Как найти значения для функции гаусса

В статье подробно показано, что такое нормальный закон распределения случайной величины и как им пользоваться при решении практически задач.

Нормальное распределение в статистике

История закона насчитывает 300 лет. Первым открывателем стал Абрахам де Муавр, который придумал аппроксимацию биномиального распределения еще 1733 году. Через много лет Карл Фридрих Гаусс (1809 г.) и Пьер-Симон Лаплас (1812 г.) вывели математические функции.

Лаплас также обнаружил замечательную закономерность и сформулировал центральную предельную теорему (ЦПТ), согласно которой сумма большого количества малых и независимых величин имеет нормальное распределение.

Нормальный закон не является фиксированным уравнением зависимости одной переменной от другой. Фиксируется только характер этой зависимости. Конкретная форма распределения задается специальными параметрами. Например, у = аx + b – это уравнение прямой. Однако где конкретно она проходит и под каким наклоном, определяется параметрами а и b. Также и с нормальным распределением. Ясно, что это функция, которая описывает тенденцию высокой концентрации значений около центра, но ее точная форма задается специальными параметрами.

Кривая нормального распределения Гаусса имеет следующий вид.

График плотности нормального распределения

График нормального распределения напоминает колокол, поэтому можно встретить название колоколообразная кривая. У графика имеется «горб» в середине и резкое снижение плотности по краям. В этом заключается суть нормального распределения. Вероятность того, что случайная величина окажется около центра гораздо выше, чем то, что она сильно отклонится от середины.

Различные вероятности у нормально распределенных данных

На рисунке выше изображены два участка под кривой Гаусса: синий и зеленый. Основания, т.е. интервалы, у обоих участков равны. Но заметно отличаются высоты. Синий участок удален от центра, и имеет существенно меньшую высоту, чем зеленый, который находится в самом центре распределения. Следовательно, отличаются и площади, то бишь вероятности попадания в обозначенные интервалы.

Формула нормального распределения (плотности) следующая.

Функция Гаусса

Формула состоит из двух математических констант:

π – число пи 3,142;

е – основание натурального логарифма 2,718;

двух изменяемых параметров, которые задают форму конкретной кривой:

m – математическое ожидание (в различных источниках могут использоваться другие обозначения, например, µ или a);

σ2 – дисперсия;

ну и сама переменная x, для которой высчитывается плотность вероятности.

Конкретная форма нормального распределения зависит от 2-х параметров: математического ожидания (m) и дисперсии (σ2). Кратко обозначается N(m, σ2) или N(m, σ). Параметр m (матожидание) определяет центр распределения, которому соответствует максимальная высота графика. Дисперсия σ2 характеризует размах вариации, то есть «размазанность» данных.

Параметр математического ожидания смещает центр распределения вправо или влево, не влияя на саму форму кривой плотности.

Влияние матожидания на нормальное распределение

А вот дисперсия определяет остроконечность кривой. Когда данные имеют малый разброс, то вся их масса концентрируется у центра. Если же у данных большой разброс, то они «размазываются» по широкому диапазону.

Влияние сигмы на нормальное распределение

Плотность распределения не имеет прямого практического применения. Для расчета вероятностей нужно проинтегрировать функцию плотности.

Вероятность того, что случайная величина окажется меньше некоторого значения x, определяется функцией нормального распределения:

Функция нормального распределения
Используя математические свойства любого непрерывного распределения, несложно рассчитать и любые другие вероятности, так как

P(a ≤ X < b) = Ф(b) – Ф(a)

Стандартное нормальное распределение

Нормальное распределение зависит от параметров средней и дисперсии, из-за чего плохо видны его свойства. Хорошо бы иметь некоторый эталон распределения, не зависящий от масштаба данных. И он существует. Называется стандартным нормальным распределением. На самом деле это обычное нормальное нормальное распределение, только с параметрами математического ожидания 0, а дисперсией – 1, кратко записывается N(0, 1).

Любое нормальное распределение легко превращается в стандартное путем нормирования:

Нормирование

где z – новая переменная, которая используется вместо x;
m – математическое ожидание;
σ – стандартное отклонение.

Для выборочных данных берутся оценки:

Нормирование по оценкам параметров

Среднее арифметическое и дисперсия новой переменной z теперь также равны 0 и 1 соответственно. В этом легко убедиться с помощью элементарных алгебраических преобразований.

В литературе встречается название z-оценка. Это оно самое – нормированные данные. Z-оценку можно напрямую сравнивать с теоретическими вероятностями, т.к. ее масштаб совпадает с эталоном.

Посмотрим теперь, как выглядит плотность стандартного нормального распределения (для z-оценок). Напомню, что функция Гаусса имеет вид:

Функция Гаусса

Подставим вместо (x-m)/σ букву z, а вместо σ – единицу, получим функцию плотности стандартного нормального распределения:

Плотность стандартного нормального распределения

График плотности:

График плотности стандартного нормального распределения

Центр, как и ожидалось, находится в точке 0. В этой же точке функция Гаусса достигает своего максимума, что соответствует принятию случайной величиной своего среднего значения (т.е. x-m=0). Плотность в этой точке равна 0,3989, что можно посчитать даже в уме, т.к. e0=1 и остается рассчитать только соотношение 1 на корень из 2 пи.

Таким образом, по графику хорошо видно, что значения, имеющие маленькие отклонения от средней, выпадают чаще других, а те, которые сильно отдалены от центра, встречаются значительно реже. Шкала оси абсцисс измеряется в стандартных отклонениях, что позволяет отвязаться от единиц измерения и получить универсальную структуру нормального распределения. Кривая Гаусса для нормированных данных отлично демонстрирует и другие свойства нормального распределения. Например, что оно является симметричным относительно оси ординат. В пределах ±1σ от средней арифметической сконцентрирована большая часть всех значений (прикидываем пока на глазок). В пределах ±2σ находятся большинство данных. В пределах ±3σ находятся почти все данные. Последнее свойство широко известно под названием правило трех сигм для нормального распределения.

Функция стандартного нормального распределения позволяет рассчитывать вероятности.

Функция стандартного нормального распределения

Понятное дело, вручную никто не считает. Все подсчитано и размещено в специальных таблицах, которые есть в конце любого учебника по статистике.

Таблица нормального распределения

Таблицы нормального распределения встречаются двух типов:

— таблица плотности;

— таблица функции (интеграла от плотности).

Таблица плотности используется редко. Тем не менее, посмотрим, как она выглядит. Допустим, нужно получить плотность для z = 1, т.е. плотность значения, отстоящего от матожидания на 1 сигму. Ниже показан кусок таблицы. 

Таблица плотности стандартного нормального распределения

В зависимости от организации данных ищем нужное значение по названию столбца и строки. В нашем примере берем строку 1,0 и столбец 0, т.к. сотых долей нет. Искомое значение равно 0,2420 (0 перед 2420 опущен). 

Функция Гаусса симметрична относительно оси ординат. Поэтому φ(z)= φ(-z), т.е. плотность для 1 тождественна плотности для -1, что отчетливо видно на рисунке.

График функции Гаусса

Чтобы не тратить зря бумагу, таблицы печатают только для положительных значений.

На практике чаще используют значения функции стандартного нормального распределения, то есть вероятности для различных z.

В таких таблицах также содержатся только положительные значения. Поэтому для понимания и нахождения любых нужных вероятностей следует знать свойства стандартного нормального распределения.

Функция Ф(z) симметрична относительно своего значения 0,5 (а не оси ординат, как плотность). Отсюда справедливо равенство:

Свойство 1

Это факт показан на картинке:

Свойство нормального распределения 1

Значения функции Ф(-z) и Ф(z) делят график на 3 части. Причем верхняя и нижняя части равны (обозначены галочками). Для того, чтобы дополнить вероятность Ф(z) до 1, достаточно добавить недостающую величину Ф(-z). Получится равенство, указанное чуть выше.

Если нужно отыскать вероятность попадания в интервал (0; z), то есть вероятность отклонения от нуля в положительную сторону до некоторого количества стандартных отклонений, достаточно от значения функции стандартного нормального распределения отнять 0,5:

Свойство 2

Для наглядности можно взглянуть на рисунок.

Свойство нормального распределения 2

На кривой Гаусса, эта же ситуация выглядит как площадь от центра вправо до z.

Свойство нормального распределения 2 на кривой Гаусса

Довольно часто аналитика интересует вероятность отклонения в обе стороны от нуля. А так как функция симметрична относительно центра, предыдущую формулу нужно умножить на 2:

Свойство 3

Рисунок ниже.

Свойство нормального распределения 3

Под кривой Гаусса это центральная часть, ограниченная выбранным значением –z слева и z справа.

