الرياضيات الجامعية — السنة 3 · Bachelor Year 3
11القياسات الجدائية، فوبيني، تغيير المتغيّرات
تصير نظرية لوبيغ ذات البُعد الواحد حسابًا متعدّد الأبعاد بواسطة مبرهنتين. فتقول تونيلي–فوبيني إن التكاملات على الجداءات تكاملاتٌ متتالية — أي إن التشريح مشروع، بأي ترتيب، تحت فرضيات يمكن التحقق منها فعلًا. وتنقل صيغة تغيير المتغيّرات التكاملات على امتداد التماثلات التفاضلية من الصنف ، ويكون محدد ياكوبي هو سعر صرف الحجم؛ ونبرهن عليها كاملةً، انطلاقًا من الحالة الخطية حيث تفسّر ما هو المحدد. وتتوالى التطبيقات: صيغة كعكة الطبقات، والالتفاف، والإحداثيات القطبية، وحجم الكرة في البُعد — وفي مسألة نهاية الأسبوع، صيغة ستيرلنغ بتحليل أمين للخطأ.
11.1 الجبور الجدائية من النمط والقياسات الجدائية
تعريف 11.1
من أجل فضاءين قابلين للقياس و ، يتولّد الجبر الجدائي من النمط على بواسطة المستطيلات (حيث و ) — وهي نظام من النمط . ومن أجل و ، تكون الشريحة ؛ ومن أجل دالة على الجداء، .
قضية 11.2
(a) إذا كان ، فإن كل شريحة (وبالتناظر)؛ وإذا كانت قابلة للقياس بالمعنى ، فإن كل قابلة للقياس بالمعنى . (b) .
برهان. (a) المجموعات الجيدة: إن جبر من النمط (لأن الشرائح تتبادل مع المتممات والاتحادات القابلة للعدّ) يحتوي على المستطيلات. وأما من أجل : فإن . (b) () مستطيلات المجموعات البوريلية: يكفي أن تكون الصناديق مفتوحةمفتوحة بوريليةً في (وهي مفتوحة) وأن تكون المستطيلات البوريلية العامة نهاياتٍ — وبمبدأ المجموعات الجيدة مرة أخرى: فإن جبر من النمط يحتوي على المفتوحات؛ ثم نقاطع اثنين كهذين. () وكل مجموعة مفتوحة من اتحادٌ قابل للعدّ لصناديق مفتوحة ناطقة : ومنه فهي محتواة في الجبر الجدائي من النمط . ∎
مبرهنة 11.3 (القياس الجدائي)
ليكن و منتهيين من النمط . من أجل كل ، تكون الدالة قابلة للقياس، ويعرّف
القياسَ الوحيد على الذي يحقق . وهو منتهٍ من النمط ، ومتناظر: إذ يُحصَل على القياس نفسه بمكاملة شرائح بالنسبة إلى .
برهان. قابلية للقياس. ليكن منتهيًا أولًا. الصنف المؤلَّف من المجموعات التي يكون التطبيق من أجلها قابلًا للقياس يحتوي على المستطيلات () وهو نظام من النمط : فمن أجل في ، (بالانتهاء)؛ ومن أجل ، (بالاتصال من الأسفل)، والنهايات الرتيبة للدوال القابلة للقياس قابلةٌ للقياس. وتشكّل المستطيلات نظامًا من النمط : فتعطي مبرهنة دينكين (المبرهنة 9.4) أن . وإذا كان منتهيًا من النمط ، كتبنا مع و : فنجد حيث منتهٍ.
القياس. تنتج الجمعية من النمط للمقدار من النتيجة 10.7 (لأن شرائح المجموعات المنفصلة منفصلة). وعلى المستطيلات تعطي . الوحدانية: يتوافق مرشّحان على النظام من النمط المؤلَّف من المستطيلات؛ ويعطي الانتهاء من النمط مستطيلات ذات قياس منتهٍ: المبرهنة 9.7. وأما التناظر: فالبناء بالترتيب الآخر قياسٌ أيضًا يتوافق على المستطيلات — وهو وحيد، ومنه فهو القياس نفسه. ∎
تعريف 11.4
قياس لوبيغ على هو ( عاملًا؛ ويُتحقَّق من تجميعية البناء على الصناديق وتنتشر بالوحدانية). وهو القياس البوريلي الوحيد الذي يعطي كل صندوق حجمَه ؛ وهو صامد بالانسحاب (لأن المنسحبات تتوافق على الصناديق)، ومنتهٍ من النمط ، وتام بعد إتمام كاراتيودوري — ونكتب للقياس المتمَّم ونكامل تبعًا لذلك.
