INTEGRALE DELLA GAUSSIANA Prof. Domenico RUGGIERO Calcolo dell'integrale della gaussiana Una funzione gaussiana ha la forma 2 f (x) = ke−αx con k, α > 0. Com'è noto, funzioni di questo tipo non sono elementarmente integrabili nel senso che, pur soddisfacendo il teorema fondamentale del calcolo integrale, non è possibile determinare una primitiva di f . Dunque, in modo esatto non è possibile calcolare Z b f (x)dx a ma ciò è possibile solo con metodi numerici. Calcoliamo, però, l'integrale improprio esteso alla retta reale Z +∞ I= f (x)dx −∞ Consideriamo, per semplicità, k = 1 = α. L'integrale diventa, allora, Z +∞ 2 I= e−x dx −∞ da cui, essendo pari la funzione integranda, Z +∞ 2 I=2 e−x dx 0 Considerando il prodotto di tale integrale per sé stesso, si ha: Z +∞ Z +∞ 2 2 −x2 I =2 e dx2 e−x dx 0 0 da cui, rinominando x come y nel secondo integrale, Z +∞ Z +∞ Z +∞ Z +∞ 2 2 2 −x2 −y 2 I =4 e dx e dy = 4 e−(x +y ) dx dy 0 0 0 0 dove l'ultima uguaglianza segue dalla possibilità di applicare il teorema di riduzione (al contrario) degli integrali doppi per com'è fatta la funzione integranda e dalle proprietà delle potenze. 1 Calcoliamo, dunque, Z Z +∞ I˜ = 4 0 +∞ e−(x 2 +y 2 ) dx dy 0 Passando a coordinate polari (r, ϑ) ½ h πi x = r cos(ϑ) con ϑ ∈ 0, dovendo essere x ≥ 0 ∧ y ≥ 0 y = r sin(ϑ) 2 ed essendo ¯ ¯ |J| = ¯¯ ∂x ∂r ∂x ∂y ¯ ¯ ¯ ¯ cos(ϑ) −r sin(ϑ) ¯=¯ ¯ ¯ sin(ϑ) r cos(ϑ) ∂x ∂ϑ ∂y ∂ϑ ¯ ¯ ¯ = r cos2 (ϑ) + r sin2 (ϑ) = r ¯ lo jacobiano della trasformazione che generalizza, per integrali multipli, la differenziazione che si fa per integrali di funzioni di una variabile nell'applicare il metodo di sotituzione, si ha: Z +∞ I˜ = 4 π 2 Z re −r2 0 0 Z l 2re lim l→+∞ Z l→+∞ π 2 ) · (2 dr 2dϑ = 0 2 π l→+∞ π 2 − 0) = π lim (−e−l +1 ) = π · 1 = π l→+∞ 2 Ne segue p I= ovvero π 2 2dϑ = lim [−e−r ]l0 · [2ϑ]02 = 0 2 +1 2re −r2 0 dr 0 = lim (−e−l dr dϑ = Z −r2 Z +∞ Z +∞ I˜ = √ 2 e−x dx = π √ π −∞ Osservazioni Procedendo in modo del tutto analogo a quanto fatto in precedenza, si dimostra che Z r +∞ ke −αx2 dx = k −∞ In particolare, Z +∞ x2 e− 2 dx = √ 2π −∞ cosicché la funzione z2 1 f (z) = √ e− 2 2π 2 π α è tale che Z +∞ f (z)dz = 1 −∞ ed è utilizzata nella distribuzione di probabilità gaussiana per descrivere, appunto, la funzione di probabilità nel caso di media nulla e varianza unitaria (distribuzione standard). Nel caso generale di media µ e varianza σ 2 , si usa la funzione 1 x−µ 2 1 f (x) = √ e− 2 ( σ ) σ 2π ed anche in questo caso Z +∞ f (x)dx = 1 −∞ 3