Графік функції помилок.
Функція помилок або Функція помилок Гаусса [ 1] — це неелементарна функція , що використовується в теорії ймовірності , статистиці , математичній фізиці і визначається як
erf
x
=
2
π π -->
∫ ∫ -->
0
x
e
− − -->
t
2
d
t
{\displaystyle \operatorname {erf} \,x={\frac {2}{\sqrt {\pi }}}\int \limits _{0}^{x}e^{-t^{2}}\,\mathrm {d} t}
.
У багатьох із цих застосувань аргументом функції є дійсне число. Якщо аргумент функції є дійсним, то значення функції також є дійсним.
У статистиці для невід'ємних значень x функція помилок має таке трактування: для випадкової величини Y , яка має нормальний розподіл із математичним сподіванням 0 та дисперсією 1 ⁄√ 2 , erf x — це ймовірність того, що Y потрапляє в інтервал [−x , x ] .
Доповнювальна функція помилок , що позначається
erfc
x
{\displaystyle \operatorname {erfc} \,x}
(іноді застосовується позначення
Erf
x
{\displaystyle \operatorname {Erf} \,x}
) визначається через функцію помилок:
erfc
x
=
1
− − -->
erf
x
=
2
π π -->
∫ ∫ -->
x
∞ ∞ -->
e
− − -->
t
2
d
t
{\displaystyle \operatorname {erfc} \,x=1-\operatorname {erf} \,x={\frac {2}{\sqrt {\pi }}}\int \limits _{x}^{\infty }e^{-t^{2}}\,\mathrm {d} t}
.
Уявна функція помилок , що позначається
w
(
x
)
{\displaystyle w(x)}
, також визначається через функцію помилок:
w
(
x
)
=
e
− − -->
x
2
erfc
(
− − -->
i
x
)
{\displaystyle w(x)=e^{-x^{2}}\operatorname {erfc} \,(-ix)}
.
Назва
Назва «функція помилок» та її абревіатура erf запропоновані Джеймсом Глейшером [en] в 1871 р. через її зв'язок з «теорією ймовірності, і особливо теорією помилок »[ 2] . Доповнювальні функції помилок також обговорювалося Глейшером того ж року в окремій публікації.[ 3]
Для «закону об'єкта» помилок, щільність якого має вигляд
f
(
x
)
=
(
c
π π -->
)
1
2
e
− − -->
c
x
2
{\displaystyle f(x)=\left({\frac {c}{\pi }}\right)^{\tfrac {1}{2}}{\rm {e}}^{-cx^{2}}}
(нормальний розподіл ), Глейшер обчислював ймовірність помилки, що лежить між
p
{\displaystyle p}
і
q
{\displaystyle q}
, як
(
c
π π -->
)
1
2
∫ ∫ -->
p
q
e
− − -->
c
x
2
d
x
=
1
2
(
erf
-->
(
q
c
)
− − -->
erf
-->
(
p
c
)
)
.
{\displaystyle \left({\frac {c}{\pi }}\right)^{\tfrac {1}{2}}\int _{p}^{q}{\rm {e}}^{-cx^{2}}\,{\rm {d}}x={\tfrac {1}{2}}\left(\operatorname {erf} \left(q{\sqrt {c}}\right)-\operatorname {erf} \left(p{\sqrt {c}}\right)\right).}
Застосування
Якщо результати серії вимірювань описуються нормальним розподілом із середньоквадратичним відхиленням
σ σ -->
{\displaystyle \sigma }
та математичним сподіванням 0, то
erf
-->
(
a
σ σ -->
2
)
{\displaystyle \operatorname {erf} \left({\frac {a}{\sigma {\sqrt {2}}}}\right)}
— це ймовірність того, що похибка одного вимірювання лежить між −a та +a , при додатному a . Це корисно, наприклад, при визначенні коефіцієнта бітових помилок цифрової системи зв'язку. Функцію помилок та доповнювальну функцію помилок застосовують, наприклад, у розв'язках рівняння теплопровідності , якщо граничні умови задаються функцією Гевісайда . Функцію помилок та її наближення можна використовувати для оцінки результатів, які мають місце з великою ймовірністю [en] або з низькою ймовірністю. Нехай задана випадкова величина
X
∼ ∼ -->
Norm
-->
[
μ μ -->
,
σ σ -->
]
{\displaystyle X\sim \operatorname {Norm} [\mu ,\sigma ]}
і константа
L
<
μ μ -->
{\displaystyle L<\mu }
, тоді
Pr
[
X
≤ ≤ -->
L
]
=
1
2
+
1
2
erf
-->
(
L
− − -->
μ μ -->
2
σ σ -->
)
≈ ≈ -->
A
exp
-->
(
− − -->
B
(
L
− − -->
μ μ -->
σ σ -->
)
2
)
{\displaystyle \Pr[X\leq L]={\frac {1}{2}}+{\frac {1}{2}}\operatorname {erf} \left({\frac {L-\mu }{{\sqrt {2}}\sigma }}\right)\approx A\exp \left(-B\left({\frac {L-\mu }{\sigma }}\right)^{2}\right)}
,
де A і B — деякі числові константи. Якщо L достатньо далека від математичного сподівання, тобто
μ μ -->
− − -->
L
≥ ≥ -->
σ σ -->
ln
-->
k
{\displaystyle \mu -L\geq \sigma {\sqrt {\ln {k}}}}
, тоді
Pr
[
X
≤ ≤ -->
L
]
≤ ≤ -->
A
exp
-->
(
− − -->
B
ln
-->
k
)
=
A
k
B
{\displaystyle \Pr[X\leq L]\leq A\exp(-B\ln {k})={\frac {A}{k^{B}}}}
,
і ймовірність прямує до 0, якщо
k
→ → -->
∞ ∞ -->
{\displaystyle k\to \infty }
.