11.2 تونيلي وفوبيني
مبرهنة 11.5 (تونيلي)
ليكن منتهيين من النمط ، ولتكن قابلة للقياس. عندئذٍ تكون قابلة للقياس و
برهان. الآلة المعيارية. فمن أجل هذه هي المبرهنة 11.3 (وصيغتها المتناظرة). وبالخطية تصح من أجل بسيطة. ومن أجل عامة: نأخذ دوالًّا بسيطة (المبرهنة 10.4)؛ عندئذٍ من أجل كل (بمبرهنة التقارب الرتيب في )، ومنه تتقارب الأطراف اليسرى بمبرهنة التقارب الرتيب في ، بينما بمبرهنة التقارب الرتيب على الجداء. ∎
مبرهنة 11.6 (فوبيني)
ليكن منتهيين من النمط ، ولتكن . عندئذٍ تكون الشريحة قابلة للمكاملة بالنسبة إلى من أجل في كل مكان تقريبًا بالمعنى ، وتكون الدالة المعرَّفة في كل مكان تقريبًا قابلة للمكاملة، ويساوي التكاملان المتتاليان كلاهما .
برهان. يبيّن تطبيق تونيلي على أن ذات تكامل منتهٍ، ومنه فهي منتهية في كل مكان تقريبًا: أي من أجل في كل مكان تقريبًا. ونشطر (في الحالة الحقيقية؛ وبالمركّبات في العقدية): فتحسب تونيلي كل تكامل متتالٍ للمقدارين بوصفه ، ويتكامل الفرق المعرَّف في كل مكان تقريبًا ليعطي الفرق. وبالتناظر من أجل الترتيب الآخر. ∎
طريقة 11.7
لتبديل تكاملين (أو تكامل ومجموع، أو مجموعين): إذا كان المقدار المكامَل غير سالب، بدّل بحرية (تونيلي). وإلا فطبّق أولًا تونيلي على بالترتيب الأسهل تقديرًا؛ فإذا كانت النتيجة منتهية، شرّعت فوبيني التبديلَ. ولا تتجاوز أبدًا فحص : فللمقدار المكامَل في التمرين 11.4 تكاملان متتاليان بقيمتين مختلفتين.
قضية 11.8 (كعكة الطبقات)
من أجل قابلة للقياس على المنتهي من النمط :
برهان. نطبّق تونيلي على على (وهي قابلة للقياس: لأنها ، وهي تركيبة من نمط بوريل للدالة القابلة للقياس ): فتعطي المكاملة في أولًا ؛ وفي أولًا، . وأما من أجل : فنعوّض في ، أي نطبّق الصيغة الأولى على ونغيّر المتغيّرات في التكامل ذي البُعد الواحد (). ∎
مبرهنة 11.9 (الالتفاف على )
من أجل ، يتقارب التكامل
تقاربًا مطلقًا من أجل في كل مكان تقريبًا، ويعرّف مع ، ويكون تبديليًا وتجميعيًا.
برهان. المقدار قابل للقياس (لأن متصل؛ ثم نركّب ونضرب). وبتونيلي:
(بصمود بالانسحاب في التكامل الداخلي). ومنه فإن التكامل المزدوج منتهٍ؛ وتعطي فوبيني التقاربَ المطلق في كل مكان تقريبًا وحدَّ المعيار . وأما التبديلية: فبالتعويض (بصمود الانسحاب والانعكاس — وصمود الانعكاس يصح على الصناديق، ومنه في كل مكان بالوحدانية). وأما التجميعية: فبتونيلي–فوبيني على تكامل ثلاثي. ∎
11.3 تغيير المتغيّرات
مبرهنة 11.10 (تغيير المتغيّرات الخطي)
من أجل ومن أجل : ؛ ومن ثَمّ من أجل أو من أجل دالة قابلة للمكاملة.
