WikiSort.ru - Не сортированное

Функция ошибок (также упоминается как интеграл вероятности) — неэлементарная функция, возникающая в теории вероятностей, статистике и теории дифференциальных уравнений в частных производных. Она определяется как

${\displaystyle \operatorname {erf} \,x={\frac {2}{\sqrt {\pi }}}\int \limits _{0}^{x}e^{-t^{2}}\,\mathrm {d} t}$ .

Дополнительная функция ошибок, обозначаемая ${\displaystyle \operatorname {erfc} \,x}$ (иногда применяется обозначение ${\displaystyle \operatorname {Erf} \,x}$ ) определяется через функцию ошибок:

${\displaystyle \operatorname {erfc} \,x=1-\operatorname {erf} \,x={\frac {2}{\sqrt {\pi }}}\int \limits _{x}^{\infty }e^{-t^{2}}\,\mathrm {d} t}$ .

Комплексная функция ошибок, обозначаемая ${\displaystyle w(x)}$ , также определяется через функцию ошибок:

${\displaystyle w(x)=e^{-x^{2}}\operatorname {erfc} \,(-ix)}$ .

Свойства

• Функция ошибок нечётна:

${\displaystyle \operatorname {erf} \,(-x)=-\operatorname {erf} \,x.}$

• Для любого комплексного ${\displaystyle x}$ выполняется

${\displaystyle \operatorname {erf} \,{\bar {x}}={\overline {\operatorname {erf} \,x}}}$

где черта обозначает комплексное сопряжение числа ${\displaystyle x}$ .

• Функция ошибок не может быть представлена через элементарные функции, но, разлагая интегрируемое выражение в ряд Тейлора и интегрируя почленно, мы можем получить её представление в виде ряда:

${\displaystyle \operatorname {erf} \,x={\frac {2}{\sqrt {\pi }}}\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {(-1)^{n}x^{2n+1}}{n!(2n+1)}}={\frac {2}{\sqrt {\pi }}}\left(x-{\frac {x^{3}}{3}}+{\frac {x^{5}}{10}}-{\frac {x^{7}}{42}}+{\frac {x^{9}}{216}}-\ \cdots \right)}$

Это равенство выполняется (и ряд сходится) как для любого вещественного ${\displaystyle x}$ , так и на всей комплексной плоскости, согласно признаку Д’Аламбера. Последовательность знаменателей образует последовательность A007680 в OEIS.

• Для итеративного вычисления элементов ряда полезно представить его в альтернативном виде:

${\displaystyle \operatorname {erf} \,x={\frac {2}{\sqrt {\pi }}}\sum _{n=0}^{\infty }\left(x\prod _{i=1}^{n}{\frac {-(2i-1)x^{2}}{i(2i+1)}}\right)={\frac {2}{\sqrt {\pi }}}\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {x}{2n+1}}\prod _{i=1}^{n}{\frac {-x^{2}}{i}}}$

поскольку ${\displaystyle {\frac {-(2i-1)x^{2}}{i(2i+1)}}}$  — сомножитель, превращающий ${\displaystyle i}$ -й член ряда в ${\displaystyle (i+1)}$ -й, считая первым членом ${\displaystyle x}$ .

• Функция ошибок на бесконечности равна единице; однако это справедливо только при приближении к бесконечности по вещественной оси, так как:

• При рассмотрении функции ошибок в комплексной плоскости точка ${\displaystyle z=\infty }$ будет для неё существенно особой.

• Производная функции ошибок выводится непосредственно из определения функции:

${\displaystyle {\frac {d}{dx}}\,\operatorname {erf} \,x={\frac {2}{\sqrt {\pi }}}\,e^{-x^{2}}.}$

• Первообразная функции ошибок, получаемая способом интегрирования по частям:

${\displaystyle x\operatorname {erf} (x)+{\frac {e^{-x^{2}}}{\sqrt {\pi }}}.}$

• Обратная функция ошибок представляет собой ряд

${\displaystyle \operatorname {erf} ^{-1}\,x=\sum _{k=0}^{\infty }{\frac {c_{k}}{2k+1}}\left({\frac {\sqrt {\pi }}{2}}x\right)^{2k+1},}$

