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Aproximación numérica de un complejo integral con un anidada exponencial

He estado trabajando en un problema de matemáticas como parte de mi Física Doctorado; pero han sido sorprendidos por la siguiente integral. Todo lo que necesito saber es una aproximación numérica de la integral (junto con una estimación del error); pero si una solución analítica existe, eso sería fantástico.

$$\int_{-\infty}^{\infty} G(x,\sigma) e^{(-i(\delta x - \nu \exp(-\kappa x)/\kappa))}dx$$

donde $G(x,\sigma)$ es una distribución de Gauss en $x$ con una desviación estándar $\sigma$ y la media de cero; y donde $\delta$, $\nu$ y $\kappa$ son reales constantes.

He intentado varios métodos, incluyendo el método de steepest descent/fase estacionaria y assymptotic expansiones en $x$; pero cada método, aparte de la fuerza bruta ODE solver o polígono enfoque [ambos de los cuales son extremadamente lento, que no he hecho les permitió completar] han demostrado ser muy poco fiables. He considerado el contorno de integración también, pero ya que esta integral no tiene polos, no estoy seguro de lo útil que esto sería.

No he encontrado que haya alguna simplificación de las relaciones entre el real constantes, pero aquí hay algunos valores típicos:

$$ \begin{eqnarray} \delta&\approx&5\times10^6\\ \nu&\approx&5\times10^6\textrm{ And slightly different from %#%#%}\\ \kappa&\epsilon& \mathbb{R^+}\\ \sigma&\gg&\frac{1}{\kappa} \end{eqnarray} $$

De todos modos, si alguien tiene alguna idea sobre cómo esta integral puede resolverse, yo estaría muy agradecido.

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JiminyCricket Puntos 143

La razón por la que no se puede utilizar en la fase estacionaria de la técnica aquí es que no hay un punto de fase estacionaria – la derivada de la fase de

$$ \begin{align} \phi(x)&=\delta x-\nu\exp(-\kappa x)/\kappa\;, \\ \phi'(x)&=\delta+\nu\exp(-\kappa x)\;, \end{align} $$

está en todas partes positivas. Usted puede dar vuelta a su ventaja, ya que permite cambiar las variables de a $\phi$, lo que da

$$ I=\int_{-\infty}^\infty \frac{G(x(\phi)\sigma)}{\phi'}\exp(-\mathrm i\phi)\,\mathrm d\phi\;. $$

Este es un componente de Fourier de una lenta variación de la función. Para los positivos $x$ tenemos $\phi\sim\delta x$, mientras que para el negativo $x$ tenemos $\phi\sim-\nu\exp(-\kappa x)/\kappa$ e lo $x/\sigma\sim\log(-\phi)/(\kappa\sigma)$, por lo que la integral debe decaimiento exponencial con $\delta$$\kappa\sigma$. Usted puede obtener de límites superiores por su magnitud mediante la integración por partes; el límite de los términos de desaparecer a causa de la Gaussiana, por lo que obtener

$$ |I|=\left|\int_{-\infty}^\infty \frac{G(x(\phi)\sigma)}{\phi'}\exp(-\mathrm i\phi)\,\mathrm d\phi\right|\le \int_{-\infty}^\infty\left|\frac{\mathrm d^n}{\mathrm d\phi^n}\frac{G(x(\phi)\sigma)}{\phi'}\right|\,\mathrm d\phi $$

para todos los $n\in\mathbb N$. Desde cada uno de los derivados de los rendimientos de un gran inversa factor, esto debería llevar a una muy pequeña límites en la magnitud de la integral.