برهان. القياس قياسٌ بوريلي (لأن التماثلات الطوبولوجية تحفظ المجموعات البوريلية، المسألة 9.1)، وصامد بالانسحاب ()، ومنتهٍ على الصندوق الواحدي: ومنه، بتمييز قياس لوبيغ (التمرين 9.6، الذي يصح برهانه حرفيًا في بالمكعبات الثنائية)، يكون مع . والتطبيق ضربي (، بالتركيب)، ومنه يكفي حساب على مولِّدات : أي المصفوفات الأوّلية. القطرية : ترسل المكعب الواحدي إلى صندوق حجمه : ومنه . وتبديل الإحداثيات: يبدّل المكعب: ومنه . والانسحاب المستعرض : تكون صورة المكعب الواحدي موشورًا مقصوصًا؛ وبتونيلي يكون قياسه ، لأن كل شريحة فترةٌ طولها : ومنه . وكل مصفوفة قابلة للقلب جداءٌ لهذه (بحذف غاوس)، وكلٌّ من و ضربي: ومنه . وتنتج صيغة التكامل بالآلة المعيارية (بالدوال المميّزة، ثم البسيطة، ثم بمبرهنة التقارب الرتيب). ∎
مبرهنة 11.11 (تغيير المتغيّرات)
لتكن مفتوحتين وليكن تماثلًا تفاضليًا من الصنف . من أجل كل دالة قابلة للقياس (أو ):
برهان. نكتب . وقلب البرهان هو المتراجحة
وترفع الخطوة 4 أدناه المتراجحةَ — مطبَّقةً على كلٍّ من و — إلى تساوي المبرهنة. ولاحظ أن هو نفسه تماثل تفاضلي من الصنف محدد ياكوبي له (بقاعدة السلسلة على ).
الخطوة 1: المتراجحة من أجل المكعبات بعامل تشويه. لنثبّت مكعبًا مغلقًا مركزه وضلعه (أي كرة بمعيار السوپريموم). الادعاء: من أجل كل ، إذا كان قابلًا للاشتقاق على مع على (بمعيار المؤثر من أجل معيار السوپريموم)، فإن
لأنه من أجل ، تعطي متراجحة القيم المتوسطة المطبَّقة على أن ، ويسحب هذا القصورَ إلى توسيع للمكعب بمقدار . وحسب المبرهنة 11.10،
الخطوة 2: المتراجحة من أجل المكعبات المتراصة، بالتجزئة. ليكن مكعبًا متراصًّا وليكن . وعلى يكون متصلًا بانتظام ويكون محدودًا (بالتراص)؛ نجزّئ إلى مكعبًا جزئيًا صغيرًا بما يكفي ليكون تذبذب على كلٍّ منها . وبالخطوة 1 على كل مكعب جزئي (مركزه ):
والخطوة الأخيرة لأن بانتظام على (باتصال ) — أي بمقارنة مجاميع ريمان. ونجعل : فتصح من أجل المكعبات المتراصة.
الخطوة 3: المتراجحة من أجل كل مجموعة بوريلية . دالة المجموعات ، على الأجزاء البوريلية من ، قياسٌ (لأن تقابل على يحفظ المجموعات البوريلية والانفصال القابل للعدّ)، وكذلك . وكل جزء مفتوح من اتحادٌ قابل للعدّ لمكعبات ثنائية متراصة شبه منفصلة (بالتفكيك الثنائي المعياري: بأخذ المكعبات الثنائية الأعظمية المحتواة في المفتوحة)، والقياسان جمعيان عليها (لأن حدود المكعبات معدومة القياس بالمعنى ، وصورها بالتطبيق معدومة القياس حسب الخطوة 2 مطبَّقةً على تغطيات مكعبية رقيقة للأوجه): ومنه تنتقل من المكعبات إلى المفتوحات. وأما من أجل مجموعة بوريلية عامة : فنستنفد بمتراصات مع ، ونثبّت ؛ وعلى يكون محدودًا بعدد ما. وبالانتظام الخارجي للقياس (بالبرهان نفسه كما في المبرهنة 9.13، بالصناديق)، نختار مفتوحات تحقق و . عندئذٍ
ونجعل : بالاتصال من الأسفل على اليسار، وبمبرهنة التقارب الرتيب على اليمين. وهذا يُثبت .
الخطوة 4: التساوي وصيغة التكامل. نمدّد أولًا من المجموعات إلى التكاملات: فمن أجل كل دالة قابلة للقياس على ،
وبالفعل، من أجل هذه هي مع ؛ وتمدّدها الخطية إلى البسيطة، وتمدّدها مبرهنة التقارب الرتيب إلى كل (بالآلة المعيارية). والآن نطبّق مرتين: أولًا على ، ثم — من أجل التماثل التفاضلي — على الدالة :
لأن (بقاعدة السلسلة على ). فتكون جميع المتراجحات تساويات: ومنه تصح الصيغة من أجل ، ومن أجل دوال بالتفكيك. ∎
مثال 11.12 (الإحداثيات القطبية؛ الدالة الغاوسية من جديد)
التطبيق تماثل تفاضلي من الصنف من على منزوعًا منه نصف مستقيم (وهو معدوم القياس)، مع :
ومن أجل ، تعطي تونيلي وهذه الصيغة أن
وهو البرهان الكلاسيكي ذو السطرين على ، وقد صار الآن مبرَّرًا تمامًا (قارنه ببرهان الوسيط في المسألة 10.1).
