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Valutazione dell'Integrale Gaussiano

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La valutazione dell'integrale gaussiano \( \displaystyle I = \int_{-\infty}^{+\infty} e^{-x^2} dx \) utilizzando gli integrale doppi e le coordinate polari è presentata.

Da Integrali Doppi in Coordinate Rettangolari a Coordinate Polari

Il passaggio da integrali doppi rettangolari a coordinate polari è fatto come segue [1] \[ \iint_R f(x,y) \;dy \;dx = \int_{\theta_1}^{\theta_2} \int_{r_1(\theta)}^{r_2(\theta)} f(r,\theta) r \;dr \;d\theta \qquad (I) \] con le relazioni tra le coordinate rettangolari \( x \) e \(y \); e le coordinate polari \( r \) e \( \theta \) date da [3]
\( x = r \cos \theta \) , \( y = r \sin \theta \) , \( r^2 = x^2 + y^2 \)


Valutare l'Integrale Gaussiano

L'integrale gaussiano è definito come segue \[ I = \int_{-\infty}^{+\infty} e^{-x^2} dx \] e dobbiamo valutare \( I \).
Notiamo prima di tutto che gli integrali \( \displaystyle \int_{-\infty}^{+\infty} e^{-x^2} dx \) e \( \displaystyle \int_{-\infty}^{+\infty} e^{-y^2} dy \) hanno valori uguali. Possiamo quindi scrivere che

\( I^2 = \displaystyle \left(\int_{-\infty}^{+\infty} e^{-x^2} dx \right) \left(\int_{-\infty}^{+\infty} e^{-y^2} dy \right) \)

Il precedente può essere scritto come un integrale doppio come segue
\( I^2 = \displaystyle \int_{-\infty}^{+\infty} \int_{-\infty}^{+\infty} e^{-(x^2+y^2)} \; dx \; dy \)

Siano \( x = r \cos \theta \) , \( y = r \sin \theta \) , \( r^2 = x^2 + y^2 \) le relazioni tra le coordinate rettangolari e polari e utilizziamo il cambio di integrale da rettangolare a coordinate polari (I) dato sopra.
\( I^2 = \displaystyle \int_{-\infty}^{+\infty} \int_{-\infty}^{+\infty} e^{-(x^2+y^2)} \; dx \; dy = \int_{0}^{2\pi} \int_{0}^{\infty} e^{-r^2} r \;dr \;d\theta \)

Nota che \( \displaystyle \int_{0}^{\infty} e^{-r^2} r \;dr = -(1/2) e^{-r^2} \), che dà

\( I^2 = \displaystyle \int_{0}^{2\pi} \left[-(1/2) e^{-r^2}\right]_0^{\infty} \;d\theta \)
che può essere scritto come
\( I^2 = \displaystyle \int_{0}^{2\pi} (-1/2) \left[e^{-\infty}-e^0 \right] \;d\theta \)

Nota che usando i limiti, \( e^{-\infty} = \lim_{a\to\infty} e^{-a} = 0 \), ora valutiamo \( I^2 = \displaystyle \int_{0}^{2\pi} \dfrac{1}{2} \;d\theta \)

Valuta l'integrale precedente
\( I^2 = \dfrac{1}{2} \left[\theta\right]_0^{2\pi} \)
\( = \dfrac{1}{2} \left[2\pi - 0 \right] \)
\( = \pi \)

Finora abbiamo calcolato \( I^2 = \pi \) e quindi prendendo la radice quadrata, otteniamo \[ I = \int_{-\infty}^{+\infty} e^{-x^2} dx = \sqrt {\pi}\]

Altri Riferimenti e Link

  1. Joel Hass, University of California, Davis; Maurice D. Weir Naval Postgraduate School; George B. Thomas, Jr.Massachusetts Institute of Technology ; University Calculus , Early Transcendentals, Third Edition , Boston Columbus , 2016, Pearson.
  2. Calcoli di Doppie Integrali
  3. coordinate polari
  4. Convertire Coordinate Polari in Coordinate Rettangolari e Viceversa
Matematica per Ingegneria con Esempi e Soluzioni