Μετάβαση στο περιεχόμενο

Ολοκληρώματα του Γουάλις

Από τη Βικιπαίδεια, την ελεύθερη εγκυκλοπαίδεια

Στα μαθηματικά, και πιο συγκεκριμένα στην ανάλυση, τα ολοκληρώματα του Γουάλις[1] αποτελούν μια οικογένεια ολοκληρωμάτων που εισήγαγε ο Τζον Γουάλις.[2][3][4]

Ορισμός, βασικές ιδιότητες

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]
Ο Τζον Γουόλις,[2] από τον Γκοντφρέι Κνέλερ.

Τα ολοκληρώματα του Γουάλις είναι οι όροι της ακολουθίας που ορίζεται από τη σχέση[5]

ή ισοδύναμα,

Οι πρώτοι όροι αυτής της ακολουθίας είναι:

...
...

Η ακολουθία είναι φθίνουσα και έχει θετικούς όρους. Στην πραγματικότητα, για όλα τα

  • επειδή είναι ένα ολοκλήρωμα μιας μη αρνητικής συνεχούς συνάρτησης που δεν είναι πανομοιότυπα μηδέν,
  • και πάλι επειδή το τελευταίο ολοκλήρωμα είναι μια μη αρνητική συνεχής συνάρτηση.

Δεδομένου ότι η ακολουθία είναι φθίνουσα και περιορίζεται κάτω από το 0, συγκλίνει σε ένα μη αρνητικό όριο. Πράγματι, το όριο είναι μηδέν (βλέπε παρακάτω).

Μέσω της ολοκλήρωσης κατά μέρη, μπορεί να προκύψει ένας τύπος αναγωγής. Χρησιμοποιώντας την ταυτότητα[6]

, έχουμε για όλα τα ,

Ολοκληρώνοντας το δεύτερο ολοκλήρωμα κατά μέρη, με:

  • , του οποίου η αντιπαράγωγος είνα
  • , του οποίου η παράγωγος είναι

έχουμε

Αντικαθιστώντας αυτό το αποτέλεσμα στην εξίσωση (1) προκύπτει

και ως εκ τούτου

για όλα τα

Πρόκειται για μια αναδρομική σχέση που δίνει το ως προς το . Αυτό, μαζί με τις τιμές των και μας δίνουν δύο σύνολα τύπων για τους όρους της ακολουθίας , ανάλογα με το αν το είναι μονό ή ζυγό:

Μια άλλη σχέση για την αξιολόγηση των ολοκληρωμάτων του Γουόλις

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Τα ολοκληρώματα του Γουάλις μπορούν να αξιολογηθούν με τη χρήση ολοκληρωμάτων Όιλερ:

  1. Το ολοκλήρωμα Όιλερ πρώτου είδους: η συνάρτηση βήτα:
    για Re(x), Re(y) > 0
  2. Ολοκλήρωμα Όιλερ του δεύτερου είδους: η συνάρτηση Γάμμα:
    για Re(z) > 0.

Αν κάνουμε την ακόλουθη αντικατάσταση μέσα στη συνάρτηση βήτα:
παίρνουμε:

έτσι αυτό μας δίνει την ακόλουθη σχέση για την αξιολόγηση των ολοκληρωμάτων Γουόλις:[7]

Έτσι, για περιττά , γράφοντας , έχουμε:

ενώ για άρτιο , γράφοντας και γνωρίζοντας ότι , έχουμε :

  • Από τον παραπάνω τύπο αναδρομής , μπορούμε να συμπεράνουμε ότι
(ισοδυναμία δύο ακολουθιών).
Πράγματι, για όλα τα  :
(αφού η ακολουθία είναι φθίνουσα)
(από το )
(με την εξίσωση ).
Από το Κριτήριο παρεμβολής, συμπεραίνουμε ότι , και επομένως .
  • Εξετάζοντας το , προκύπτει η ακόλουθη ισοδυναμία:


(και κατά συνέπεια ).

Απόδειξη

Για όλα τα , έστω .

Αποδεικνύεται ότι, λόγω της εξίσωσης . Με άλλα λόγια είναι μια σταθερά.

Προκύπτει ότι για όλα τα , .

Τώρα, αφού and , έχουμε, σύμφωνα με τους κανόνες του γινομένου των ισοδυνάμων, .

Κατά συνέπεια, , από το οποίο προκύπτει το επιθυμητό αποτέλεσμα (επισημαίνοντας ότι ).