مبرهنة 11.13 (حجم الكرة الواحدية)
لتكن في . عندئذٍ
برهان. نحسب مرتين. فبتونيلي يتفكّك إلى عوامل: . وبصيغة كعكة الطبقات (القضية 11.8) مع ، ومجموعات مستوياتها كرات: من أجل ، وقياسها (لأن التمدّد بالعامل يحجّم بالعامل : المبرهنة 11.10)، ومنه
ثم نساوي. (والقيم: ، ، وهكذا.) ولاحظ أن حين — وتكمّم مسألة نهاية الأسبوع سرعة ذلك، عبر ستيرلنغ. ∎
11.4 تمارين
تمرين 11.1 ★
ليكن قياس العدّ على (وهو ليس منتهيًا من النمط ) وليكن قياس لوبيغ، ولتكن القطرَ في . برهن على أن قابلة للقياس، واحسب التكاملين المتتاليين للمقدار بالنسبة إلى و : فهما مختلفان. وأي فرضية من فرضيات المبرهنة 11.5 تخفق؟
حل
حل التمرين 11.1.
المجموعة مغلقة في ، ومنه فهي بوريلية، ويكون هو الجبر الجدائي من النمط (القضية 11.2(b)). وبالمكاملة المتتالية في اتجاه:
وفي الاتجاه الآخر:
والفرضية المخفقة هي الانتهاء من النمط لقياس العدّ على المجموعة غير القابلة للعدّ : إذ لا تغطّيها أي عائلة قابلة للعدّ من المجموعات ذات القياس المنتهي بالمعنى .
تمرين 11.2 ★
برّر التبديل واستنبط تكامل ديريكليه من جديد: من أجل ،
واحسب التكامل الداخلي بصيغة مغلقة، ثم اجعل (بالهيمنة على التكامل في ) لتحصل على .
حل
حل التمرين 11.2.
على : (بتونيلي مطبَّقة على القيمة المطلقة): فتنطبق فوبيني، وبما أن ،
(والتكامل الداخلي: ، محسوبًا مباشرةً). وحين يُحدّ حدّ التصحيح بالمقدار ؛ والحدّ الرئيسي هو . ومنه — أي تكامل ديريكليه بواسطة فوبيني.
تمرين 11.3 ★★
(a) برهن على أنه من أجل قابلة للقياس ومن أجل منتهٍ: : أي إن القابلية للمكاملة هي قابلية قياسات الذيل للجمع. (b) استنتج أن (حيث منتهٍ) إذا وفقط إذا كان .
حل
حل التمرين 11.3.
(a) كعكة الطبقات (القضية 11.8): ، والدالة متناقصة بالمعنى الواسع. وعلى : ؛ وبجمع التكاملات على الفترات الواحدية:
(b) نطبّق (a) على : فيتكافأ انتهاء التكامل مع انتهاء المتسلسلة (لأن الحدّ الإضافي منتهٍ).
تمرين 11.4 ★★
من أجل على ، برهن على
(ولاحظ )، وتحقق مباشرةً من : فإن فرضية القابلية للمكاملة في مبرهنة فوبيني ليست زخرفية.
حل
حل التمرين 11.4.
بما أن من أجل :
وبالتناظر التخالفي ، يعطي الترتيب الآخر . وأما القيم المطلقة: فمن أجل ،
ولا تناقض مع فوبيني: إذ تخفق فرضيتها ، ويكون التكاملان المتتاليان ببساطة عددين مختلفين.
تمرين 11.5 ★★
(a) احسب صراحةً (وهي دالة خيمة)، والشكل العام للمقدار . (b) برهن على . (c) برهن على أنه إذا كان وكانت محدودة ومتصلة، فإن متصلة. (بالتقارب المهيمن عبر اتصال الانسحاب على المحدودة.)
حل
حل التمرين 11.5.