Estos límites son más fáciles de evaluar si transformamos la espalda a $x$. Por ejemplo, para $n=0$ hemos

$$ |I|\le\int_{-\infty}^\infty G(x,\sigma)\,\mathrm dx=1\;, $$

para $n=1$ con $|\phi'|\lt\delta$$|\phi''/\phi'|\lt\kappa$,

$$ \begin{align} |I|&\le\int_{-\infty}^\infty\left|\frac{G'(x(\phi),\sigma)}{\phi'^2}-\frac{G(x(\phi),\sigma)\phi''}{\phi'^3}\right|\,\mathrm d\phi \\ &=\int_{-\infty}^\infty\left|\frac{G'(x,\sigma)}{\phi'}-\frac{G(x,\sigma)\phi''}{\phi'^2}\right|\,\mathrm dx \\ &\le\frac1\delta\int_{-\infty}^\infty\left(|G'(x,\sigma)|+\kappa|G(x,\sigma)|\right)\,\mathrm dx \\ &=\frac1\delta\left(2G(0,\sigma)+\kappa\right) \\ &=\frac1\delta\left(\frac2{\sqrt{2\pi}\sigma}+\kappa\right)\;, \end{align} $$

y para $n=2$ con $|\phi'''/\phi'|\le\kappa^2$,

$$ \begin{align} |I|&\le\int_{-\infty}^\infty\left|\frac{G''}{\phi'^3}-3\frac{G'\phi''}{\phi'^4}+3\frac{G\phi''^2}{\phi'^5}-\frac{G\phi'''}{\phi'^4}\right|\,\mathrm d\phi \\ &=\int_{-\infty}^\infty\left|\frac{G''}{\phi'^2}-3\frac{G'\phi''}{\phi'^3}+3\frac{G\phi''^2}{\phi'^4}-\frac{G\phi'''}{\phi'^3}\right|\,\mathrm dx \\ &\le\frac1{\delta^2}\int_{-\infty}^\infty\left(|G''|+3\kappa |G'|+3\kappa^2|G|+\kappa^2|G|\right)\,\mathrm dx \\ &\le\frac1{\delta^2}\left(\frac2{\sigma^2}+\frac{6\kappa}{\sqrt{2\pi}\sigma}+4\kappa^2\right)\;. \end{align} $$

Podemos seguir así hasta que las vacas vienen casa, que es, hasta que los factores numéricos de los derivados comienzan a abrumar a los factores de $\kappa/\delta$, por lo que si $\kappa\ll\delta$, la integral es para todos los intentos y propósitos de cero. Si $\kappa\sim\delta$, puede que tenga que trabajar un poco más duro para ser mejores límites.

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Jedi Master Spooky Puntos 2374

Aquí están algunos pasos para llegar a una estimación.

Romper la exponencial el uso de la identidad de Euler $\exp(it)=\cos t + i\sin t$ $$\exp(-i(\delta x -\nu\exp(-\kappa x)/\kappa) =\\ \cos(\delta x -\nu\exp(-\kappa x)/\kappa)-i\sin(\delta x -\nu\exp(-\kappa x)/\kappa) $$ A continuación, se obtiene dos reales integrales que calculamos por separado, ahora el trabajo duro comienza la que tengo que dejar. Sin embargo, tenga en cuenta que un gran $x$ $$\cos(\delta x -\nu\exp(-\kappa x)/\kappa)-i\sin(\delta x -\nu\exp(-\kappa x)/\kappa)\sim \\ \cos(\delta x)-i\sin(\delta x)$$

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Patrick Puntos 1

Buena respuesta por parte de AD, habría sido un buen complemento para mi idea. Yo iba a sugerir ahora que usted tiene dos reales integrales en un infinito de dominio) sólo se puede utilizar una transformación de variables, un mapa de $(-\infty,\infty)$ $(-1,1)$va a cambiar el intervalo de integración a un número finito de uno (el integrando va a cambiar también, por supuesto) y, a continuación, sólo utilizar cualquier técnica estándar. Yo iba a sugerir, a continuación, jugar a la vuelta con los dos reales (transformado) integrands de averiguar cuál es la mejor técnica para ellos y, a continuación, sólo tiene que utilizar uno de los muchos enlatados rutinas disponibles por ahí (a menos que quieras tener un capítulo de su tesis sobre cómo usted vino para arriba con un nuevo/nueva manera de integrar las funciones de este tipo ;-) ). Porque de los senos y cosenos tenemos la sospecha de oscilaciones, me han sugerido mirando Gaussiano cuadratura con los nodos de chebyshev.