Властивості
Інтеграл
exp
-->
(
− − -->
z
2
)
{\displaystyle \exp(-z^{2})}
.
erf
-->
(
z
)
{\displaystyle \operatorname {erf} (z)}
erf
(
− − -->
x
)
=
− − -->
erf
x
{\displaystyle \operatorname {erf} \,(-x)=-\operatorname {erf} \,x}
.
Для будь-якого комплексного
x
{\displaystyle x}
виконується
erf
x
¯ ¯ -->
=
erf
x
¯ ¯ -->
{\displaystyle \operatorname {erf} \,{\bar {x}}={\overline {\operatorname {erf} \,x}}}
де риска позначає комплексне спряження числа
x
{\displaystyle x}
.
Підінтегральні функції
f
=
exp
-->
(
− − -->
z
2
)
{\displaystyle f=\exp(-z^{2})}
та
f
=
erf
-->
(
z
)
{\displaystyle f=\operatorname {erf} (z)}
зображено в комплексній площині z на рисунках.
Рівень
Im
-->
(
f
)
=
0
{\displaystyle \operatorname {Im} (f)=0}
показано товстою зеленою лінією. Від'ємні цілі значення
Im
-->
(
f
)
{\displaystyle \operatorname {Im} (f)}
показано товстими червоними лініями. Додатні цілі значення
Im
-->
(
f
)
{\displaystyle \operatorname {Im} (f)}
показано товстими синіми лініями. Проміжні рівні
Im
-->
(
f
)
=
c
o
n
s
t
{\displaystyle \operatorname {Im} (f)={\rm {const}}}
показано тонкими зеленими лініями. Проміжні рівні
Re
-->
(
f
)
=
c
o
n
s
t
{\displaystyle \operatorname {Re} (f)={\rm {const}}}
показано тонкими червоними лініями для від'ємних значень і тонкими синіми лініями для додатних значень.
Функція помилок не може бути представлена через елементарні функції , але, розкладаючи інтегрований вираз в ряд Тейлора і інтегруючи почленно, ми можемо одержати її подання у вигляді ряду:
erf
x
=
2
π π -->
∑ ∑ -->
n
=
0
∞ ∞ -->
(
− − -->
1
)
n
x
2
n
+
1
n
!
(
2
n
+
1
)
=
2
π π -->
(
x
− − -->
x
3
3
+
x
5
10
− − -->
x
7
42
+
x
9
216
− − -->
⋯ ⋯ -->
)
{\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)}
Ця рівність виконується (і ряд сходиться) як для будь-якого дійсного
x
{\displaystyle x}
, так і на всій комплексній площині . Послідовність знаменників утворює послідовність A007680 з Онлайн енциклопедії послідовностей цілих чисел , OEIS .
Для ітеративного обчислення елементів ряду корисно представити його в альтернативному вигляді:
erf
x
=
2
π π -->
∑ ∑ -->
n
=
0
∞ ∞ -->
(
x
∏ ∏ -->
i
=
1
n
− − -->
(
2
i
− − -->
1
)
x
2
i
(
2
i
+
1
)
)
=
2
π π -->
∑ ∑ -->
n
=
0
∞ ∞ -->
x
2
n
+
1
∏ ∏ -->
i
=
1
n
− − -->
x
2
i
{\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}}}
,
оскільки
− − -->
(
2
i
− − -->
1
)
x
2
i
(
2
i
+
1
)
{\displaystyle {\frac {-(2i-1)x^{2}}{i(2i+1)}}}
— співмножник, що перетворює
i
{\displaystyle i}
-й член ряду в
(
i
+
1
)
{\displaystyle (i+1)}
-й, вважаючи першим членом
x
{\displaystyle x}
.