(a) : أي من أجل ، و من أجل ، و من أجل : وهي الخيمة. ويعطي التفافها مرة أخرى نتوءًا من الصنف كثيرَ حدود بالقطع من الدرجة الثانية على (أي دالة السبلاين التربيعية): فكل التفاف يكسب درجة نعومة إضافية — وهذا هو مبدأ التنعيم الكامن وراء مليِّفات الفصل 12.
(b) إذا كان ، فثمة كرة حول منفصلة عن مجموعة المجموع؛ إذ من أجل يكون ، ومنه ينعدم المقدار المكامَل انعدامًا تامًّا: أي بجوار .
(c) من أجل : ؛ تتقارب المقادير المكامَلة نقطةً نقطة (باتصال ) وتُهيمَن بالمقدار : فتعطي مبرهنة التقارب المهيمن أن .
تمرين 11.6 ★★
(a) برهن على أن المُبسَّط حجمه (بالتراجع وفوبيني). (b) استعد و من المبرهنة 11.13، وبرهن على .
حل
حل التمرين 11.6.
(a) بفوبيني وبالتراجع، بالتشريح على امتداد الإحداثي الأخير:
باستعمال قاعدة التمدّد (المبرهنة 11.10)؛ ومع : يكون الحجم .
(b) ؛ . والمجسم الإهليلجي هو حيث : فتعطي المبرهنة 11.10 الحجم .
تمرين 11.7 ★★
من أجل أي يكون ما يلي منتهيًا؟ برّر بالإحداثيات القطبية:
وعمّم على (بالعتبتين و ).
حل
حل التمرين 11.7.
في ، بالإحداثيات القطبية (المثال 11.12):
وهو منتهٍ إذا وفقط إذا كان (أي )، وعلى التوالي (أي ). وفي ، نتفادى الإحداثيات الكروية بواسطة كعكة الطبقات: ، ويكون إذا وفقط إذا كان ، أي ؛ ويتقارب التكامل الخارجي إذا وفقط إذا كان (بالحساب نفسه على المنطقة المتممة).
تمرين 11.8 ★★★
(بيتا–غاما) من أجل ، لتكن . انطلاقًا من بوصفه تكاملًا مزدوجًا، عوّض (وهو تماثل تفاضلي للربع المفتوح على ؛ واحسب محدد ياكوبي له ) واخلص إلى
واستنتج وقيمة تكاملات واليس .
حل
حل التمرين 11.8.
بتونيلي (لأن المقادير المكامَلة موجبة) وبتغيير المتغيّرات ، وهو تماثل تفاضلي من الصنف من على الربع المفتوح مع
وبالتعويض في نجد . وأما واليس: — مثلًا باستعمال .
تمرين 11.9 ★★
(صيغة النقل) لتكن قابلة للقياس وليكن القياس المدفوع. برهن على أنه من أجل كل دالة قابلة للقياس على :
(بالآلة المعيارية). ثم قارن ذلك مع المبرهنة 11.10: فما المعلومة الإضافية التي تحملها صيغة تغيير المتغيّرات ولا تحملها صيغة النقل المجرّدة؟ (فصيغة النقل لا تعيّن أبدًا؛ أما مبرهنة تغيير المتغيّرات فتحسب صراحةً بوصفه قياسًا ذا كثافة.)
حل
حل التمرين 11.9.
بالدوال المميّزة: ؛ وتمدّدها الخطية إلى البسيطة، وتمدّدها مبرهنة التقارب الرتيب إلى — وهذه صيغة النقل. وهي شكلية محضة: إذ تعيد كتابة التكاملات بالنسبة إلى لكنها لا تقول شيئًا عن ماهية . أما مضمون المبرهنة 11.10 والمبرهنة 11.11 فهو التعيين
أي حساب القياس المدفوع لقياس لوبيغ — والمُدخَل التحليلي هنا هو الهندسة التفاضلية للتطبيق ، لا الشكلانية القياسية.
تمرين 11.10 ★★★
(العزوم الغاوسية) باستعمال الإحداثيات القطبية وفوبيني، احسب من أجل الوزن الغاوسي المعياري على :
وتحقق من الاتساق ()، واستنتج العزم الثاني للقياس .
حل
حل التمرين 11.10.
بتونيلي يتفكّك الوزن الغاوسي إلى عوامل، ومنه، مع و (بالمكاملة بالتجزئة):
(وبالتناظر يسهم المقدار بعدد من الحدود المتساوية — وهذا هو فحص الاتساق). وأما من أجل القياس المعيَّر ، فالعزم الثاني هو .