Свойство нормального распределения 3 на кривой Гаусса

Указанные свойства следует принять во внимание, т.к. табличные значения редко соответствуют интересующему интервалу.

Для облегчения задачи в учебниках обычно публикуют таблицы для функции вида:

Функция стандартного нормального распределения

Если нужна вероятность отклонения в обе стороны от нуля, то, как мы только что убедились, табличное значение для данной функции просто умножается на 2.

Теперь посмотрим на конкретные примеры. Ниже показана таблица стандартного нормального распределения. Найдем табличные значения для трех z: 1,64, 1,96 и 3.

Таблица функции Лапласа

Как понять смысл этих чисел? Начнем с z=1,64, для которого табличное значение составляет 0,4495. Проще всего пояснить смысл на рисунке.

Значение функции Лапласа для z=1,64 в правую сторону

То есть вероятность того, что стандартизованная нормально распределенная случайная величина попадет в интервал от 0 до 1,64, равна 0,4495. При решении задач обычно нужно рассчитать вероятность отклонения в обе стороны, поэтому умножим величину 0,4495 на 2 и получим примерно 0,9. Занимаемая площадь под кривой Гаусса показана ниже.

Значение функции Лапласа для z=1,64 под кривой Гаусса

Таким образом, 90% всех нормально распределенных значений попадает в интервал ±1,64σ от средней арифметической. Я не случайно выбрал значение z=1,64, т.к. окрестность вокруг средней арифметической, занимающая 90% всей площади, иногда используется для проверки статистических гипотез и расчета доверительных интервалов. Если проверяемое значение не попадает в обозначенную область, то его наступление маловероятно (всего 10%).

Для проверки гипотез, однако, чаще используется интервал, накрывающий 95% всех значений. Половина вероятности от 0,95 – это 0,4750 (см. второе выделенное в таблице значение).

Значение функции Лапласа для z=1,96 в правую сторону

Для этой вероятности z=1,96. Т.е. в пределах почти ±2σ от средней находится 95% значений. Только 5% выпадают за эти пределы.

Значение функции Лапласа для z=1,96 под кривой Гаусса

Еще одно интересное и часто используемое табличное значение соответствует z=3, оно равно по нашей таблице 0,4986. Умножим на 2 и получим 0,997. Значит, в рамках ±3σ от средней арифметической заключены почти все значения.

Значение функции Лапласа для z=3 под кривой Гаусса

Так выглядит правило 3 сигм для нормального распределения на диаграмме.

С помощью статистических таблиц можно получить любую вероятность. Однако этот метод очень медленный, неудобный и сильно устарел. Сегодня все делается на компьютере. Далее переходим к практике расчетов в Excel.

В Excel есть несколько функций для подсчета вероятностей или обратных значений нормального распределения.

Функции нормального распределения в Excel

Функция НОРМ.СТ.РАСП

Функция НОРМ.СТ.РАСП предназначена для расчета плотности ϕ(z) или вероятности Φ(z) по нормированным данным (z).

=НОРМ.СТ.РАСП(z;интегральная)

z – значение стандартизованной переменной

интегральная – если 0, то рассчитывается плотность ϕ(z), если 1 – значение функции Ф(z), т.е. вероятность P(Z<z).

Рассчитаем плотность и значение функции для различных z: -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3 (их укажем в ячейке А2).

Для расчета плотности потребуется формула =НОРМ.СТ.РАСП(A2;0). На диаграмме ниже – это красная точка.

Для расчета значения функции =НОРМ.СТ.РАСП(A2;1). На диаграмме – закрашенная площадь под нормальной кривой.

Расчет плотности и функции нормального распределения в Excel

В реальности чаще приходится рассчитывать вероятность того, что случайная величина не выйдет за некоторые пределы от средней (в среднеквадратичных отклонениях, соответствующих переменной z), т.е. P(|Z|<z).

Вероятность отклонения при заданном z

Определим, чему равна вероятность попадания случайной величины в пределы ±1z, ±2z и ±3z от нуля. Потребуется формула 2Ф(z)-1, в Excel =2*НОРМ.СТ.РАСП(A2;1)-1.

Расчет вероятности отклонения от средней

На диаграмме отлично видны основные основные свойства нормального распределения, включая правило трех сигм. Функция НОРМ.СТ.РАСП – это автоматическая таблица значений функции нормального распределения в Excel.

Может стоять и обратная задача: по имеющейся вероятности P(Z<z) найти стандартизованную величину z ,то есть квантиль стандартного нормального распределения.

Функция НОРМ.СТ.ОБР

НОРМ.СТ.ОБР рассчитывает обратное значение функции стандартного нормального распределения. Синтаксис состоит из одного параметра:

=НОРМ.СТ.ОБР(вероятность)

вероятность – это вероятность.

Данная формула используется так же часто, как и предыдущая, ведь по тем же таблицам искать приходится не только вероятности, но и квантили.

Обратная функция стандартного нормального распределения

Например, при расчете доверительных интервалов задается доверительная вероятность, по которой нужно рассчитать величину z.

Расчет предельного отклонения при нормальном распределении

Учитывая то, что доверительный интервал состоит из верхней и нижней границы и то, что нормальное распределение симметрично относительно нуля, достаточно получить верхнюю границу (положительное отклонение). Нижняя граница берется с отрицательным знаком. Обозначим доверительную вероятность как γ (гамма), тогда верхняя граница доверительного интервала рассчитывается по следующей формуле.

Формула расчета предельного отклонения с помощью обратной функции нормального стандартного распределения

Рассчитаем в Excel значения z (что соответствует отклонению от средней в сигмах) для нескольких вероятностей, включая те, которые наизусть знает любой статистик: 90%, 95% и 99%. В ячейке B2 укажем формулу: =НОРМ.СТ.ОБР((1+A2)/2). Меняя значение переменной (вероятности в ячейке А2) получим различные границы интервалов.

Расчет предельного отклонения при заданной вероятности

Доверительный интервал для 95% равен 1,96, то есть почти 2 среднеквадратичных отклонения. Отсюда легко даже в уме оценить возможный разброс нормальной случайной величины. В общем, доверительным вероятностям 90%, 95% и 99% соответствуют доверительные интервалы ±1,64, ±1,96 и ±2,58 σ.

В целом функции НОРМ.СТ.РАСП и НОРМ.СТ.ОБР позволяют произвести любой расчет, связанный с нормальным распределением. Но, чтобы облегчить и уменьшить количество действий, в Excel есть несколько других функций. Например, для расчета доверительных интервалов средней можно использовать ДОВЕРИТ.НОРМ. Для проверки статистической гипотезы о средней арифметической есть формула Z.ТЕСТ. 

Рассмотрим еще пару полезных формул с примерами.

Функция НОРМ.РАСП

Функция НОРМ.РАСП отличается от НОРМ.СТ.РАСП лишь тем, что ее используют для обработки данных любого масштаба, а не только нормированных. Параметры нормального распределения указываются в синтаксисе.

=НОРМ.РАСП(x;среднее;стандартное_откл;интегральная)

x – значение (или ссылка на ячейку), для которого рассчитывается плотность или значение функции нормального распределения

среднее – математическое ожидание, используемое в качестве первого параметра модели нормального распределения

стандартное_откл – среднеквадратичное отклонение – второй параметр модели

интегральная – если 0, то рассчитывается плотность, если 1 – то значение функции, т.е. P(X<x).

Например, плотность для значения 15, которое извлекли из нормальной выборки с матожиданием 10, стандартным отклонением 3, рассчитывается так:

Расчет плотности для нормальных данных

Если последний параметр поставить 1, то получим вероятность того, что нормальная случайная величина окажется меньше 15 при заданных параметрах распределения. Таким образом, вероятности можно рассчитывать напрямую по исходным данным.

Функция НОРМ.ОБР

Это квантиль нормального распределения, т.е. значение обратной функции. Синтаксис следующий.

=НОРМ.ОБР(вероятность;среднее;стандартное_откл)

вероятность – вероятность

среднее – матожидание

стандартное_откл – среднеквадратичное отклонение

Назначение то же, что и у НОРМ.СТ.ОБР, только функция работает с данными любого масштаба.

Пример показан в ролике в конце статьи.

Моделирование нормального распределения

Для некоторых задач требуется генерация нормальных случайных чисел. Готовой функции для этого нет. Однако В Excel есть две функции, которые возвращают случайные числа: СЛУЧМЕЖДУ и СЛЧИС. Первая выдает случайные равномерно распределенные целые числа в указанных пределах. Вторая функция генерирует равномерно распределенные случайные числа между 0 и 1. Чтобы сделать искусственную выборку с любым заданным распределением, нужна функция СЛЧИС

Допустим, для проведения эксперимента необходимо получить выборку из нормально распределенной генеральной совокупности с матожиданием 10 и стандартным отклонением 3. Для одного случайного значения напишем формулу в Excel.