Уявна функція помилок має дуже схожий ряд Маклорена, а саме
erfi
-->
(
z
)
=
2
π π -->
∑ ∑ -->
n
=
0
∞ ∞ -->
z
2
n
+
1
n
!
(
2
n
+
1
)
=
2
π π -->
(
z
+
z
3
3
+
z
5
10
+
z
7
42
+
z
9
216
+
⋯ ⋯ -->
)
{\displaystyle \operatorname {erfi} (z)={\frac {2}{\sqrt {\pi }}}\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {z^{2n+1}}{n!(2n+1)}}={\frac {2}{\sqrt {\pi }}}\left(z+{\frac {z^{3}}{3}}+{\frac {z^{5}}{10}}+{\frac {z^{7}}{42}}+{\frac {z^{9}}{216}}+\cdots \right)}
,
для будь-якого комплексного числа z .
Функція помилок на нескінченності рівна одиниці; проте це справедливо тільки при наближенні до нескінченності по дійсній осі, оскільки:
При розгляді функції помилок в комплексній площині точка
z
=
∞ ∞ -->
{\displaystyle z=\infty }
буде для неї істотно особливою.
d
d
z
erf
-->
(
z
)
=
2
π π -->
e
− − -->
z
2
{\displaystyle {\frac {\rm {d}}{{\rm {d}}z}}\operatorname {erf} (z)={\frac {2}{\sqrt {\pi }}}{\rm {e}}^{-z^{2}}}
.
Звідси похідна уявної функції помилок:
d
d
z
erfi
-->
(
z
)
=
2
π π -->
e
z
2
{\displaystyle {\frac {\rm {d}}{{\rm {d}}z}}\operatorname {erfi} (z)={\frac {2}{\sqrt {\pi }}}{\rm {e}}^{z^{2}}}
.
Первісною функції помилок, яку можна отримати за допомогою інтегрування частинами , є
z
erf
-->
(
z
)
+
e
− − -->
z
2
π π -->
{\displaystyle z\operatorname {erf} (z)+{\frac {{\rm {e}}^{-z^{2}}}{\sqrt {\pi }}}}
.
Первісною уявної функції помилок, яку також можна отримати інтегруванням частинами, є
z
erfi
-->
(
z
)
− − -->
e
z
2
π π -->
{\displaystyle z\operatorname {erfi} (z)-{\frac {{\rm {e}}^{z^{2}}}{\sqrt {\pi }}}}
.
Похідні вищих порядків задаються формулами
erf
(
k
)
-->
(
z
)
=
2
(
− − -->
1
)
k
− − -->
1
π π -->
H
k
− − -->
1
(
z
)
e
− − -->
z
2
=
2
π π -->
d
k
− − -->
1
d
z
k
− − -->
1
(
e
− − -->
z
2
)
,
k
=
1
,
2
,
… … -->
{\displaystyle \operatorname {erf} ^{(k)}(z)={\frac {2(-1)^{k-1}}{\sqrt {\pi }}}{H}_{k-1}(z){\rm {e}}^{-z^{2}}={\frac {2}{\sqrt {\pi }}}{\frac {{\rm {d}}^{k-1}}{{\rm {d}}z^{k-1}}}\left({\rm {e}}^{-z^{2}}\right),\qquad k=1,2,\dots }
де
H
{\displaystyle {\mathit {H}}}
— це поліноми Ерміта [ 4] .
Розклад[ 5] , який збігається швидше для всіх дійсних значень
x
{\displaystyle x}
ніж ряд Тейлора, отримується за допомогою теореми Ганса Генріха Бюрмана [en] [ 6] :
erf
-->
(
x
)
=
2
π π -->
sgn
-->
(
x
)
1
− − -->
e
− − -->
x
2
(
1
− − -->
1
12
(
1
− − -->
e
− − -->
x
2
)
− − -->
7
480
(
1
− − -->
e
− − -->
x
2
)
2
− − -->
5
896
(
1
− − -->
e
− − -->
x
2
)
3
− − -->
787
276480
(
1
− − -->
e
− − -->
x
2
)
4
− − -->
⋯ ⋯ -->
)
=
2
π π -->
sgn
-->
(
x
)
1
− − -->
e
− − -->
x
2
(
π π -->
2
+
∑ ∑ -->
k
=
1
∞ ∞ -->
c
k
e
− − -->
k
x
2
)