تمرين 11.11 ★★
(المنحني البياني وما تحته) لتكن قابلة للقياس. (a) برهن على أن ما تحت المنحني البياني قابل للقياس في مع
أي «التكامل هو المساحة تحت المنحني البياني»، وقد صار أخيرًا مبرهنةً. (بالشرائح؛ وتونيلي.) (b) برهن على أن المنحني البياني مجموعةٌ معدومة القياس في . (c) استنتج برهانًا من سطرين على أن الكرة معدومة القياس بمعنى لوبيغ في .
حل
حل التمرين 11.11.
(a) من أجل ، مقاطعةً مع : وهي قابلة للقياس، لأن والتطبيق قابلان للقياس على الجداء (بالتركيب مع الإسقاطين). وشريحة عند هي ، وقياسها : فتكامل تونيلي الشرائحَ،
(b) المنحني البياني هو ، وهو قابل للقياس؛ وشرائحه عند مجموعاتٌ أحادية قياسها : فتعطي تونيلي أن .
(c) الكرة اتحادُ المنحنيين البيانيين فوق الكرة الواحدية من (بفصل الإحداثي الأخير): أي اتحاد مجموعتين معدومتي القياس حسب (b)، ومنه فهي معدومة القياس.
تمرين 11.12 ★★
(تكامل مزدوج شهير) باستعمال المتسلسلة الهندسية وتونيلي على ، برهن على
(والمتطابقة الثانية للمتسلسلة: بفصل الأدلّة الزوجية عن الفردية.) ومع (الفصل 15)، يُقيَّم تكاملان بريئا المظهر بالقيمتين و ؛ وأين تعمل فرضية الإيجابية في مبرهنة تونيلي بالضبط؟
حل
حل التمرين 11.12.
على ، بحدود غير سالبة: فتسمح تونيلي بالمكاملة حدًّا حدًّا،
وأما في الحالة المتناوبة، فإن ليست متسلسلة موجبة؛ غير أن تكامل المتسلسلة المطلقة هو ، ومنه تنطبق فوبيني (بعد أن ثبتت القابلية للمكاملة): . وأما متطابقة المتسلسلة:
ومع (المسألة 15.1): يكون التكاملان و . وكانت إيجابية تونيلي هي كل الرهان في الحساب الأول — إذ لا حاجة إلى فحص القابلية للمكاملة قبل التبديل؛ وأما في الثاني، فإيجابية المتسلسلة المطلقة هي التي تشهد بالقابلية للمكاملة حتى تشتغل فوبيني على المتسلسلة ذات الإشارة.
11.5 مسألة: صيغة ستيرلنغ
مسألة 11.1
مسألة نهاية الأسبوع — ، بالتقارب المهيمن
تحكم صيغة ستيرلنغ كل إحصاء مقارب في هذا الكتاب — أحجام الكرات، والمعاملات الثنائية، والصيغة المحلية لمبرهنة النهاية المركزية. ونبرهن عليها من تكامل (المثال 10.16) بواسطة طريقة لابلاس، في صيغتها الأنقى بالتقارب المهيمن، ثم نجمع العوائد.
الجزء الأول — الصيغة. من أجل ، .
عوّض وبرهن على
حيث .
- برهن على النهاية نقطةً نقطة: من أجل كل مثبَّت، حين (انشر حتى الرتبة الثانية).
الهيمنة. لتكن ، بحيث يكون من أجل . برهن على الحدّين
(ادرس و : احسب المشتقات وتحقق من الإشارة على كل مجال). واستنتج، من أجل :
بحيث يكون : أي مهيمِن قابل للمكاملة لا يتعلق بالوسيط .
اخلص بمبرهنة التقارب المهيمن وبالتكامل الغاوسي (المثال 11.12):
وعلى وجه الخصوص .
الجزء الثاني — العوائد.
- (واليس) من التمرين 11.8، وبصيغ من نمط : استنبط من ستيرلنغ، وتحقق منها مقابل العلاقة التراجعية .
(أحجام الكرات تنهار) برهن على
ومنه فإن أسرع من أي متتالية هندسية؛ وجد البُعد الذي يعظّم (عدديًا: ).
(تركّز الثنائي — استباقًا لِما في الفصل 23) باستعمال ستيرلنغ، برهن على التقدير المحلي، من أجل مع مثبَّت و زوجي:
أي المقطع الغاوسي المتقطّع: أي دي موافر–لابلاس في مهدها.
