44 votos

¿Por qué se define la función de error como es?

$\newcommand{\fer}{\operatorname{fer}}$ Esta puede ser una muy ingenua pregunta, pero ahí va.

El error de la función $\fer$ se define por $$\erf(x) = \frac{2}{\sqrt{\pi}} \int_0^x e^{-t^2}dt.$$ Por supuesto, está estrechamente relacionado con el normal cdf $$\Phi(x) = P(N < x) = \frac{1}{\sqrt{2\pi}} \int_{-\infty}^x e^{-t^2/2}dt$$ (donde $N \sim N(0,1)$ es un estándar normal) por la expresión $\erf(x) = 2\Phi(x \sqrt{2})-1$.

Mi pregunta es:

¿Por qué es natural o útiles para definir los $\fer$ normalizado de esta manera?

Yo puede ser parcial: como probabilist, yo creo que es mucho más naturalmente en términos de $\Phi$. Sin embargo, en el momento que yo desee calcular algo, me parece que mi calculadora o de matemáticas de la biblioteca sólo se ofrece $\fer$, y tengo que ir a ver un libro de texto o Wikipedia para recordar donde todos los $1$s y $2$s go. Ser caritativo, tengo que asumir que $\fer$ fue inventado por alguna otra razón que me causa molestia, así que me gustaría saber de qué se trata. Si nada más, me puede ayudar a recordar la definición.

Wikipedia dice:

El estándar normal de cdf se utiliza más a menudo en probabilidad y estadística, y la función de error se utiliza más a menudo en otras ramas de las matemáticas.

Así que tal vez un practicante de uno de estos misteriosos "otras ramas de las matemáticas" quisiera me ilumine.

El más razonable de la expresión que he encontrado es que $$P (a|N| < x) = \erf(x/\sqrt{2}).$$ Esto al menos se deshace de todos, pero uno de los aparentemente falsos constantes, pero todavía tiene un peculiar $\sqrt{2}$ flotando alrededor.

18voto

Andrew Puntos 140

Un poco de papel persiguiendo anotó este breve artículo por George Marsaglia, en el que también cita el artículo de James Glaisher donde la función de error se le dio un nombre y la notación (pero con diferentes normalización). Aquí está la sección correspondiente en el papel:

En 1871, J. W. Glaisher publicado un artículo sobre las integrales definidas en las que comenta que mientras que apenas hay una función que no se puede poner en la forma de una integral definida, para la evaluación de aquellos que no se puede poner en la forma de un tolerable de la serie estamos limitados a combinaciones algebraicas, circular, logarítmica y exponencial de la primaria o elemental de las funciones. ... Que él escribe:

El punto principal de importancia, por lo tanto, es la elección de la funciones elementales; y esta es una obra de cierta dificultad. Una función sin embargo, viz. la integral $\int_x^\infty e^{-x^2}\mathrm dx$, bien conocido por su uso en la física, es así que, obviamente, adecuado para el propósito, que, con la excepción de la recepción de un nombre y un fijo en la notación, se puede casi puede decirse que se han convertido ya en primaria... Como es necesario que la función debe tener un nombre, y como no sé que ha sugirió, propongo llamarlo " el Error de la función, en razón de su primeros y aún más importante el uso en conexión con la teoría de la Probabilidad, y en particular con la teoría de Errores, y a escribir