{\displaystyle {\begin{aligned}\operatorname {erf} (x)&={\frac {2}{\sqrt {\pi }}}\operatorname {sgn}(x){\sqrt {1-{\rm {e}}^{-x^{2}}}}\left(1-{\frac {1}{12}}\left(1-{\rm {e}}^{-x^{2}}\right)-{\frac {7}{480}}\left(1-{\rm {e}}^{-x^{2}}\right)^{2}-{\frac {5}{896}}\left(1-{\rm {e}}^{-x^{2}}\right)^{3}-{\frac {787}{276480}}\left(1-{\rm {e}}^{-x^{2}}\right)^{4}-\cdots \right)\\[10pt]&={\frac {2}{\sqrt {\pi }}}\operatorname {sgn}(x){\sqrt {1-{\rm {e}}^{-x^{2}}}}\left({\frac {\sqrt {\pi }}{2}}+\sum _{k=1}^{\infty }c_{k}{\rm {e}}^{-kx^{2}}\right)\end{aligned}}}
(
sgn
{\displaystyle \operatorname {sgn} }
— це signum-функція). Зберігаючи лише перші два коефіцієнти та вибираючи
c
1
=
31
200
{\displaystyle c_{1}={\frac {31}{200}}}
та
c
2
=
− − -->
341
8000
{\displaystyle c_{2}=-{\frac {341}{8000}}}
, отримане наближення показує свою найбільшу відносну похибку при
x
=
± ± -->
1,379
6
{\displaystyle x=\pm 1{,}3796}
, яка менша ніж
3,612
7
⋅ ⋅ -->
10
− − -->
3
{\displaystyle 3{,}6127\cdot 10^{-3}}
:
erf
-->
(
x
)
≈ ≈ -->
2
π π -->
sgn
-->
(
x
)
1
− − -->
e
− − -->
x
2
(
π π -->
2
+
31
200
e
− − -->
x
2
− − -->
341
8000
e
− − -->
2
x
2
)
{\displaystyle \operatorname {erf} (x)\approx {\frac {2}{\sqrt {\pi }}}\operatorname {sgn} (x){\sqrt {1-{\rm {e}}^{-x^{2}}}}\left({\frac {\sqrt {\pi }}{2}}+{\frac {31}{200}}{\rm {e}}^{-x^{2}}-{\frac {341}{8000}}{\rm {e}}^{-2x^{2}}\right)}
.
Обернена функція помилок є рядом
erf
− − -->
1
x
=
∑ ∑ -->
k
=
0
∞ ∞ -->
c
k
2
k
+
1
(
π π -->
2
x
)
2
k
+
1
{\displaystyle \operatorname {erf} ^{-1}\,x=\sum _{k=0}^{\infty }{\frac {c_{k}}{2k+1}}\left({\frac {\sqrt {\pi }}{2}}x\right)^{2k+1}\,\!}
,
де c 0 = 1 і
c
k
=
∑ ∑ -->
m
=
0
k
− − -->
1
c
m
c
k
− − -->
1
− − -->
m
(
m
+
1
)
(
2
m
+
1
)
=
{
1
,
1
,
7
6
,
127
90
,
… … -->
}
{\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\}}
.
Тому ряд можна подати в наступному вигляді (помітимо, що дроби скорочені):
erf
− − -->
1
x
=
1
2
π π -->
(
x
+
π π -->
x
3
12
+
7
π π -->
2
x
5
480
+
127
π π -->
3
x
7
40320
+
4369
π π -->
4
x
9
5806080
+
34807
π π -->
5
x
11
182476800
+
… … -->
)
{\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)\,\!}
[1] .
Послідовності чисельників і знаменників після скорочення — A092676 і A132467 у OEIS; послідовність чисельників до скорочення — A002067 у OEIS.
При |z | < 1 має місце співвідношення
erf
-->
(
erf
− − -->
1
-->
(
z
)
)
=
z
{\displaystyle \operatorname {erf} \left(\operatorname {erf} ^{-1}(z)\right)=z}
.
Обернена доповнювальна функція помилок визначається як
erfc
− − -->
1
-->
(
1
− − -->
z
)
=
erf
− − -->
1
-->
(
z
)
{\displaystyle \operatorname {erfc} ^{-1}(1-z)=\operatorname {erf} ^{-1}(z)}
.
Для дійсного x існує єдине дійсне число
erfi
− − -->
1
-->
(
x
)
{\displaystyle \operatorname {erfi} ^{-1}(x)}
, що
erfi
-->
(
erfi
− − -->
1
-->
(
x
)
)
=
x
{\displaystyle \operatorname {erfi} \left(\operatorname {erfi} ^{-1}(x)\right)=x}
. Обернена уявна функція помилок визначається як
erfi
− − -->
1
-->
(
x
)
{\displaystyle \operatorname {erfi} ^{-1}(x)}
[ 7] .