- وأين استعمل برهان الجزء الأول بالضبط: (أ) مبرهنة التقارب الرتيب أو المهيمن؛ (ب) التكامل الغاوسي؛ (ج) خصائص صمود قياس لوبيغ؟ بجملة واحدة لكلٍّ.
الجزء الثالث — حد الخطأ: ستيرلنغ بحصر. نضع ، بحيث يقول الجزء الأول إن .
- برهن على .
مع ، تحقق من وانشر:
واستنتج الحدّين
تلسكب (باستعمال ) وتحقق من المتطابقة الجبرية اللطيفة من أجل ، لتحصل على الحصر الكلاسيكي
- نتيجتان: (a) يكون الخطأ النسبي لصيغة ستيرلنغ متى كان ؛ (b) قدّر بأربعة أرقام معنوية يدويًا من الحصر ()، وتعجّب قليلًا من دقة صيغة مقاربة عند منتهٍ جدًّا.
الجزء الرابع — طريق واليس: ستيرلنغ دون الدالة الغاوسية. تاريخيًا جاء الثابت من واليس لا من غاوس؛ ويعيد هذا الجزء البرهان على ستيرلنغ مستقلًّا عن الجزأين الأول والثاني، ومن ثَمّ يعيد البرهان على التكامل الغاوسي. لتكن .
أثبت (بالمكاملة بالتجزئة)، والصيغتين المغلقتين
والمتطابقة .
من رتابة استنتج ، ثم
أي مبرهنة واليس، محصَّلًا عليها دون ستيرلنغ.
- برهن، بتلسكبة الجزء الثالث وحدها (دون حاجة إلى قيمة الثابت)، على أن يتقارب إلى نهاية ما ؛ وهذا يكافئ مع غير معيَّن بعد.
- أدخل هذا التقدير المقارب في وعيّن، باستعمال السؤال 14، القيمةَ الوحيدة الممكنة: . وركّب المنطق: فالجزآن الثالث والرابع معًا يعطيان برهانًا ثانيًا كاملًا على ستيرلنغ — ومن ثَمّ، بتشغيل تعويض الجزء الأول عكسيًا، تقييمًا مستقلًّا للمقدار . ركنان، يسند كلٌّ منهما الآخر.
الجزء الخامس — عوائد أخيرة.
(المقطع المحلي الكامل) من أجل الأعداد الصحيحة (حيث مثبَّت)، برهن على
بانتظام في (خذ اللوغاريتمات واستعمل ). وهذه هي الصيغة ذات الطرفين للسؤال 7 والتقدير المضبوط المذكور في مسألة نهاية الأسبوع من الفصل 23.
- (استباق بواسون) برهن بستيرلنغ على : أي إن منوال قانون بواسون ذي المتوسط الكبير يحمل الكتلة ، تمامًا كما ستتنبّأ مبرهنة النهاية المركزية.
- (نسب غاما) من أجل ، برهن على باستعمال حدود ميل التحدّب اللوغاريتمي في المسألة 10.1 (السؤال 14 هناك)، ومدّد إلى كل عدد حقيقي بالمعادلة الدالية. (وهذا ما تعنيه عبارة « ستيرلنغ» بين الأعداد الصحيحة.)
(الكرات، مرة أخرى) من : كوِّن جدولًا للقيم بالضبط، وتحقق من وحدانية المنوال عبر (متزايد ما دام ، ومتناقص بعده)، وبرهن على المتطابقة المولِّدة اللافتة
أي إن جميع أحجام الكرات الواحدية ذات الأبعاد الزوجية محزومة في أُسّي واحد.
(مقاربات الإنتروبيا) من أجل مثبَّت مع ، استنتج من ستيرلنغ
أي إن معدل النمو الأُسّي للمعاملات الثنائية هو الإنتروبيا — وتحقق من أن يستعيد السؤال 5، ومن أن من أجل (ومنه فإن المعاملات الثنائية البعيدة عن المركز مهملة أُسّيًا بالنسبة إلى ).
- (مساحات السطوح) مساحة الكرة الواحدية هي (المبرهَن عليها بوصفها التمرين 21.6 في فصل الصيغ التفاضلية؛ ونأخذها هنا تعريفًا). كوِّن جدولًا للقيم ، وحدّد أكبرها (، )، وبرهن على أن بسرعة تفوق الهندسية أيضًا — فالكرات في الأبعاد العالية، بكل مقياس إقليدي، متلاشية الصغر.