Todo esto fue antes de que yo empecé a jugar con los dos reales integrands a mí mismo. Santa mierda, estas cosas son oscilatorio especialmente si utilizo números que usted sugiere. El gráfico que está pasando a través de órdenes de magnitudes tremendamente rápido. Por ejemplo, yo solía $\sigma = 3700, \delta = 5000000, \nu=50001000, \kappa=10$. Mathematica no podía ni siquiera la trama. Bueno, es escupir una foto pero era completa basura. No se puede encontrar un anti-derivativo (ahí va eso), pero numéricamente al instante escupir una respuesta en el orden de $10^{-14}$, por lo que piensa que la integral es cero, lo que realmente se ve como podría ser. Entonces me obligó a los integrador numérico a utilizar un trabajo de precisión de 10 dígitos (que lleva al menos 10 dígitos en todos sus cálculos) y me da una respuesta que es al menos exacta de cinco dígitos (estos son...ehmmm...generalmente de muy modestos objetivos para una clase de mundo de software como mathematica) y esto es lo que escupió a mí

"NIntegrate::mtdfb: integración Numérica con LevinRule fallado. La integración se sigue con el Método -> GaussKronrodRule. >>

NIntegrate::slwcon: integración Numérica convergen muy lentamente; la sospecha de uno de los siguientes: singularidad, el valor de la integración es 0, altamente oscilatorio integrando, o WorkingPrecision demasiado pequeño. >>

NIntegrate::ncvb: NIntegrate no pudo convergen a lo prescrito exactitud después de las 9 recursiva bisections en x cerca de {x} = {-0.4464083980}. NIntegrate obtenidos -5.478908926*10^-7+1.469367460*10^-6 yo y 0.00001382317328. para la integral y las estimaciones de error. >>"

Basta con mirar a la integral de la estimación y su error en la última línea. El error es como dos órdenes de magnitud MAYOR que el error de estimación. Esta salida está tratando de integrar la original complejo integral se presenta, entonces, la respuesta es un número complejo.

Ahora lo único que puedo pensar es, en primer lugar tomar consuelo en el hecho de que esto realmente es un problema difícil. No te sientas mal por tener problemas con esto. Si mathematica está teniendo problemas, entonces realmente es un problema difícil. Yo iba a sugerir que tal vez algunos de simplificación como la expansión de taylor y, a continuación, truncamiento, pero teniendo derivados será terrible. Tal vez restringir el intervalo de integración porque de $G(x,\sigma)$ el integrands convergen más rápido a cero, como ir hasta el infinito en ambas direcciones. Después de picar el intervalo de uso de la transformada de fourier de expansión también podría ser interesante. Parece "natural" debido a las oscilaciones.

Tiempo para caminar hacia el departamento de matemáticas y colaborar con los valores numéricos de las personas. Lo sentimos, no podía ayudar.

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JiminyCricket Puntos 143

Aquí un enfoque diferente, usando el contorno de la integración. Usted escribió que usted no está seguro de lo útil que esto sería debido a que el integrando no tiene polos; pero el contorno de la integración no es sólo útil para aplicar el teorema de los residuos; también es útil para cambiar el contorno de la integración, y sobre todo cuando el integrando oscila, cambiando el contorno puede transformar eso en exponencial de la amortiguación.

No podemos cerrar el contorno con un semicírculo en el infinito debido a que tanto el de Gauss y la exponencial en el exponente iba a explotar en la cara. Pero sin embargo podemos cambiar algunas de las rápidamente oscilante fase de factores en decayendo rápidamente exponenciales.

Tenemos dos regiones distintas: Por la negativa $x$ el exponente es dominado por la exponencial, y para positivos $x$ es dominado por $\delta x$. Vamos a tratar primero con la exponencial.

Esto estalla cuando $0\lt\kappa\def\im{\operatorname{Im}}\im x\lt\pi\bmod2\pi$, y la mayoría de amortiguación en $\kappa\im x=-\pi/2$. Por lo tanto, un primer paso es cambiar el contorno de la $x=t-\frac\pi{2\kappa}\mathrm i$. (Más precisamente, podemos integrar alrededor de la tira de $0\ge\im x\ge-\frac\pi{2\kappa}$, y desde el corto contribuciones al infinito desaparecer a causa de la Gaussiana y la tira no contiene polos, el original de la integral y el desplazado integral debe ser igual a cancelar).