=НОРМ.ОБР(СЛЧИС();10;3)

Протянем ее на необходимое количество ячеек и нормальная выборка готова.

Для моделирования стандартизованных данных следует воспользоваться НОРМ.СТ.ОБР.

Процесс преобразования равномерных чисел в нормальные можно показать на следующей диаграмме. От равномерных вероятностей, которые генерируются формулой СЛЧИС, проведены горизонтальные линии до графика функции нормального распределения. Затем от точек пересечения вероятностей с графиком опущены проекции на горизонтальную ось.

Преобразование равномерной случайной величины в нормальную

На выходе получаются значения с характерной концентрацией около центра. Вот так обратный прогон через функцию нормального распределения превращает равномерные числа в нормальные. Excel позволяет за несколько секунд воспроизвести любое количество выборок любого размера.

Как обычно, прилагаю ролик, где все вышеописанное показывается в действии.

Скачать файл с примером.

Поделиться в социальных сетях:

Консультация и поддержка студентов в учёбе

Главная » Бесплатные рефераты » Бесплатные рефераты по математическому анализу и линейной алгебре »

Таблица значений функции Гаусса

Таблица значений функции Гаусса [28.09.11]

Тема: Таблица значений функции Гаусса

Раздел: Бесплатные рефераты по математическому анализу и линейной алгебре

Тип: Другое | Размер: 10.20K | Скачано: 252 | Добавлен 28.09.11 в 21:08 | Рейтинг: +2 | Еще Другое

Вуз: не указан

Значения функции Гаусса
Значения функции Гаусса
Таблица значений функции Гаусса

Целые и

десятичные доли x

Сотые доли x

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0,0

0,3989

0,3989

0,3989

0,3988

0,3986

0,3984

0,3982

0,3980

0,3977

0,3973

0,1

3970

3965

3961

3956

3951

3945

3939

3932

3925

3918

0,2

3910

3902

3894

3885

3876

3867

3857

3847

3836

3825

0,3

3814

3802

3790

3778

3765

3752

3739

3726

3712

3697

0,4

3683

3668

3653

3637

3621

3605

3589

3572

3555

3538

0,5

3521

3503

3485

3467

3448

3429

3410

3391

3372

3352

0,6

3332

3312

3292

3271

3251

3230

3209

3187

3166

3144

0,7

3123

3101

3079

3056

3034

3011

2989

2966

2943

2920

0,8

2897

2874

2850

2827

2803

2780

2756

2732

2709

2685

0,9

2661

2637

2613

2589

2565

2541

2516

2492

2468

2444

1,0

0,2420

0,2396

0,2371

0,2347

0,2323

0,2299

0,2275

0,2251

0,2227

0,2203

1,1

2179

2155

2131

2107

2083

2059

2036

2012

1989

1965

1,2

1942

1919

1895

1872

1849

1826

1804

1781

1758

1736

1,3

1714

1691

1669

1647

1626

1604

1582

1561

1539

1518

1,4

1497

1476

1456

1435

1415

1394

1374

1354

1334

1315

1,5

1295

1276

1257

1238

1219

1200

1182

1163

1145

1127

1,6

1109

1092

1074

1057

1040

1023

1006

0989

0973

0957

1,7

0940

0925

0909

0893

0878

0863

0848

0833

0818

0804

1,8

0790

0775

0761

0748

0734

0721

0707

0694

0681

0669

1,9

0656

0644

0632

0620

0608

0596

0584

0573

0562

0551

2,0

0,0540

0,0529

0,0519

0,0508

0,0498

0,0488

0,0478

0,0468

0,0459

0,0449

2,1

0440

0431

0422

0413

0404

0396

0387

0379

0371

0363

2,2

0355

0347

0339

0332

0325

0317

0310

0303

0297

0290

2,3

0283

0277

0270

0264

0258

0252

0246

0241

0235

0229

2,4

0224

0219

0213

0208

0203

0198

0194

0189

0184

0180

2,5

0175

0171

0167

0163

0158

0154

0151

0147

0143

0139

2,6

0136

0132

0129

0126

0122

0119

0116

0113

0110

0107

2,7

0104

0101

0099

0096

0093

0091

0088

0086

0084

0081

2,8

0079

0077

0075

0073

0071

0069

0067

0065

0063

0061

2,9

0060

0058

0056

0055

0053

0051

0050

0048

0047

0046

3,0

0,0044

0,0043

0,0042

0,0041

0,0039

0,0038

0,0037

0,0036

0,0035

0,0034

3,1

0033

0032

0031

0030

0029

0028

0027

0026

0025

0025

3,2

0024

0023

0022

0022

0021

0020

0020

0019

0018

0018

3,3

0017

0017

0016

0016

0015

0015

0014

0014

0013

0013

3,4

0012

0012

0012

0011

0011

0010

0010

0010

0009

0009

3,5

0009

0008

0008

0008

0008

0007

0007

0007

0007

0006

3,6

0006

0006

0006

0005

0005

0005

0005

0005

0005

0004

3,7

0004

0004

0004

0004

0004

0004

0003

0003

0003

0003

3,8

0003

0003

0003

0003

0003

0002

0002

0002

0002

0002

3,9

0002

0002

0002

0002

0002

0002

0002

0002

0001

0001

4,0

0,0001

0,0001

0,0001

0,0001

0,0001

0,0001

0,0001

0,0001

0,0001

0,0001

4,1

0,0001338

4,5

0,0000160

5,0

0,0000015

Внимание!

Если вам нужна помощь в написании работы, то рекомендуем обратиться к профессионалам. Более 70 000 авторов готовы помочь вам прямо сейчас. Бесплатные корректировки и доработки. Узнайте стоимость своей работы

Бесплатная оценка

+2


Понравилось? Нажмите на кнопочку ниже. Вам не сложно, а нам приятно).


Чтобы скачать бесплатно Другое на максимальной скорости, зарегистрируйтесь или авторизуйтесь на сайте.

Важно! Все представленные Другое для бесплатного скачивания предназначены для составления плана или основы собственных научных трудов.


Друзья! У вас есть уникальная возможность помочь таким же студентам как и вы! Если наш сайт помог вам найти нужную работу, то вы, безусловно, понимаете как добавленная вами работа может облегчить труд другим.

Добавить работу


Если Другое, по Вашему мнению, плохого качества, или эту работу Вы уже встречали, сообщите об этом нам.


Добавление отзыва к работе

Добавить отзыв могут только зарегистрированные пользователи.


Похожие работы

  • Таблица значений функции Лапласа
  • Таблица значений функции Пуассона

Консультация и поддержка студентов в учёбе

From Wikipedia, the free encyclopedia

In mathematics, a Gaussian function, often simply referred to as a Gaussian, is a function of the base form

{displaystyle f(x)=exp(-x^{2})}

and with parametric extension

{displaystyle f(x)=aexp left(-{frac {(x-b)^{2}}{2c^{2}}}right)}

for arbitrary real constants a, b and non-zero c. It is named after the mathematician Carl Friedrich Gauss. The graph of a Gaussian is a characteristic symmetric “bell curve” shape. The parameter a is the height of the curve’s peak, b is the position of the center of the peak, and c (the standard deviation, sometimes called the Gaussian RMS width) controls the width of the “bell”.

Gaussian functions are often used to represent the probability density function of a normally distributed random variable with expected value μ = b and variance σ2 = c2. In this case, the Gaussian is of the form[1]

{displaystyle g(x)={frac {1}{sigma {sqrt {2pi }}}}exp left(-{frac {1}{2}}{frac {(x-mu )^{2}}{sigma ^{2}}}right).}

Gaussian functions are widely used in statistics to describe the normal distributions, in signal processing to define Gaussian filters, in image processing where two-dimensional Gaussians are used for Gaussian blurs, and in mathematics to solve heat equations and diffusion equations and to define the Weierstrass transform.

Properties[edit]

Gaussian functions arise by composing the exponential function with a concave quadratic function:

{displaystyle f(x)=exp(alpha x^{2}+beta x+gamma ),}

where

  • {displaystyle alpha =-1/2c^{2},}
  • {displaystyle beta =b/c^{2},}
  • {displaystyle gamma =ln a-(b^{2}/2c^{2}).}

(Note: in {displaystyle ln a,a=1/(sigma {sqrt {2pi }})},
not to be confused with {displaystyle alpha =-1/2c^{2},})

The Gaussian functions are thus those functions whose logarithm is a concave quadratic function.