Для будь-якого дійсного x можна використовувати метод Ньютона для обчислення
erfi
− − -->
1
-->
(
x
)
{\displaystyle \operatorname {erfi} ^{-1}(x)}
, а при
− − -->
1
≤ ≤ -->
x
≤ ≤ -->
1
{\displaystyle -1\leq x\leq 1}
наступний ряд Макролена є збіжним:
erfi
− − -->
1
-->
(
z
)
=
∑ ∑ -->
k
=
0
∞ ∞ -->
(
− − -->
1
)
k
c
k
2
k
+
1
(
π π -->
2
z
)
2
k
+
1
{\displaystyle \operatorname {erfi} ^{-1}(z)=\sum _{k=0}^{\infty }{\frac {(-1)^{k}c_{k}}{2k+1}}\left({\frac {\sqrt {\pi }}{2}}z\right)^{2k+1}}
,
де коефіцієнти c k визначені вище.
Доповнювальна функція помилок
Асимптотичний розклад
Корисним асимптотичним розкладом доповнювальної функції помилок (а отже, і функції помилок) для великих дійсних
x
{\displaystyle x}
є
erfc
-->
(
x
)
=
e
− − -->
x
2
x
π π -->
[
1
+
∑ ∑ -->
n
=
1
∞ ∞ -->
(
− − -->
1
)
n
1
⋅ ⋅ -->
3
⋅ ⋅ -->
5
⋯ ⋯ -->
(
2
n
− − -->
1
)
(
2
x
2
)
n
]
=
e
− − -->
x
2
x
π π -->
∑ ∑ -->
n
=
0
∞ ∞ -->
(
− − -->
1
)
n
(
2
n
− − -->
1
)
!
!
(
2
x
2
)
n
{\displaystyle \operatorname {erfc} (x)={\frac {{\rm {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 {{\rm {e}}^{-x^{2}}}{x{\sqrt {\pi }}}}\sum _{n=0}^{\infty }(-1)^{n}{\frac {(2n-1)!!}{(2x^{2})^{n}}}}
,
де (2n – 1)!! — подвійний факторіал числа (2n – 1), який є добутком усіх непарних чисел до (2n – 1) включно. Цей ряд розбігається для будь-якого скінченного
x
{\displaystyle x}
, і його зміст як асимптотичного розкладу полягає в тому, що для будь-якого
N
∈ ∈ -->
N
{\displaystyle N\in \mathbb {N} }
erfc
-->
(
x
)
=
e
− − -->
x
2
x
π π -->
∑ ∑ -->
n
=
0
N
− − -->
1
(
− − -->
1
)
n
(
2
n
− − -->
1
)
!
!
(
2
x
2
)
n
+
R
N
(
x
)
{\displaystyle \operatorname {erfc} (x)={\frac {{\rm {e}}^{-x^{2}}}{x{\sqrt {\pi }}}}\sum _{n=0}^{N-1}(-1)^{n}{\frac {(2n-1)!!}{(2x^{2})^{n}}}+R_{N}(x)}
,
де залишок, в позначеннях O великого ,
R
N
(
x
)
=
O
(
x
1
− − -->
2
N
e
− − -->
x
2
)
{\displaystyle R_{N}(x)=O\left(x^{1-2N}{\rm {e}}^{-x^{2}}\right)}
при
x
→ → -->
∞ ∞ -->
.
{\displaystyle x\to \infty .}
Дійсно, точне значення залишку становить
R
N
(
x
)
=
(
− − -->
1
)
N
π π -->
2
1
− − -->
2
N
(
2
N
)
!
N
!
∫ ∫ -->
x
∞ ∞ -->
t
− − -->
2
N
e
− − -->
t
2
d
t
{\displaystyle R_{N}(x)={\frac {(-1)^{N}}{\sqrt {\pi }}}2^{1-2N}{\frac {(2N)!}{N!}}\int _{x}^{\infty }t^{-2N}{\rm {e}}^{-t^{2}}\,{\rm {d}}t}
,
яке легко отримується за допомогою індукції з використанням формули
e
− − -->
t
2
=
− − -->
(
2
t
)
− − -->
1
(
e
− − -->
t
2
)
′
{\displaystyle {\rm {e}}^{-t^{2}}=-(2t)^{-1}\left({\rm {e}}^{-t^{2}}\right)'}
та інтегрування частинами.
Для досить великих значень
x
{\displaystyle x}
потрібні лише перші кілька членів цього асимптотичного розкладу, щоб отримати гарне наближення для функції
erfc
-->
(
x
)
{\displaystyle \operatorname {erfc} (x)}
(тоді як для не надто великих значень
x
{\displaystyle x}
вищенаведений ряд Тейлора у точці
0
{\displaystyle 0}
забезпечує більш швидку збіжність).
Розвинення в ланцюговий дріб
Представлення доповнювальної функції помилок через ланцюговий дріб має вигляд[ 8] Ж
erfc
-->
(
z
)
=
z
π π -->
e
− − -->
z
2
1
z
2
+
a
1
1
+
a
2
z
2
+
a
3
1
+
⋯ ⋯ -->
a
m
=
m
2
.
