Integral de Gauss

En matemáticas, la integral de Gauss, integral gaussiana o integral de probabilidad, es la integral impropia de la función gaussiana sobre toda la recta de los números reales. Debe su nombre al matemático y físico alemán Carl Friedrich Gauss, y su valor es:

Función gaussiana . El área encerrada bajo esa curva con el eje x es .

Esta integral tiene amplias aplicaciones, incluyendo normalización, en teoría de la probabilidad y transformada continua de Fourier. También aparece en la definición de la función error. A pesar de que no existe ninguna función elemental para la función error, como se puede demostrar mediante el algoritmo de Risch, la integral Gaussiana no puede ser resuelta analíticamente con las herramientas del cálculo. O sea, no existe una integral indefinida elemental para

pero sí es posible evaluar la integral definida

.

Cálculo de la IntegralEditar

Coordenadas PolaresEditar

La forma más común de calcular la integral de Gauss es mediante integración doble en el sistema cartesiano de coordenadas, para después hacer un cambio de coordenadas a coordenadas polares y calcular el valor. Se procede de la siguiente manera:

Se define

 

como la integral que queremos calcular. Podemos definir   como el producto de la integral   con ella misma y mediante el Teorema de Fubini podemos expresar la integral como

 

Procedemos a realizar un cambio de variables a coordenadas a polares:

 

donde el factor   es consecuencia de calcular el determinante del cambio de variable de coordenadas cartesianas a polares, y   aparece al hacer un cambio de variable tal que  ,  . Así obtenemos

 

por lo tanto

 

Coordenadas CartesianasEditar

Una técnica diferente para calcular el valor de la integral gaussiana es la siguiente.

Comencemos definiendo

 

por lo que

 

Notemos que el integrando, es decir  , es una función par por lo que

 

entonces

 

Sea

 

entonces

 

Por lo tanto

 

Relación con la función GammaEditar

La función gamma está dada por

 

y un resultado destacado de esta función es cuando   pues

 

considerando este resultado veamos qué relación tiene con la integral gaussiana, comencemos considerando que

 

pues   una función par.

Al hacer el cambio de variable   obtenemos

 

entonces

 

Esto muestra por qué el factorial de la mitad de un entero es un número irracional múltiplo de  , más generalmente

 

GeneralizacionesEditar

Integral de una función gaussianaEditar

La integral de una función Gaussiana arbitraria es

 

con  . Una forma alternativa es

 

Esta expresión es útil para calcular momentos de algunas distribuciones de probabilidad continuas relacionadas con la distribución normal, como la distribución log-normal.

Integrales de forma similarEditar

 

donde   es un entero positivo y   denota el doble factorial.

Véase tambiénEditar

ReferenciasEditar