The parameter c is related to the full width at half maximum (FWHM) of the peak according to

{displaystyle {text{FWHM}}=2{sqrt {2ln 2}},capprox 2.35482,c.}

The function may then be expressed in terms of the FWHM, represented by w:

{displaystyle f(x)=ae^{-4(ln 2)(x-b)^{2}/w^{2}}.}

Alternatively, the parameter c can be interpreted by saying that the two inflection points of the function occur at x = b ± c.

The full width at tenth of maximum (FWTM) for a Gaussian could be of interest and is

{displaystyle {text{FWTM}}=2{sqrt {2ln 10}},capprox 4.29193,c.}

Gaussian functions are analytic, and their limit as x → ∞ is 0 (for the above case of b = 0).

Gaussian functions are among those functions that are elementary but lack elementary antiderivatives; the integral of the Gaussian function is the error function:

{displaystyle int e^{-x^{2}},dx={frac {sqrt {pi }}{2}}operatorname {erf} x+C.}

Nonetheless, their improper integrals over the whole real line can be evaluated exactly, using the Gaussian integral

{displaystyle int _{-infty }^{infty }e^{-x^{2}},dx={sqrt {pi }},}

and one obtains

{displaystyle int _{-infty }^{infty }ae^{-(x-b)^{2}/(2c^{2})},dx=accdot {sqrt {2pi }}.}

This integral is 1 if and only if {textstyle a={tfrac {1}{c{sqrt {2pi }}}}} (the normalizing constant), and in this case the Gaussian is the probability density function of a normally distributed random variable with expected value μ = b and variance σ2 = c2:

{displaystyle g(x)={frac {1}{sigma {sqrt {2pi }}}}exp left({frac {-(x-mu )^{2}}{2sigma ^{2}}}right).}

These Gaussians are plotted in the accompanying figure.

Gaussian functions centered at zero minimize the Fourier uncertainty principle[clarification needed].

The product of two Gaussian functions is a Gaussian, and the convolution of two Gaussian functions is also a Gaussian, with variance being the sum of the original variances: {displaystyle c^{2}=c_{1}^{2}+c_{2}^{2}}. The product of two Gaussian probability density functions (PDFs), though, is not in general a Gaussian PDF.

Taking the Fourier transform (unitary, angular-frequency convention) of a Gaussian function with parameters a = 1, b = 0 and c yields another Gaussian function, with parameters c, b = 0 and 1/c.[2] So in particular the Gaussian functions with b = 0 and c=1 are kept fixed by the Fourier transform (they are eigenfunctions of the Fourier transform with eigenvalue 1).
A physical realization is that of the diffraction pattern: for example, a photographic slide whose transmittance has a Gaussian variation is also a Gaussian function.

The fact that the Gaussian function is an eigenfunction of the continuous Fourier transform allows us to derive the following interesting[clarification needed] identity from the Poisson summation formula:

{displaystyle sum _{kin mathbb {Z} }exp left(-pi cdot left({frac {k}{c}}right)^{2}right)=ccdot sum _{kin mathbb {Z} }exp left(-pi cdot (kc)^{2}right).}

Integral of a Gaussian function[edit]

The integral of an arbitrary Gaussian function is

{displaystyle int _{-infty }^{infty }a,e^{-(x-b)^{2}/2c^{2}},dx={sqrt {2}}a,|c|,{sqrt {pi }}.}

An alternative form is

{displaystyle int _{-infty }^{infty }k,e^{-fx^{2}+gx+h},dx=int _{-infty }^{infty }k,e^{-f{big (}x-g/(2f){big )}^{2}+g^{2}/(4f)+h},dx=k,{sqrt {frac {pi }{f}}},exp left({frac {g^{2}}{4f}}+hright),}

where f must be strictly positive for the integral to converge.

Relation to standard Gaussian integral[edit]

The integral

{displaystyle int _{-infty }^{infty }ae^{-(x-b)^{2}/2c^{2}},dx}

for some real constants a, b, c > 0 can be calculated by putting it into the form of a Gaussian integral. First, the constant a can simply be factored out of the integral. Next, the variable of integration is changed from x to y = xb:

{displaystyle aint _{-infty }^{infty }e^{-y^{2}/2c^{2}},dy,}

and then to {displaystyle z=y/{sqrt {2c^{2}}}}:

{displaystyle a{sqrt {2c^{2}}}int _{-infty }^{infty }e^{-z^{2}},dz.}

Then, using the Gaussian integral identity

{displaystyle int _{-infty }^{infty }e^{-z^{2}},dz={sqrt {pi }},}

we have

{displaystyle int _{-infty }^{infty }ae^{-(x-b)^{2}/2c^{2}},dx=a{sqrt {2pi c^{2}}}.}

Two-dimensional Gaussian function[edit]

3d plot of a Gaussian function with a two-dimensional domain

Base form:

{displaystyle f(x,y)=exp(-x^{2}-y^{2})}

In two dimensions, the power to which e is raised in the Gaussian function is any negative-definite quadratic form. Consequently, the level sets of the Gaussian will always be ellipses.

A particular example of a two-dimensional Gaussian function is

{displaystyle f(x,y)=Aexp left(-left({frac {(x-x_{0})^{2}}{2sigma _{X}^{2}}}+{frac {(y-y_{0})^{2}}{2sigma _{Y}^{2}}}right)right).}

Here the coefficient A is the amplitude, x0y0 is the center, and σxσy are the x and y spreads of the blob. The figure on the right was created using A = 1, x0 = 0, y0 = 0, σx = σy = 1.

The volume under the Gaussian function is given by

{displaystyle V=int _{-infty }^{infty }int _{-infty }^{infty }f(x,y),dx,dy=2pi Asigma _{X}sigma _{Y}.}

In general, a two-dimensional elliptical Gaussian function is expressed as

{displaystyle f(x,y)=Aexp {Big (}-{big (}a(x-x_{0})^{2}+2b(x-x_{0})(y-y_{0})+c(y-y_{0})^{2}{big )}{Big )},}

where the matrix

{displaystyle {begin{bmatrix}a&b\b&cend{bmatrix}}}

is positive-definite.

Using this formulation, the figure on the right can be created using A = 1, (x0, y0) = (0, 0), a = c = 1/2, b = 0.

Meaning of parameters for the general equation[edit]

For the general form of the equation the coefficient A is the height of the peak and (x0, y0) is the center of the blob.

If we set

{displaystyle {begin{aligned}a&={frac {cos ^{2}theta }{2sigma _{X}^{2}}}+{frac {sin ^{2}theta }{2sigma _{Y}^{2}}},\b&=-{frac {sin 2theta }{4sigma _{X}^{2}}}+{frac {sin 2theta }{4sigma _{Y}^{2}}},\c&={frac {sin ^{2}theta }{2sigma _{X}^{2}}}+{frac {cos ^{2}theta }{2sigma _{Y}^{2}}},end{aligned}}}

then we rotate the blob by a positive, counter-clockwise angle theta (for negative, clockwise rotation, invert the signs in the b coefficient).[3]

To get back the coefficients theta , sigma _{X} and sigma_Y from a, b and c use

{displaystyle {begin{aligned}theta &={frac {1}{2}}arctan left({frac {2b}{a-c}}right),quad theta in [-45,45],\sigma _{X}^{2}&={frac {1}{2(acdot cos ^{2}theta +2bcdot cos theta sin theta +ccdot sin ^{2}theta )}},\sigma _{Y}^{2}&={frac {1}{2(acdot sin ^{2}theta -2bcdot cos theta sin theta +ccdot cos ^{2}theta )}}.end{aligned}}}

Example rotations of Gaussian blobs can be seen in the following examples:

Using the following Octave code, one can easily see the effect of changing the parameters:

A = 1;
x0 = 0; y0 = 0;

sigma_X = 1;
sigma_Y = 2;

[X, Y] = meshgrid(-5:.1:5, -5:.1:5);

for theta = 0:pi/100:pi
    a = cos(theta)^2 / (2 * sigma_X^2) + sin(theta)^2 / (2 * sigma_Y^2);
    b = sin(2 * theta) / (4 * sigma_X^2) - sin(2 * theta) / (4 * sigma_Y^2);
    c = sin(theta)^2 / (2 * sigma_X^2) + cos(theta)^2 / (2 * sigma_Y^2);

    Z = A * exp(-(a * (X - x0).^2 + 2 * b * (X - x0) .* (Y - y0) + c * (Y - y0).^2));

    surf(X, Y, Z);
    shading interp;
    view(-36, 36)
    waitforbuttonpress
end

Such functions are often used in image processing and in computational models of visual system function—see the articles on scale space and affine shape adaptation.