{\displaystyle \operatorname {erfc} (z)={\frac {z}{\sqrt {\pi }}}{\rm {e}}^{-z^{2}}{\cfrac {1}{z^{2}+{\cfrac {a_{1}}{1+{\cfrac {a_{2}}{z^{2}+{\cfrac {a_{3}}{1+\dotsb }}}}}}}}\qquad a_{m}={\frac {m}{2}}.}
Інтеграл функції помилок з функцією розподілу Гаусса
∫ ∫ -->
− − -->
∞ ∞ -->
∞ ∞ -->
erf
-->
(
a
x
+
b
)
1
2
π π -->
σ σ -->
2
e
− − -->
(
x
− − -->
μ μ -->
)
2
2
σ σ -->
2
d
x
=
erf
-->
[
a
μ μ -->
+
b
1
+
2
a
2
σ σ -->
2
]
,
a
,
b
,
μ μ -->
,
σ σ -->
∈ ∈ -->
R
{\displaystyle \int _{-\infty }^{\infty }\operatorname {erf} \left(ax+b\right){\frac {1}{\sqrt {2\pi \sigma ^{2}}}}{\rm {e}}^{-{\frac {(x-\mu )^{2}}{2\sigma ^{2}}}}\,{\rm {d}}x=\operatorname {erf} \left[{\frac {a\mu +b}{\sqrt {1+2a^{2}\sigma ^{2}}}}\right],\qquad a,b,\mu ,\sigma \in \mathbb {R} }
який отриманий Нг та Геллером за допомогою зміни змінних, формула 13 у параграфі 4.3[ 9] .
Факторіальний ряд
Обернений факторіальний ряд
erfc
-->
z
=
e
− − -->
z
2
π π -->
z
∑ ∑ -->
n
=
0
∞ ∞ -->
(
− − -->
1
)
n
Q
n
(
z
2
+
1
)
n
¯ ¯ -->
=
e
− − -->
z
2
π π -->
z
(
1
− − -->
1
2
1
(
z
2
+
1
)
+
1
4
1
(
z
2
+
1
)
(
z
2
+
2
)
− − -->
⋯ ⋯ -->
)
{\displaystyle {\begin{aligned}\operatorname {erfc} z&={\frac {{\rm {e}}^{-z^{2}}}{{\sqrt {\pi }}\,z}}\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {(-1)^{n}Q_{n}}{{(z^{2}+1)}^{\bar {n}}}}\\&={\frac {{\rm {e}}^{-z^{2}}}{{\sqrt {\pi }}\,z}}\left(1-{\frac {1}{2}}{\frac {1}{(z^{2}+1)}}+{\frac {1}{4}}{\frac {1}{(z^{2}+1)(z^{2}+2)}}-\cdots \right)\end{aligned}}}
є збіжним при
Re
-->
(
z
2
)
>
0
{\displaystyle \operatorname {Re} (z^{2})>0}
. Тут
Q
n
=
def
1
Γ Γ -->
(
1
/
2
)
∫ ∫ -->
0
∞ ∞ -->
τ τ -->
(
τ τ -->
− − -->
1
)
⋯ ⋯ -->
(
τ τ -->
− − -->
n
+
1
)
τ τ -->
− − -->
1
/
2
e
− − -->
τ τ -->
d
τ τ -->
=
∑ ∑ -->
k
=
0
n
(
1
2
)
k
¯ ¯ -->
s
(
n
,
k
)
,
{\displaystyle Q_{n}{\stackrel {\text{def}}{=}}{\frac {1}{\Gamma (1/2)}}\int _{0}^{\infty }\tau (\tau -1)\cdots (\tau -n+1)\tau ^{-1/2}{\rm {e}}^{-\tau }\,{\rm {d}}\tau =\sum _{k=0}^{n}\left({\frac {1}{2}}\right)^{\bar {k}}s(n,k),}
через
z
n
¯ ¯ -->
{\displaystyle z^{\bar {n}}}
позначено зростаючий факторіал , а
s
(
n
,
k
)
{\displaystyle s(n,k)}
— число Стірлінга першого роду [ 10] [ 11]
erf
-->
(
z
)
=
2
π π -->
∑ ∑ -->
n
=
0
∞ ∞ -->
(
− − -->
2
)
n
(
2
n
− − -->
1
)
!
!
(
2
n
+
1
)
!
z
2
n
+
1
{\displaystyle \operatorname {erf} (z)={\frac {2}{\sqrt {\pi }}}\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {(-2)^{n}(2n-1)!!}{(2n+1)!}}z^{2n+1}}
.