где c₀ = 1 и

${\displaystyle c_{k}=\sum _{m=0}^{k-1}{\frac {c_{m}c_{k-1-m}}{(m+1)(2m+1)}}=\left\{1,1,{\frac {7}{6}},{\frac {127}{90}},\ldots \right\}.}$

Поэтому ряд можно представить в следующем виде (заметим, что дроби сокращены):

${\displaystyle \operatorname {erf} ^{-1}\,x={\frac {1}{2}}{\sqrt {\pi }}\left(x+{\frac {\pi x^{3}}{12}}+{\frac {7\pi ^{2}x^{5}}{480}}+{\frac {127\pi ^{3}x^{7}}{40320}}+{\frac {4369\pi ^{4}x^{9}}{5806080}}+{\frac {34807\pi ^{5}x^{11}}{182476800}}+\dots \right).}$

Последовательности числителей и знаменателей после сокращения — A092676 и A132467 в OEIS; последовательность числителей до сокращения — A002067 в OEIS.

Применение

Если набор случайных величин подчиняется нормальному распределению со стандартным отклонением ${\displaystyle \sigma }$ , то вероятность, что величина отклонится от среднего не более чем на ${\displaystyle a}$ , равна ${\displaystyle \operatorname {erf} \,{\frac {a}{\sigma {\sqrt {2}}}}}$ .

Функция ошибок и дополнительная функция ошибок встречаются в решении некоторых дифференциальных уравнений, например, уравнения теплопроводности с начальными условиями, описываемыми функцией Хевисайда («ступенькой»).

В системах цифровой оптической коммуникации, вероятность ошибки на бит также выражается формулой, использующей функцию ошибок.

Асимптотическое разложение

При больших ${\displaystyle x}$ полезно асимптотическое разложение для дополнительной функции ошибок:

${\displaystyle \operatorname {erfc} \,x={\frac {e^{-x^{2}}}{x{\sqrt {\pi }}}}\left[1+\sum _{n=1}^{\infty }(-1)^{n}{\frac {1\cdot 3\cdot 5\cdots (2n-1)}{(2x^{2})^{n}}}\right]={\frac {e^{-x^{2}}}{x{\sqrt {\pi }}}}\sum _{n=0}^{\infty }(-1)^{n}{\frac {(2n)!}{n!(2x)^{2n}}}.}$

Хотя для любого конечного ${\displaystyle x}$ этот ряд расходится, на практике первых нескольких членов достаточно для вычисления ${\displaystyle \operatorname {erfc} \,x}$ с хорошей точностью, в то время как ряд Тейлора сходится очень медленно.

Другое приближение даётся формулой

${\displaystyle (\operatorname {erf} \,x)^{2}\approx 1-\exp \left(-x^{2}{\frac {4/\pi +ax^{2}}{1+ax^{2}}}\right)}$

где

${\displaystyle a={\frac {8}{3\pi }}{\frac {3-\pi }{\pi -4}}.}$

Родственные функции

С точностью до масштаба и сдвига, функция ошибок совпадает с нормальным интегральным распределением, обозначаемым ${\displaystyle \Phi (x)}$

${\displaystyle \Phi (x)={\frac {1}{2}}{\biggl (}1+\operatorname {erf} \,{\frac {x}{\sqrt {2}}}{\biggl )}.}$

Обратная функция к ${\displaystyle \Phi }$ , известная как нормальная квантильная функция, иногда обозначается ${\displaystyle \operatorname {probit} }$ и выражается через нормальную функцию ошибок как

${\displaystyle \operatorname {probit} \,p=\Phi ^{-1}(p)={\sqrt {2}}\,\operatorname {erf} ^{-1}(2p-1).}$

Нормальное интегральное распределение чаще применяется в теории вероятностей и математической статистике, в то время как функция ошибок чаще применяется в других разделах математики.