Also see multivariate normal distribution.

Higher-order Gaussian or super-Gaussian function[edit]

A more general formulation of a Gaussian function with a flat-top and Gaussian fall-off can be taken by raising the content of the exponent to a power P:

{displaystyle f(x)=Aexp left(-left({frac {(x-x_{0})^{2}}{2sigma _{X}^{2}}}right)^{P}right).}

This function is known as a super-Gaussian function and is often used for Gaussian beam formulation.[4] This function may also be expressed in terms of the full width at half maximum (FWHM), represented by w:

{displaystyle f(x)=Aexp left(-ln 2left(4{frac {(x-x_{0})^{2}}{w^{2}}}right)^{P}right).}

In a two-dimensional formulation, a Gaussian function along x and y can be combined[5] with potentially different P_X and {displaystyle P_{Y}} to form an elliptical Gaussian distribution:

{displaystyle f(x,y)=Aexp left(-left({frac {(x-x_{0})^{2}}{2sigma _{X}^{2}}}+{frac {(y-y_{0})^{2}}{2sigma _{Y}^{2}}}right)^{P}right)}

or a rectangular Gaussian distribution:

{displaystyle f(x,y)=Aexp left(-left({frac {(x-x_{0})^{2}}{2sigma _{X}^{2}}}right)^{P_{X}}-left({frac {(y-y_{0})^{2}}{2sigma _{Y}^{2}}}right)^{P_{Y}}right).}

Multi-dimensional Gaussian function[edit]

In an n-dimensional space a Gaussian function can be defined as

{displaystyle f(x)=exp(-x^{mathsf {T}}Cx),}

where {displaystyle x={begin{bmatrix}x_{1}&cdots &x_{n}end{bmatrix}}} is a column of n coordinates, C is a positive-definite ntimes n matrix, and {}^mathsf{T} denotes matrix transposition.

The integral of this Gaussian function over the whole n-dimensional space is given as

{displaystyle int _{mathbb {R} ^{n}}exp(-x^{mathsf {T}}Cx),dx={sqrt {frac {pi ^{n}}{det C}}}.}

It can be easily calculated by diagonalizing the matrix C and changing the integration variables to the eigenvectors of C.

More generally a shifted Gaussian function is defined as

{displaystyle f(x)=exp(-x^{mathsf {T}}Cx+s^{mathsf {T}}x),}

where {displaystyle s={begin{bmatrix}s_{1}&cdots &s_{n}end{bmatrix}}} is the shift vector and the matrix C can be assumed to be symmetric, {displaystyle C^{mathsf {T}}=C}, and positive-definite. The following integrals with this function can be calculated with the same technique:

{displaystyle int _{mathbb {R} ^{n}}e^{-x^{mathsf {T}}Cx+v^{mathsf {T}}x},dx={sqrt {frac {pi ^{n}}{det {C}}}}exp left({frac {1}{4}}v^{mathsf {T}}C^{-1}vright)equiv {mathcal {M}}.}

{displaystyle int _{mathbb {R} ^{n}}e^{-x^{mathsf {T}}Cx+v^{mathsf {T}}x}(a^{mathsf {T}}x),dx=(a^{T}u)cdot {mathcal {M}},{text{ where }}u={frac {1}{2}}C^{-1}v.}

{displaystyle int _{mathbb {R} ^{n}}e^{-x^{mathsf {T}}Cx+v^{mathsf {T}}x}(x^{mathsf {T}}Dx),dx=left(u^{mathsf {T}}Du+{frac {1}{2}}operatorname {tr} (DC^{-1})right)cdot {mathcal {M}}.}

{displaystyle {begin{aligned}&int _{mathbb {R} ^{n}}e^{-x^{mathsf {T}}C'x+s'^{mathsf {T}}x}left(-{frac {partial }{partial x}}Lambda {frac {partial }{partial x}}right)e^{-x^{mathsf {T}}Cx+s^{mathsf {T}}x},dx\&qquad =left(2operatorname {tr} (C'Lambda CB^{-1})+4u^{mathsf {T}}C'Lambda Cu-2u^{mathsf {T}}(C'Lambda s+CLambda s')+s'^{mathsf {T}}Lambda sright)cdot {mathcal {M}},end{aligned}}}

where {textstyle u={frac {1}{2}}B^{-1}v, v=s+s', B=C+C'.}

Estimation of parameters[edit]

A number of fields such as stellar photometry, Gaussian beam characterization, and emission/absorption line spectroscopy work with sampled Gaussian functions and need to accurately estimate the height, position, and width parameters of the function. There are three unknown parameters for a 1D Gaussian function (a, b, c) and five for a 2D Gaussian function {displaystyle (A;x_{0},y_{0};sigma _{X},sigma _{Y})}.

The most common method for estimating the Gaussian parameters is to take the logarithm of the data and fit a parabola to the resulting data set.[6][7] While this provides a simple curve fitting procedure, the resulting algorithm may be biased by excessively weighting small data values, which can produce large errors in the profile estimate. One can partially compensate for this problem through weighted least squares estimation, reducing the weight of small data values, but this too can be biased by allowing the tail of the Gaussian to dominate the fit. In order to remove the bias, one can instead use an iteratively reweighted least squares procedure, in which the weights are updated at each iteration.[7]
It is also possible to perform non-linear regression directly on the data, without involving the logarithmic data transformation; for more options, see probability distribution fitting.

Parameter precision[edit]

Once one has an algorithm for estimating the Gaussian function parameters, it is also important to know how precise those estimates are. Any least squares estimation algorithm can provide numerical estimates for the variance of each parameter (i.e., the variance of the estimated height, position, and width of the function). One can also use Cramér–Rao bound theory to obtain an analytical expression for the lower bound on the parameter variances, given certain assumptions about the data.[8][9]

  1. The noise in the measured profile is either i.i.d. Gaussian, or the noise is Poisson-distributed.
  2. The spacing between each sampling (i.e. the distance between pixels measuring the data) is uniform.
  3. The peak is “well-sampled”, so that less than 10% of the area or volume under the peak (area if a 1D Gaussian, volume if a 2D Gaussian) lies outside the measurement region.
  4. The width of the peak is much larger than the distance between sample locations (i.e. the detector pixels must be at least 5 times smaller than the Gaussian FWHM).

When these assumptions are satisfied, the following covariance matrix K applies for the 1D profile parameters a, b, and c under i.i.d. Gaussian noise and under Poisson noise:[8]

{displaystyle mathbf {K} _{text{Gauss}}={frac {sigma ^{2}}{{sqrt {pi }}delta _{X}Q^{2}}}{begin{pmatrix}{frac {3}{2c}}&0&{frac {-1}{a}}\0&{frac {2c}{a^{2}}}&0\{frac {-1}{a}}&0&{frac {2c}{a^{2}}}end{pmatrix}} ,qquad mathbf {K} _{text{Poiss}}={frac {1}{sqrt {2pi }}}{begin{pmatrix}{frac {3a}{2c}}&0&-{frac {1}{2}}\0&{frac {c}{a}}&0\-{frac {1}{2}}&0&{frac {c}{2a}}end{pmatrix}} ,}

where delta _{X} is the width of the pixels used to sample the function, Q is the quantum efficiency of the detector, and sigma indicates the standard deviation of the measurement noise. Thus, the individual variances for the parameters are, in the Gaussian noise case,

{displaystyle {begin{aligned}operatorname {var} (a)&={frac {3sigma ^{2}}{2{sqrt {pi }},delta _{X}Q^{2}c}}\operatorname {var} (b)&={frac {2sigma ^{2}c}{delta _{X}{sqrt {pi }},Q^{2}a^{2}}}\operatorname {var} (c)&={frac {2sigma ^{2}c}{delta _{X}{sqrt {pi }},Q^{2}a^{2}}}end{aligned}}}

and in the Poisson noise case,

{displaystyle {begin{aligned}operatorname {var} (a)&={frac {3a}{2{sqrt {2pi }},c}}\operatorname {var} (b)&={frac {c}{{sqrt {2pi }},a}}\operatorname {var} (c)&={frac {c}{2{sqrt {2pi }},a}}.end{aligned}}}

For the 2D profile parameters giving the amplitude A, position (x_{0},y_{0}), and width {displaystyle (sigma _{X},sigma _{Y})} of the profile, the following covariance matrices apply:[9]