El resultado es

$$ \begin{align} &\int_{-\infty}^\infty G\left(t-\frac\pi{2\kappa}\mathrm i,\sigma\right)\exp\left(-\mathrm i\left(\delta\left(t-\frac\pi{2\kappa}\mathrm i\right)-\nu\exp\left(-\kappa \left(t-\frac\pi{2\kappa}\mathrm i\right)\right)/\kappa\right)\right)\,\mathrm dt \\ =&\exp\left(-\frac12\left(\frac\pi{2\kappa\sigma}\right)^2-\frac{\pi\delta}{2\kappa}\right)\int_{-\infty}^\infty G\left(t,\sigma\right)\exp\left(\mathrm i\left(\frac\pi{2\kappa\sigma}-\delta\right) t-\nu\exp\left(-\kappa t\right)/\kappa\right)\,\mathrm dt\;. \end{align} $$

Como se podría haber esperado de los límites en mi otra respuesta, ahora tenemos un gran factor de amortiguación en el exterior que decae exponencialmente con $\delta/\kappa$, y la exponencial en el exponente se ha convertido también en un fuerte factor de amortiguación que reduce la integral de descuento para negativo $t$$|t|\sim1/\kappa\ll\sigma$.

Pero todavía tenemos una oscilación de fase factor de amortiguamiento, sólo por el Gaussiano positivos $t$, y a pesar de que puede enlazar por $1$ para obtener una buena obligado dada por los factores antes de la integral, tendríamos que integrar a lo largo de muchos períodos de tiempo para obtener un valor exacto. Pero para los positivos $t$ que no tiene que preocuparse acerca de la exponencial volando, así que no sólo puede cambiar el contorno, pero en realidad giran $\pi/4$ para obtener la más rápida desintegración de la fase factor sin hacer el Gaussiano volar. Esto funciona porque podemos cerrar el contorno en un octavo de círculo en el infinito porque siempre tenemos la Gaussiana o la fase factor de amortiguación, el integrando de manera exponencial. Así que el uso de $t=\mathrm e^{-\mathrm i\pi/4}u$ obtener

$$ \begin{align} &\exp\left(-\frac12\left(\frac\pi{2\kappa\sigma}\right)^2-\frac{\pi\delta}{2\kappa}\right)\left(\int_{-\infty}^0 G\left(t,\sigma\right)\exp\left(\mathrm i\left(\frac\pi{2\kappa\sigma}-\delta\right) t-\nu\exp\left(-\kappa t\right)/\kappa\right)\,\mathrm dt+\right. \\&\left.\frac1{\sqrt{2\pi}\sigma}\int_0^\infty \exp\left(\frac12\mathrm i\left(\frac u\sigma\right)^2+e^{\mathrm i\pi/4}\left(\frac\pi{2\kappa\sigma}-\delta\right) u-\nu\exp\left(-\kappa\mathrm e^{-\mathrm i\pi/4}u\right)/\kappa\right)\,\mathrm du\right)\;. \end{align} $$

El Gaussiano se ha convertido en totalmente oscilatorio, y la exponencial y el de fase lineal factor se han convertido en parte oscilatoria, en parte en descomposición. Desde $\delta$ es muy grande, esta parte de la integral de ahora también cae muy rápidamente. Usted debe ser capaz de integrar numéricamente esta parte con bastante precisión en esta forma; de hecho, usted puede obtener una sencilla estimación manteniendo solamente lineales en términos de $u$ sobre el rango en el que $\exp\left(-\delta u/\sqrt2\right)$ es apreciable:

$$ \frac1{\sqrt{2\pi}\sigma}\int_0^\infty \exp\left(e^{\mathrm i\pi/4}\left(\frac\pi{2\kappa\sigma}-\delta\right) u-\nu/\kappa+\nu\mathrm e^{-\mathrm i\pi/4}u\right)\,\mathrm du=\frac{\exp\left(-\nu/\kappa\mathrm i\pi/4\right)}{\sqrt{2\pi}\sigma(\pi/(2\kappa\sigma)-\delta\mathrm i\nu)}\;. $$

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