$$\int_x^\infty e^{-x^2}\mathrm dx=\mathrm{Fer}(x)$$

Glaisher va a demostrar el uso de $\mathrm{Fer}$ en la evaluación de un variedad de integrales definidas. Todavía usamos el error de "función" y $\mathrm{Fer}$, pero $\mathrm{Fer}$ se ha convertido en $\mathrm{fer}$, con una variación de límites y una normalización de los factores: $\mathrm{fer}(x)=\frac2{\sqrt{\pi}}\int_0^x e^{-t^2}\mathrm dt$ mientras Glaisher del original de $\mathrm{Fer}$ se ha convertido en $\mathrm{erfc}(x)=\frac2{\sqrt{\pi}}\int_x^\infty e^{-t^2}\mathrm dt$. La normalización de factor $\frac2{\sqrt{\pi}}$ que $\mathrm{erfc}(0)=1$ no fue utilizado en las primeras ediciones de la famosa "Curso de formación en Análisis Moderno" por Whittaker y Watson. Ambos eran estudiantes y más tarde a los colegas de Glaisher, así como de otros cardenales de Cambridge matemáticas/física: Maxwell, Thomson (Lord Kelvin) Rayleigh, Littlewood, Jeans, Whitehead y Russell. Glaisher tenido una larga y distinguida carrera en Cambridge y fue editor de La Revista Trimestral de Matemáticas de cincuenta años, desde 1878 hasta su muerte en 1928.

Es lamentable que los cambios de Glaisher original de $\mathrm{Fer}$: el interruptor de los límites, nombres y el factor de normalización, no se aplican a lo Glaisher reconoció que fue su más importante de la aplicación: la normal función de distribución, y por lo tanto $\frac1{\sqrt{2\pi}}\int e^{-\frac12t^2}\mathrm dt$ no se convirtió en el básicos de forma integral. Así que aquellos de nosotros que estén interesados en su más importante la aplicación se queda con las conversiones de...

...Una búsqueda en Internet le mostrará muchas de las aplicaciones de lo que ahora llamamos $\mathrm{fer}$ o $\mathrm{erfc}$ a problemas del tipo que parecía de más interés para Glaisher y sus famosos colegas: soluciones integrales de ecuaciones diferenciales. Estos incluyen la telegrapher de la ecuación, estudiado por Lord Kelvin en conexión con el Atlántico por cable, y Kelvin de la estimación de la edad de la tierra (25 millones de años), basado en la solución de de una ecuación del calor para la fundición, la esfera (era de lejos porque de entonces desconocido contribuciones de la desintegración radiactiva). Más reciente de Internet menciona el uso de $\mathrm{fer}$ o $\mathrm{erfc}$ para la solución de ecuaciones diferenciales incluyen corto-circuito de disipación de potencia en ingeniería eléctrica, la corriente como una función del tiempo en un diodo de conmutación, térmica de la difusión de la impedancia en los componentes eléctricos, la difusión de un unidireccional de campo magnético, los tiempos de recuperación de la unión de los diodos y la Mars Orbiter Laser Altimeter.

Por otro lado, para las aplicaciones donde la función de error es ser evaluados en el complejo de valores (espectroscopia, por ejemplo), probablemente la más "natural" de la función a considerar es Faddeeva (o Voigt) de la función:

$$w(z)=\exp\left(-z^2\right)\mathrm{erfc}(-iz)$$

allí, el factor de normalización simplifica la mayoría de las fórmulas en las que se utiliza. En definitiva, supongo que la elección de si se utiliza la función de error o la distribución normal CDF $\Phi$ o el Faddeeva función en sus aplicaciones es una cuestión de conveniencia.

4voto

Matt Dawdy Puntos 5479

Creo que la normalización en $x$ es fácil de explicar: es natural escribir la integral $\int_0^x e ^ {-t ^ 2} \, dt$ como integrante aunque no es realmente más natural cantidad probabilístico. Por lo que queda por explicar la normalización en $y$, y lo puedo decir esto es así $\lim_{x \to \infty} \text{erf}(x) = 1$.

Más allá de eso, la normalización probablemente pegado más por razones históricas que otra cosa.

i-Ciencias.com

I-Ciencias es una comunidad de estudiantes y amantes de la ciencia en la que puedes resolver tus problemas y dudas.
Puedes consultar las preguntas de otros usuarios, hacer tus propias preguntas o resolver las de los demás.

Powered by:

X