Споріднені функції
З точністю до масштабу і зсуву, функція помилок збігається з функцією розподілу ймовірностей нормального розподілу , що позначається
Φ Φ -->
(
x
)
{\displaystyle \Phi (x)}
:
Φ Φ -->
(
x
)
=
1
2
(
1
+
erf
x
2
)
{\displaystyle \Phi (x)={\frac {1}{2}}\left(1+\operatorname {erf} \,{\frac {x}{\sqrt {2}}}\right)\,}
.
Зворотна функція до
Φ Φ -->
{\displaystyle \Phi }
, відома як нормальна квантильна функція , іноді позначається
probit
{\displaystyle \operatorname {probit} }
і виражається через нормальну функцію помилок як
probit
p
=
Φ Φ -->
− − -->
1
(
p
)
=
2
,
erf
− − -->
1
-->
(
2
p
− − -->
1
)
{\displaystyle \operatorname {probit} \,p=\Phi ^{-1}(p)={\sqrt {2}},\operatorname {erf} ^{-1}(2p-1)}
.
Нормальний інтегральний розподіл частіше застосовується в теорії ймовірності і математичній статистиці, тоді як функція помилок частіше застосовується в інших розділах математики.
Функція помилок є окремим випадком функції Міттаг-Лефлера , а також може бути представлена як вироджена гіпергеометрична функція (функція Куммера ):
erf
x
=
2
x
π π -->
1
F
1
(
1
2
,
3
2
,
− − -->
x
2
)
{\displaystyle \operatorname {erf} \,x={\frac {2x}{\sqrt {\pi }}}\,_{1}F_{1}\left({\frac {1}{2}},{\frac {3}{2}},-x^{2}\right)}
.
Функція помилок виражається також через інтеграл Френеля . У термінах регуляризованої неповної гамма-функції P і неповної гамма-функції
erf
x
=
sign
x
P
(
1
2
,
x
2
)
=
sign
x
π π -->
γ γ -->
(
1
2
,
x
2
)
{\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)}
.
Узагальнені функції помилок
Графік узагальнених функцій помилок
E
n
(
x
)
{\displaystyle E_{n}(x)}
: сіра лінія:
E
1
(
x
)
=
(
1
− − -->
e
− − -->
x
)
/
π π -->
{\displaystyle E_{1}(x)=(1-e^{-x})/{\sqrt {\pi }}}
червона лінія:
E
2
(
x
)
=
erf
,
x
{\displaystyle E_{2}(x)=\operatorname {erf} ,x}
зелена лінія:
E
3
(
x
)
{\displaystyle E_{3}(x)}
синя лінія:
E
4
(
x
)
{\displaystyle E_{4}(x)}
жовта лінія:
E
5
(
x
)
{\displaystyle E_{5}(x)}
.
Також можна розглянути загальніші функції:
E
n
(
x
)
=
n
!
π π -->
∫ ∫ -->
0
x
e
− − -->
t
n
,
d
t
=
n
!
π π -->
∑ ∑ -->
p
=
0
∞ ∞ -->
(
− − -->
1
)
p
x
n
p
+
1
(
n
p
+
1
)
p
!
,
.
{\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!}{,}}.}
Окремими вартими уваги випадками є:
E
0
(
x
)
{\displaystyle E_{0}(x)}
— пряма лінія, що проходить через початок координат :
E
0
(
x
)
=
x
e
π π -->
{\displaystyle E_{0}(x)={\frac {x}{e}}{\sqrt {\pi }}}
E
2
(
x
)
{\displaystyle E_{2}(x)}
— функція помилок
erf
,
x
{\displaystyle \operatorname {erf} ,x}
.
Після ділення на
n
!
{\displaystyle n!}
всі
E
n
{\displaystyle E_{n}}
з непарними
n
{\displaystyle n}
виглядають схоже (але не ідентично). Всі
E
n
{\displaystyle E_{n}}
з парними
n
{\displaystyle n}
теж виглядають схоже, але не ідентично, після ділення на
n
!
{\displaystyle n!}
. Всі узагальнені функції помилок з
n
>
0
{\displaystyle n>0}
виглядають схоже на напівосі
x
>
0
{\displaystyle x>0}
.
На напівосі
x
>
0
{\displaystyle x>0}
всі узагальнені функції можуть бути виражені через гамма-функцію :
E
n
(
x
)
=
x
(
x
n
)
− − -->
1
/
n
Γ Γ -->
(
n
)
(
Γ Γ -->
(
1
n
)
− − -->
Γ Γ -->
(
1
n
,
x
n
)
)
π π -->
,
x
>
0
{\displaystyle E_{n}(x)={\frac {x\left(x^{n}\right)^{-1/n}\Gamma (n)\left(\Gamma \left({\frac {1}{n}}\right)-\Gamma \left({\frac {1}{n}},x^{n}\right)\right)}{\sqrt {\pi }}},\qquad x>0}
Отже, ми можемо виразити функцію помилок через гамма-функцію:
erf
x
=
1
− − -->
Γ Γ -->
(
1
2
,
x
2
)
π π -->
{\displaystyle \operatorname {erf} \,x=1-{\frac {\Gamma \left({\frac {1}{2}},x^{2}\right)}{\sqrt {\pi }}}}
.