{displaystyle {begin{aligned}mathbf {K} _{text{Gauss}}={frac {sigma ^{2}}{pi delta _{X}delta _{Y}Q^{2}}}&{begin{pmatrix}{frac {2}{sigma _{X}sigma _{Y}}}&0&0&{frac {-1}{Asigma _{Y}}}&{frac {-1}{Asigma _{X}}}\0&{frac {2sigma _{X}}{A^{2}sigma _{Y}}}&0&0&0\0&0&{frac {2sigma _{Y}}{A^{2}sigma _{X}}}&0&0\{frac {-1}{Asigma _{y}}}&0&0&{frac {2sigma _{X}}{A^{2}sigma _{y}}}&0\{frac {-1}{Asigma _{X}}}&0&0&0&{frac {2sigma _{Y}}{A^{2}sigma _{X}}}end{pmatrix}}\[6pt]mathbf {K} _{operatorname {Poisson} }={frac {1}{2pi }}&{begin{pmatrix}{frac {3A}{sigma _{X}sigma _{Y}}}&0&0&{frac {-1}{sigma _{Y}}}&{frac {-1}{sigma _{X}}}\0&{frac {sigma _{X}}{Asigma _{Y}}}&0&0&0\0&0&{frac {sigma _{Y}}{Asigma _{X}}}&0&0\{frac {-1}{sigma _{Y}}}&0&0&{frac {2sigma _{X}}{3Asigma _{Y}}}&{frac {1}{3A}}\{frac {-1}{sigma _{X}}}&0&0&{frac {1}{3A}}&{frac {2sigma _{Y}}{3Asigma _{X}}}end{pmatrix}}.end{aligned}}}

where the individual parameter variances are given by the diagonal elements of the covariance matrix.

Discrete Gaussian[edit]

One may ask for a discrete analog to the Gaussian;
this is necessary in discrete applications, particularly digital signal processing. A simple answer is to sample the continuous Gaussian, yielding the sampled Gaussian kernel. However, this discrete function does not have the discrete analogs of the properties of the continuous function, and can lead to undesired effects, as described in the article scale space implementation.

An alternative approach is to use the discrete Gaussian kernel:[10]

{displaystyle T(n,t)=e^{-t}I_{n}(t)}

where I_{n}(t) denotes the modified Bessel functions of integer order.

This is the discrete analog of the continuous Gaussian in that it is the solution to the discrete diffusion equation (discrete space, continuous time), just as the continuous Gaussian is the solution to the continuous diffusion equation.[10][11]

Applications[edit]

Gaussian functions appear in many contexts in the natural sciences, the social sciences, mathematics, and engineering. Some examples include:

  • In statistics and probability theory, Gaussian functions appear as the density function of the normal distribution, which is a limiting probability distribution of complicated sums, according to the central limit theorem.
  • Gaussian functions are the Green’s function for the (homogeneous and isotropic) diffusion equation (and to the heat equation, which is the same thing), a partial differential equation that describes the time evolution of a mass-density under diffusion. Specifically, if the mass-density at time t=0 is given by a Dirac delta, which essentially means that the mass is initially concentrated in a single point, then the mass-distribution at time t will be given by a Gaussian function, with the parameter a being linearly related to 1/t and c being linearly related to t; this time-varying Gaussian is described by the heat kernel. More generally, if the initial mass-density is φ(x), then the mass-density at later times is obtained by taking the convolution of φ with a Gaussian function. The convolution of a function with a Gaussian is also known as a Weierstrass transform.
  • A Gaussian function is the wave function of the ground state of the quantum harmonic oscillator.
  • The molecular orbitals used in computational chemistry can be linear combinations of Gaussian functions called Gaussian orbitals (see also basis set (chemistry)).
  • Mathematically, the derivatives of the Gaussian function can be represented using Hermite functions. For unit variance, the n-th derivative of the Gaussian is the Gaussian function itself multiplied by the n-th Hermite polynomial, up to scale.
  • Consequently, Gaussian functions are also associated with the vacuum state in quantum field theory.
  • Gaussian beams are used in optical systems, microwave systems and lasers.
  • In scale space representation, Gaussian functions are used as smoothing kernels for generating multi-scale representations in computer vision and image processing. Specifically, derivatives of Gaussians (Hermite functions) are used as a basis for defining a large number of types of visual operations.
  • Gaussian functions are used to define some types of artificial neural networks.
  • In fluorescence microscopy a 2D Gaussian function is used to approximate the Airy disk, describing the intensity distribution produced by a point source.
  • In signal processing they serve to define Gaussian filters, such as in image processing where 2D Gaussians are used for Gaussian blurs. In digital signal processing, one uses a discrete Gaussian kernel, which may be defined by sampling a Gaussian, or in a different way.
  • In geostatistics they have been used for understanding the variability between the patterns of a complex training image. They are used with kernel methods to cluster the patterns in the feature space.[12]

See also[edit]

  • Normal distribution
  • Lorentzian function
  • Radial basis function kernel

References[edit]

  1. ^ Squires, G. L. (2001-08-30). Practical Physics (4 ed.). Cambridge University Press. doi:10.1017/cbo9781139164498. ISBN 978-0-521-77940-1.
  2. ^ Weisstein, Eric W. “Fourier Transform – Gaussian”. MathWorld. Retrieved 19 December 2013.
  3. ^ Nawri, Nikolai. “Berechnung von Kovarianzellipsen” (PDF). Archived from the original (PDF) on 2019-08-14. Retrieved 14 August 2019.
  4. ^ Parent, A., M. Morin, and P. Lavigne. “Propagation of super-Gaussian field distributions”. Optical and Quantum Electronics 24.9 (1992): S1071–S1079.
  5. ^ “GLAD optical software commands manual, Entry on GAUSSIAN command” (PDF). Applied Optics Research. 2016-12-15.
  6. ^ Caruana, Richard A.; Searle, Roger B.; Heller, Thomas.; Shupack, Saul I. (1986). “Fast algorithm for the resolution of spectra”. Analytical Chemistry. American Chemical Society (ACS). 58 (6): 1162–1167. doi:10.1021/ac00297a041. ISSN 0003-2700.
  7. ^ a b Hongwei Guo, “A simple algorithm for fitting a Gaussian function,” IEEE Sign. Proc. Mag. 28(9): 134-137 (2011).
  8. ^ a b N. Hagen, M. Kupinski, and E. L. Dereniak, “Gaussian profile estimation in one dimension,” Appl. Opt. 46:5374–5383 (2007)
  9. ^ a b N. Hagen and E. L. Dereniak, “Gaussian profile estimation in two dimensions,” Appl. Opt. 47:6842–6851 (2008)
  10. ^ a b Lindeberg, T., “Scale-space for discrete signals,” PAMI(12), No. 3, March 1990, pp. 234–254.
  11. ^ Campbell, J, 2007, The SMM model as a boundary value problem using the discrete diffusion equation, Theor Popul Biol. 2007 Dec;72(4):539–46.
  12. ^ Honarkhah, M and Caers, J, 2010, Stochastic Simulation of Patterns Using Distance-Based Pattern Modeling, Mathematical Geosciences, 42: 487–517

External links[edit]

  • Mathworld, includes a proof for the relations between c and FWHM
  • “Integrating The Bell Curve”. MathPages.com.
  • Haskell, Erlang and Perl implementation of Gaussian distribution
  • Bensimhoun Michael, N-Dimensional Cumulative Function, And Other Useful Facts About Gaussians and Normal Densities (2009)
  • Code for fitting Gaussians in ImageJ and Fiji.

Эта статья — о гауссовой функции в общей форме. О её частном случае — функции плотности нормального распределения, также называемой гауссовой — см. Нормальное распределение.

Гауссова функция (гауссиан, гауссиана, функция Гаусса) — вещественная функция, описываемая следующей формулой:

{displaystyle gleft(xright)=ae^{-{frac {(x-b)^{2}}{2c^{2}}}}},

где параметры a,b,c — произвольные вещественные числа. Введена Гауссом в 1809 году как функция плотности нормального распределения, и наибольшее значение имеет в этом качестве, в этом случае параметры выражаются через среднеквадратическое отклонение sigma и математическое ожидание mu :

{displaystyle a={frac {1}{sigma {sqrt {2pi }}}}}, {displaystyle b=mu }, {displaystyle c=sigma },

Форма графика плотности нормального распределения в зависимости от математического ожидания mu и среднеквадратичного отклонения sigma

График гауссовой функции при a>0 и cneq 0 — колоколообразная кривая, параметр a определяет максимальную высоту графика — пик колокола, b отвечает за сдвиг пика от нуля (при b=0 — пик в нуле), а c влияет на ширину (размах) колокола.

Существуют многомерные обобщения функции[⇨]. Кроме применений в теории вероятностей, статистике и других многочисленных приложениях как функции плотности нормального распределения, гауссиана имеет самостоятельное значение[⇨] в математическом анализе, математической физике, теории обработки сигналов.