Εξαγωγή του τύπου του Στίρλινγκ

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Ας υποθέσουμε ότι έχουμε την ακόλουθη ισοδυναμία (γνωστή ως τύπος Στίρλινγκ):

για κάποια σταθερά που θέλουμε να προσδιορίσουμε. Από τα παραπάνω, έχουμε

(equation (3))

Αναπτύσσοντας το και χρησιμοποιώντας τον παραπάνω τύπο για τα παραγοντικά, έχουμε

Από τα (3) και (4), προκύπτει από τη μεταβατικότητα:

Λύνοντας για το προκύπτει Με άλλα λόγια,

Αφαίρεση του διπλού παραγοντικού λόγου

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Ομοίως, από τα παραπάνω, έχουμε:

Αντίστοιχα, από τα παραπάνω, έχουμε:

Αναπτύσσοντας το και χρησιμοποιώντας τον παραπάνω τύπο για τα διπλά παραγοντικά, παίρνουμε:

Απλοποιώντας, προκύπτει:

ή

Εκτίμηση του ολοκληρώματος Γκάους

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Το Γκαουσιανό ολοκλήρωμα μπορεί να εκτιμηθεί μέσω της χρήσης των ολοκληρωμάτων του Γουάλις.

Αποδεικνύουμε πρώτα τις ακόλουθες ανισότητες:

Στην πραγματικότητα, αφήνοντας , η πρώτη ανισότητα (στην οποία ) είναι ισοδύναμη με , ενώ η δεύτερη ανισότητα ανάγεται στη σχέση ,

η οποία γίνεται . Αυτές οι 2 τελευταίες ανισότητες προκύπτουν από την κυρτότητα της εκθετικής συνάρτησης (ή από την ανάλυση της συνάρτησης ).

Αφήνοντας και κάνοντας χρήση των βασικών ιδιοτήτων των ακατάλληλων ολοκληρωμάτων (η σύγκλιση των ολοκληρωμάτων είναι προφανής), λαμβάνουμε τις ανισότητες:

για χρήση με το κριτήριο παρεμβολής (ως ).

Το πρώτο και το τελευταίο ολοκλήρωμα μπορούν να αξιολογηθούν εύκολα χρησιμοποιώντας ολοκληρώματα του Γουάλις. Για το πρώτο, έστω (t που κυμαίνεται από 0 έως ). Τότε, το ολοκλήρωμα γίνεται . Για το τελευταίο ολοκλήρωμα, έστω (το t κυμαίνεται από to ). Τότε, γίνεται .

Όπως έχουμε δείξει προηγουμένως, . Έτσι, προκύπτει ότι

Παρατήρηση: Υπάρχουν και άλλες μέθοδοι για την αξιολόγηση του γκαουσιανού ολοκληρώματος. Ορισμένες από αυτές είναι πιο άμεσες.

Οι ίδιες ιδιότητες οδηγούν στο γινόμενο Γουάλις, το οποίο εκφράζει (βλ. ) με τη μορφή ενός άπειρου γινομένου[8].

Εξωτερικοί σύνδεσμοι

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]
  1. «On a Class of Integrals related to Wallis Integrals - ResearchGate». 
  2. 2,0 2,1 «John Wallis - Biography». Maths History (στα Αγγλικά). Ανακτήθηκε στις 18 Μαρτίου 2025. 
  3. «John Wallis | English Mathematician & Cryptographer | Britannica». www.britannica.com (στα Αγγλικά). Ανακτήθηκε στις 18 Μαρτίου 2025. 
  4. «The world of Pi - Wallis». www.pi314.net. Ανακτήθηκε στις 19 Μαρτίου 2025. 
  5. Alexander (13 Αυγούστου 2021). «Wallis Formula: Definition & Examples». Statistics How To (στα Αγγλικά). Ανακτήθηκε στις 18 Μαρτίου 2025. 
  6. «On a Class of Integrals related to Wallis Integrals - Cornell University». 
  7. Makarov, Boris· Podkorytov, Anatolii (14 Ιουνίου 2013). Real Analysis: Measures, Integrals and Applications. Springer Science & Business Media. ISBN 978-1-4471-5122-7. 
  8. Weisstein, Eric W. «Infinite Product». mathworld.wolfram.com (στα Αγγλικά). Ανακτήθηκε στις 18 Μαρτίου 2025.