Ітеровані інтеграли додаткової функції помилок
Ітеровані інтеграли додаткової функції помилок визначаються як
i
n
erfc
,
z
=
∫ ∫ -->
z
∞ ∞ -->
i
n
− − -->
1
,
erfc
,
ζ ζ -->
d
ζ ζ -->
.
{\displaystyle i^{n}\,\operatorname {erfc} ,z=\int \limits _{z}^{\infty }i^{n-1},\operatorname {erfc} ,\zeta \,\mathrm {d} \zeta .\,}
Їх можна розкласти в ряд:
i
n
erfc
z
=
∑ ∑ -->
j
=
0
∞ ∞ -->
(
− − -->
z
)
j
2
n
− − -->
j
j
!
Γ Γ -->
(
1
+
n
− − -->
j
2
)
{\displaystyle i^{n}\,\operatorname {erfc} \,z=\sum _{j=0}^{\infty }{\frac {(-z)^{j}}{2^{n-j}j!\,\Gamma \left(1+{\frac {n-j}{2}}\right)}}\,}
.
звідки випливають властивості симетрії
i
2
m
erfc
(
− − -->
z
)
=
− − -->
i
2
m
erfc
z
+
∑ ∑ -->
q
=
0
m
z
2
q
2
2
(
m
− − -->
q
)
− − -->
1
(
2
q
)
!
(
m
− − -->
q
)
!
{\displaystyle i^{2m}\,\operatorname {erfc} \,(-z)=-i^{2m}\,\operatorname {erfc} \,z+\sum _{q=0}^{m}{\frac {z^{2q}}{2^{2(m-q)-1}(2q)!(m-q)!}}}
і
i
2
m
+
1
erfc
(
− − -->
z
)
=
i
2
m
+
1
erfc
z
+
∑ ∑ -->
q
=
0
m
z
2
q
+
1
2
2
(
m
− − -->
q
)
− − -->
1
(
2
q
+
1
)
!
(
m
− − -->
q
)
!
{\displaystyle i^{2m+1}\,\operatorname {erfc} \,(-z)=i^{2m+1}\,\operatorname {erfc} \,z+\sum _{q=0}^{m}{\frac {z^{2q+1}}{2^{2(m-q)-1}(2q+1)!(m-q)!}}\,}
.
Примітки
↑ Модуль math. Спеціальні функції та константи . bestprog.net/uk (укр.) . 1 листопада 2019. Процитовано 7 жовтня 2023 .
↑ Glaisher, James Whitbread Lee (July 1871). On a class of definite integrals . London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science . 4. 42 (277): 294—302. doi :10.1080/14786447108640568 . Процитовано 6 грудня 2017 .
↑ Glaisher, James Whitbread Lee (September 1871). On a class of definite integrals. Part II . London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science . 4. 42 (279): 421—436. doi :10.1080/14786447108640600 . Процитовано 6 грудня 2017 .
↑ Weisstein, Eric W. Erf . MathWorld . Wolfram.
↑ H. M. Schöpf and P. H. Supancic, "On Bürmann's Theorem and Its Application to Problems of Linear and Nonlinear Heat Transfer and Diffusion, " The Mathematica Journal, 2014. doi:10.3888/tmj.16–11.Schöpf, Supancic
↑
Weisstein, E. W. Bürmann's Theorem . Wolfram MathWorld—A Wolfram Web Resource .
↑ Bergsma, Wicher (2006). On a new correlation coefficient, its orthogonal decomposition and associated tests of independence. arXiv :math/0604627 .
↑ Cuyt, Annie A. M. ; Petersen, Vigdis B.; Verdonk, Brigitte; Waadeland, Haakon; Jones, William B. (2008). Handbook of Continued Fractions for Special Functions . Springer-Verlag. ISBN 978-1-4020-6948-2 .
↑ Ng, Edward W.; Geller, Murray (January 1969). A table of integrals of the Error functions. Journal of Research of the National Bureau of Standards Section B . 73B (1): 1. doi :10.6028/jres.073B.001 .
↑ Schlömilch, Oskar Xavier (1859). Ueber facultätenreihen . Zeitschrift für Mathematik und Physik [de] (нім.) . 4 : 390—415. Процитовано 4 грудня 2017 .
↑ Eq (3) on page 283 of Nielson, Niels (1906). Handbuch der Theorie der Gammafunktion (нім.) . Leipzig: B. G. Teubner. Процитовано 4 грудня 2017 .
Література
Milton Abramowitz and Irene A. Stegun, eds. Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables. New York: Dover, 1972.