Свойства[править | править код]

Свойства гауссовой функции связаны с её конструкцией из экспоненциальной функции и вогнутой квадратичной функции, логарифм гауссианы — вогнутая квадратичная функция.

Параметр c связан с полушириной колокола графика следующим образом:

{displaystyle w=2{sqrt {2ln 2}} capprox 2{,}35482cdot c}.

Гауссова функция может быть выражена через полуширину w колокола графика следующим образом:

{displaystyle g(x)=ae^{-{frac {4ln(2)(x-b)^{2}}{w^{2}}}}}.

Перегибы g(x) — две точки, в которых {displaystyle x=bpm c}.

Гауссова функция аналитична, в пределе к обеим бесконечностям стремится к нулю:

{displaystyle lim _{xto pm infty }g(x)=0}.

Будучи составленной из экспоненциальной функции и арифметических операций, гауссиана является элементарной, однако её первообразная неэлементарна;
интеграл гауссовой функции:

{displaystyle int limits _{0}^{x}e^{-t^{2}},mathrm {d} t}

— это (с точностью до постоянного множителя) — функция ошибок, являющаяся спецфункцией.
При этом интеграл по всей числовой прямой (в связи со свойствами экспоненциальной функции) — константа[1]:

{displaystyle int _{-infty }^{infty }ae^{-{(x-b)^{2} over 2c^{2}}},dx=accdot {sqrt {2pi }}}.

Этот интеграл обращается в единицу только при условии:

{displaystyle a={frac {1}{c{sqrt {2pi }}}}},

и это даёт в точности тот случай, когда гауссиана является функцией плотности нормального распределения случайной переменной с математическим ожиданием {displaystyle mu =b} и дисперсией {displaystyle sigma ^{2}=c^{2}}.

Произведение гауссиан — гауссова функция; свёртка двух гауссовых функций даёт гауссову функцию, притом параметр c свёртки выражается из соответствующих параметров входящих в неё гауссиан: {displaystyle c^{2}=c_{1}^{2}+c_{2}^{2}}. Произведение двух функций плотности нормального распределения, являясь гауссовой функцией, в общем случае не дает функцию плотности нормального распределения.

Многомерные обобщения[править | править код]

Двумерная гауссиана, коэффициенты (в общей форме):
A=1,
{displaystyle (x_{0},y_{0})=(0,0)},
{displaystyle a=c=1/2},
{displaystyle b=0}

Пример двумерного варианта гауссовой функции:

{displaystyle g(x,y)=Acdot e^{left(-left({frac {(x-x_{0})^{2}}{2sigma _{x}^{2}}}+{frac {(y-y_{0})^{2}}{2sigma _{y}^{2}}}right)right)}},

здесь A задаёт высоту колокола, (x_0, y_0) определяют сдвиг пика колокола от нулевой абсциссы, а {displaystyle (sigma _{x},sigma _{y})} отвечают за размах колокола. Объём под такой поверхностью:

{displaystyle V=int _{-infty }^{infty }int _{-infty }^{infty }g(x,y),dx,dy=2pi Asigma _{x}sigma _{y}}

В наиболее общей форме, двумерная гауссиана определяется следующим образом:

{displaystyle g(x,y)=Aexp left(-left(a(x-x_{0})^{2}+2b(x-x_{0})(y-y_{0})+c(y-y_{0})^{2}right)right)},

где матрица:

{displaystyle left[{begin{matrix}a&b\b&cend{matrix}}right]}

положительно определена.

Вариант гауссовой функции в n-мерном евклидовом пространстве:

{displaystyle g(x)=exp(-x^{T}Ax)},

где {displaystyle x=(x_{1},dots ,x_{n})} — вектор-столбец из n компонентов, A — положительно определённая матрица размера ntimes n, и {displaystyle x^{T}} — операция транспонирования над x.

Интеграл такой гауссовой функции над всем пространством mathbb {R} ^{n}:

{displaystyle int _{mathbb {R} ^{n}}exp(-x^{T}Ax),dx={sqrt {frac {pi ^{n}}{det A}}}}.

Возможно определить n-мерный вариант и со сдвигом:

{displaystyle g(x)=exp(-x^{T}Ax+s^{T}x)},

где {displaystyle s=(s_{1},dots ,s_{n})} — вектор сдвига, а матрица A — симметричная (A^{T}=A) и положительно определённая.

Супергауссова функция[править | править код]

Супергауссова функция — обобщение гауссовой функции, в которой аргумент экспоненты возводится в степень P:

{displaystyle sg(x)=Aexp left(-left({frac {(x-x_{o})^{2}}{2sigma _{x}^{2}}}right)^{P}right)},

получившая применение для описания свойств гауссовых пучков[2]. В двумерном случае супергауссова функция может быть рассмотрена с различными степенями по аргументам {displaystyle P_{x}} и {displaystyle P_{y}}[3]:

{displaystyle sg(x,y)=Aexp left(-left({frac {(x-x_{o})^{2}}{2sigma _{x}^{2}}}right)^{P_{x}}-left({frac {(y-y_{o})^{2}}{2sigma _{y}^{2}}}right)^{P_{y}}right)}.

Применения[править | править код]

Основное применение гауссовых функций и многомерных обобщений — в роли функции плотности вероятности нормального распределения и многомерного нормального распределения. Самостоятельное значение функция имеет для ряда уравнений математической физики, в частности, гауссианы являются функциями Грина для уравнения гомогенной и изотропной диффузии (соответственно, и для уравнения теплопроводности), и преобразование Вейерштрасса — операция свёртки обобщённой функции, выражающей начальные условия уравнения, с гауссовой функцией. Также гауссиана является волновой функцией основного состояния квантового гармонического осциллятора.

В вычислительной химии для определения молекулярных орбиталей используются так называемые гауссовы орбитали[en] — линейные комбинации гауссовых функций.

Гауссовы функции и их дискретные аналоги (такие, как дискретное гауссово ядро[en]) используются в цифровой обработке сигналов, обработке изображений, синтезе звука[4]; в частности, через гауссианы определяются гауссов фильтр и гауссово размытие[en]. В определении отдельных видов искусственных нейронных сетей также участвуют гауссовы функции.

Примечания[править | править код]

  1. Кампос, 2014, p. 1—2.
  2. A. Parent, M. Morin, P. Lavigne. Propagation of super-Gaussian field distributions // Optical and quantum electronics. — 1992. — № 9. — P. S1071—S1079.
  3. GLAD optical software commands manual, Entry on GAUSSIAN command. Applied Optics Research (15 декабря 2016). Архивировано 10 июня 2017 года.
  4. C. R. Popa. Current-mode Analog Nonlinear Function Synthesizer Structures. — Springer Switzerland, 2013. — С. 59. — 198 с. — ISBN 983-3-319-01035-9.

Литература[править | править код]

  • L. M. B. C. Campos. 1.1. Evaluation of Integrals of Gaussian Functions // Generalized Calculus with Applications to Matter and Forces. — Boca Raton: CRC Press, 2014. — 823 с. — ISBN 978-1-4200-7115-3.

Ссылки[править | править код]

  • Weisstein, Eric W. Gaussian Function (англ.) на сайте Wolfram MathWorld.
  • Integrating The Bell Curve / MathPages (англ.)

Добавил:

Upload

Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Предмет:

Файл:

Методичка_лаб_ Эконометрия.doc

Скачиваний:

17

Добавлен:

20.11.2019

Размер:

