} \\ &= \frac{e^{-i\pi/4}}{2\sqrt{\pi}e^{i\pi/4}} = \frac{-i}{2\sqrt{\pi}}. \end{align}

Med andra ord blir

ex2dx=2πii2π=π. \int_{-\infty}^\infty e^{-x^2}\,dx = 2\pi i \cdot \frac{-i}{2\sqrt{\pi}} = \sqrt{\pi}.

Pdf-fil för utskrift