Функция ошибок является частным случаем функции Миттаг-Леффлера, а также может быть представлена как вырожденная гипергеометрическая функция (функция Куммера):

${\displaystyle \operatorname {erf} \,x={\frac {2x}{\sqrt {\pi }}}\,_{1}F_{1}\left({\frac {1}{2}},{\frac {3}{2}},-x^{2}\right).}$

Функция ошибок выражается также через интеграл Френеля. В терминах регуляризованной неполной гамма-функции P и неполной гамма-функции,

${\displaystyle \operatorname {erf} \,x=\operatorname {sign} \,x\,P\left({\frac {1}{2}},x^{2}\right)={\operatorname {sign} \,x \over {\sqrt {\pi }}}\gamma \left({\frac {1}{2}},x^{2}\right).}$

Обобщённые функции ошибок

Некоторые авторы обсуждают более общие функции

${\displaystyle E_{n}(x)={\frac {n!}{\sqrt {\pi }}}\int \limits _{0}^{x}e^{-t^{n}}\,\mathrm {d} t={\frac {n!}{\sqrt {\pi }}}\sum _{p=0}^{\infty }(-1)^{p}{\frac {x^{np+1}}{(np+1)p!}}\,.}$

Примечательными частными случаями являются:

• ${\displaystyle E_{0}(x)}$  — прямая линия, проходящая через начало координат: ${\displaystyle E_{0}(x)={\frac {x}{e{\sqrt {\pi }}}}}$
• ${\displaystyle E_{2}(x)}$  — функция ошибок ${\displaystyle \operatorname {erf} \,x}$ .

После деления на ${\displaystyle n!}$ все ${\displaystyle E_{n}}$ с нечётными ${\displaystyle n}$ выглядят похоже (но не идентично). Все ${\displaystyle E_{n}}$ с чётными ${\displaystyle n}$ тоже выглядят похоже, но не идентично, после деления на ${\displaystyle n!}$ . Все обобщённые функции ошибок с ${\displaystyle n>0}$ выглядят похоже на полуоси ${\displaystyle x>0}$ .

На полуоси ${\displaystyle x>0}$ все обобщённые функции могут быть выражены через гамма-функцию:

${\displaystyle E_{n}(x)={\frac {\Gamma (n)\left(\Gamma \left({\frac {1}{n}}\right)-\Gamma \left({\frac {1}{n}},x^{n}\right)\right)}{\sqrt {\pi }}},\quad \quad x>0}$

Следовательно, мы можем выразить функцию ошибок через гамма-функцию:

${\displaystyle \operatorname {erf} \,x=1-{\frac {\Gamma \left({\frac {1}{2}},x^{2}\right)}{\sqrt {\pi }}}}$

Реализации

В стандарте языка Си (ISO/IEC 9899:1999, пункт 7.12.8) предусмотрены функция ошибок ${\displaystyle \operatorname {erf} }$ и дополнительная функция ошибок ${\displaystyle \operatorname {erfc} }$ . Функции объявлены в заголовочных файлах math.h (для Си) или cmath (для C++). Там же объявлены пары функций erff(), erfcf() и erfl(), erfcl(). Первая пара получает и возвращает значения типа float, а вторая — значения типа long double. Соответствующие функции также содержатся в библиотеке Math проекта «Boost».

В языке Java стандартная библиотека математических функций java.lang.Math не содержит^[1] функцию ошибок. Класс Erf можно найти в пакете org.apache.commons.math.special из не стандартной библиотеки, поставляемой^[2] Apache Software Foundation.

Системы компьютерной алгебры Maple, Matlab, Mathematica и Maxima содержат обычную и дополнительную функции ошибок, а также обратные к ним функции.

В языке Python функция ошибок доступна^[3] из стандартной библиотеки math, начиная с версии 2.7. Также функция ошибок, дополнительная функция ошибок и многие другие специальные функции определены в модуле Special проекта SciPy.

В языке Erlang функция ошибок и дополнительная функция ошибок доступны из стандартного модуля math^[4].

См. также

• Функция Гаусса
• Функция Доусона
• Гауссов интеграл

Литература

• Milton Abramowitz and Irene A. Stegun, eds. Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables. New York: Dover, 1972. (См. часть 7)
• Nikolai G. Lehtinen «Error functions», April 2010

Примечания

Ссылки

• MathWorld — Erf
• Онлайновый калькулятор Erf и много других специальных функций (до 6 знаков)
• Онлайновый калькулятор, вычисляющий в том числе Erf

Для улучшения этой статьи желательно: Викифицировать статью. Викифицировать список литературы.