9 Mб

Скачать

Значения функции Гаусса

0

0,3989

0,7

0,3123

1,4

0,1497

2,1

0,0440

2,8

0,0079

3,5

0,0009

0,01

0,3989

0,71

0,3101

1,41

0,1476

2,11

0,0431

2,81

0,0077

3,51

0,0008

0,02

0,3989

0,72

0,3079

1,42

0,1456

2,12

0,0422

2,82

0,0075

3,52

0,0008

0,03

0,3988

0,73

0,3056

1,43

0,1435

2,13

0,0413

2,83

0,0073

3,53

0,0008

0,04

0,3986

0,74

0,3034

1,44

0,1415

2,14

0,0404

2,84

0,0071

3,54

0,0008

0,05

0,3984

0,75

0,3011

1,45

0,1394

2,15

0,0396

2,85

0,0069

3,55

0,0007

0,06

0,3982

0,76

0,2989

1,46

0,1374

2,16

0,0387

2,86

0,0067

3,56

0,0007

0,07

0,3980

0,77

0,2966

1,47

0,1354

2,17

0,0379

2,87

0,0065

3,57

0,0007

0,08

0,3977

0,78

0,2943

1,48

0,1334

2,18

0,0371

2,88

0,0063

3,58

0,0007

0,09

0,3973

0,79

0,2920

1,49

0,1315

2,19

0,0363

2,89

0,0061

3,59

0,0006

0,1

0,3970

0,8

0,2897

1,5

0,1295

2,2

0,0355

2,9

0,0060

3,6

0,0006

0,11

0,3965

0,81

0,2874

1,51

0,1276

2,21

0,0347

2,91

0,0058

3,61

0,0006

0,12

0,3961

0,82

0,2850

1,52

0,1257

2,22

0,0339

2,92

0,0056

3,62

0,0006

0,13

0,3956

0,83

0,2827

1,53

0,1238

2,23

0,0332

2,93

0,0055

3,63

0,0005

0,14

0,3951

0,84

0,2803

1,54

0,1219

2,24

0,0325

2,94

0,0053

3,64

0,0005

0,15

0,3945

0,85

0,2780

1,55

0,1200

2,25

0,0317

2,95

0,0051

3,65

0,0005

0,16

0,3939

0,86

0,2756

1,56

0,1182

2,26

0,0310

2,96

0,0050

3,66

0,0005

0,17

0,3932

0,87

0,2732

1,57

0,1163

2,27

0,0303

2,97

0,0048

3,67

0,0005

0,18

0,3925

0,88

0,2709

1,58

0,1145

2,28

0,0297

2,98

0,0047

3,68

0,0005

0,19

0,3918

0,89

0,2685

1,59

0,1127

2,29

0,0290

2,99

0,0046

3,69

0,0004

0,2

0,3910

0,9

0,2661

1,6

0,1109

2,3

0,0283

3

0,0044

3,7

0,0004

0,21

0,3902

0,91

0,2637

1,61

0,1092

2,31

0,0277

3,01

0,0043

3,71

0,0004

0,22

0,3894

0,92

0,2613

1,62

0,1074

2,32

0,0270

3,02

0,0042

3,72

0,0004

0,23

0,3885

0,93

0,2589

1,63

0,1057

2,33

0,0264

3,03

0,0040

3,73

0,0004

0,24

0,3876

0,94

0,2565

1,64

0,1040

2,34

0,0258

3,04

0,0039

3,74

0,0004

0,25

0,3867

0,95

0,2541

1,65

0,1023

2,35

0,0252

3,05

0,0038

3,75

0,0004

0,26

0,3857

0,96

0,2516

1,66

0,1006

2,36

0,0246

3,06

0,0037

3,76

0,0003

0,27

0,3847

0,97

0,2492

1,67

0,0989

2,37

0,0241

3,07

0,0036

3,77

0,0003

0,28

0,3836

0,98

0,2468

1,68

0,0973

2,38

0,0235

3,08

0,0035

3,78

0,0003

0,29

0,3825

0,99

0,2444

1,69

0,0957

2,39

0,0229

3,09

0,0034

3,79

0,0003

0,3

0,3814

1

0,2420

1,7

0,0940

2,4

0,0224

3,1

0,0033

3,8

0,0003

0,31

0,3802

1,01

0,2396

1,71

0,0925

2,41

0,0219

3,11

0,0032

3,81

0,0003

0,32

0,3790

1,02

0,2371

1,72

0,0909

2,42

0,0213

3,12

0,0031

3,82

0,0003

0,33

0,3778

1,03

0,2347

1,73

0,0893

2,43

0,0208

3,13

0,0030

3,83

0,0003

0,34

0,3765

1,04

0,2323

1,74

0,0878

2,44

0,0203

3,14

0,0029

3,84

0,0003

0,35

0,3752

1,05

0,2299

1,75

0,0863

2,45

0,0198

3,15

0,0028

3,85

0,0002

0,36

0,3739

1,06

0,2275

1,76

0,0848

2,46

0,0194

3,16

0,0027

3,86

0,0002

0,37

0,3725

1,07

0,2251

1,77

0,0833

2,47

0,0189

3,17

0,0026

3,87

0,0002

0,38

0,3712

1,08

0,2227

1,78

0,0818

2,48

0,0184

3,18

0,0025

3,88

0,0002

0,39

0,3697

1,09

0,2203

1,79

0,0804

2,49

0,0180

3,19

0,0025

3,89

0,0002

0,4

0,3683

1,1

0,2179

1,8

0,0790

2,5

0,0175

3,2

0,0024

3,9

0,0002

0,41

0,3668

1,11

0,2155

1,81

0,0775

2,51

0,0171

3,21

0,0023

3,91

0,0002

0,42

0,3653

1,12

0,2131

1,82

0,0761

2,52

0,0167

3,22

0,0022

3,92

0,0002

0,43

0,3637

1,13

0,2107

1,83

0,0748

2,53

0,0163

3,23

0,0022

3,93

0,0002

0,44

0,3621

1,14

0,2083

1,84

0,0734

2,54

0,0158

3,24

0,0021

3,94

0,0002

0,45

0,3605

1,15

0,2059

1,85

0,0721

2,55

0,0154

3,25

0,0020

3,95

0,0002

0,46

0,3589

1,16

0,2036

1,86

0,0707

2,56

0,0151

3,26

0,0020

3,96

0,0002

Продолжение
таблицы
Б.5

0,47

0,3572

1,17

0,2012

1,87

0,0694

2,57

0,0147

3,27

0,0019

3,97

0,0002

0,48

0,3555

1,18

0,1989

1,88

0,0681

2,58

0,0143

3,28

0,0018

3,98

0,0001

0,49

0,3538

1,19

0,1965

1,89

0,0669

2,59

0,0139

3,29

0,0018

3,99

0,0001

0,5

0,3521

1,2

0,1942

1,9

0,0656

2,6

0,0136

3,3

0,0017

4

0,0001

0,51

0,3503

1,21

0,1919

1,91

0,0644

2,61

0,0132

3,31

0,0017

4,01

0,0001

0,52

0,3485

1,22

0,1895

1,92

0,0632

2,62

0,0129

3,32

0,0016

4,02

0,0001

0,53

0,3467

1,23

0,1872

1,93

0,0620

2,63

0,0126

3,33

0,0016

4,03

0,0001

0,54

0,3448

1,24

0,1849

1,94

0,0608

2,64

0,0122

3,34

0,0015

4,04

0,0001

0,55

0,3429

1,25

0,1826

1,95

0,0596

2,65

0,0119

3,35

0,0015

4,05

0,0001

0,56

0,3410

1,26

0,1804

1,96

0,0584

2,66

0,0116

3,36

0,0014

4,06

0,0001

0,57

0,3391

1,27

0,1781

1,97

0,0573

2,67

0,0113

3,37

0,0014

4,07

0,0001

0,58

0,3372

1,28

0,1758

1,98

0,0562

2,68

0,0110

3,38

0,0013

4,08

0,0001

0,59

0,3352

1,29

0,1736

1,99

0,0551

2,69

0,0107

3,39

0,0013

4,09

0,0001

0,6

0,3332

1,3

0,1714

2

0,0540

2,7

0,0104

3,4

0,0012

4,1

0,0001

0,61

0,3312

1,31

0,1691

2,01

0,0529

2,71

0,0101

3,41

0,0012

4,11

0,0001

0,62

0,3292

1,32

0,1669

2,02

0,0519

2,72

0,0099

3,42

0,0012

4,12

0,0001

0,63

0,3271

1,33

0,1647

2,03

0,0508

2,73

0,0096

3,43

0,0011

4,13

0,0001

0,64

0,3251

1,34

0,1626

2,04

0,0498

2,74

0,0093

3,44

0,0011

4,14

0,0001

0,65

0,3230

1,35

0,1604

2,05

0,0488

2,75

0,0091

3,45

0,0010

4,15

0,0001

0,66

0,3209

1,36

0,1582

2,06

0,0478

2,76

0,0088

3,46

0,0010

4,16

0,0001

0,67

0,3187

1,37

0,1561

2,07

0,0468

2,77

0,0086

3,47

0,0010

4,17

0,0001

0,68

0,3166

1,38

0,1539

2,08

0,0459

2,78

0,0084

3,48

0,0009

4,18

0,0001

0,69

0,3144

1,39

0,1518

2,09

0,0449

2,79

0,0081

3,49

0,0009

4,19

0,0001

Например,
требуется определить ординату функции
Гаусса в точке

(рис. Б.1). Имеем (в табл. Б.5 выделено жирным
шрифтом):

.

Рис. Б.1.
Графическая иллюстрация работы с табл.
Б.5

Напомним, что функция Гаусса – чётная,
т.е.

.
Кроме того,

,
т.е. является плотностью нормированного
нормального распределения.

Таблица
Б.6.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #

Добавить комментарий