(حد التصحيح الأول) استنتج من حصر السؤال 11 أن ، ومنه
وتحقق عند : تعطي الصيغة المجرّدة (بخطأ نسبي )، وتعطي المصحَّحة مقابل (بخطأ نسبي ) — فحدٌّ واحد من المتسلسلة يشتري رقمين ونصف رقم.
(وسيط ) برهن على
مقاربًا، أي إن نصف كتلة المقدار المكامَل للدالة بالضبط يقع تحت منوالها . (شغّل تعويض الجزء الأول على التكامل المبتور؛ ومهيمِن السؤال 3 موجود أصلًا.)
(الإنتروبيا، لا مقاربًا) من أجل برهن على الحد، الصحيح من أجل كل :
بمقارنة المجموع بالمقدار من أجل الميل . وتحقق من أن هذا الاختيار للمقدار أمثلي، ووفّق بينه وبين السؤال 21: فالمعدل الأُسّي للعبارة المقاربة يُبلَغ بمتراجحة من سطر واحد دون أي مقاربات البتة.
حل
حل المسألة 11.1.
1. مع (حيث ؛ ويجول في حين يجول في ):
لأن و .
2. من أجل مثبَّت وحين : : ومنه .
3. نضع على : فيكون و ، وهو على و على : ومنه ، أي هناك. ونضع على ، مع : فيكون و : ومنه من أجل . والآن من أجل : إذا كان فإن ؛ وإذا كان فإن (لأن )، ومنه . ومنه ، وهو قابل للمكاملة ولا يتعلق بالوسيط .
4. بمبرهنة التقارب المهيمن: (المثال 11.12 مع التحجيم ). ومع السؤال 1:
5. من التمرين 11.8، . وبستيرلنغ:
ومنه ، وهو متسق مع العلاقة التراجعية (التي تفرض ، وتعطي مع — أي علاقة واليس الكلاسيكية — أن ؛ فالعبارتان المقاربتان متوافقتان).
6. ، ومنه
بسرعة تفوق الهندسية (إذ من أجل ، يكون كل عامل ومتناقصًا). وعدديًا ، ، ، ، ، : فالقيمة العظمى عند .
7. مع (عددًا صحيحًا، حيث زوجي و مثبَّت): نأخذ اللوغاريتمات في ونطبّق ستيرلنغ على المضروبات الثلاثة. وبكتابة ، مع :
ويكون المقدار بين القوسين : ومنه يؤول المقدار المعروض إلى إلى غاية ، أي
وهو المقطع الغاوسي لرمي القطعة النقدية، مكمَّمًا — أي الصيغة المحلية لدي موافر–لابلاس، التي ستُعمَّم في الفصل 23.
8. (أ) تحوّل مبرهنة التقارب المهيمن النهايةَ النقطية من السؤال 2 إلى تقارب التكاملات، باستعمال مهيمِن السؤال 3. (ب) يقيّم التكامل الغاوسي النهاية — أي إن ثابت ستيرلنغ هو التكامل الغاوسي. (ج) التعويض تغييرُ متغيّرات أفيني: أي صمود قياس لوبيغ بالانسحاب وقاعدة تحجيمه (المبرهنة 11.10 في البُعد ).
9. ننشر الحدّين معًا:
إذ يتركّب الحدّان و ليعطيا .
10. من أجل : ، و ؛ وتعطي المتسلسلة الفردية أن
ثم نطرح . وأما الحدّ الأدنى: فهو الحدّ الأول وحده، . وأما الحدّ الأعلى: فنخفّض جميع المقامات إلى ونجمع المتسلسلة الهندسية: .
11. بجمع الحدّ الأعلى من إلى (مع ): . وأما من أجل الحدّ الأدنى: ، و
وهو صحيح من أجل . وبجمع هذا المصغِّر المتلسكب: . ويعطي أخذ الأُسّي الحصرَ الكلاسيكي للمقدار .
12. (a) الخطأ النسبي هو من أجل كبير؛ ويكون بمجرد أن يكون ، ويكفي المقدار المذكور (إذ يستلزمه أصلًا ). (b) ، ومنه ؛ والنافذة المضمونة عرضها دون من حيث الخطأ النسبي — أي صيغة «مقاربة» تغدو، عند ، أداةَ دقة.
13. نكتب ، ونكامل الحدّ الثاني بالتجزئة (، ، ):
ومنه ، أي . ومن و :
بتحويل المضروبات المزدوجة بالعلاقة و . وأخيرًا بالعلاقة التراجعية: فهو ثابت، يساوي .
14. تعطي (برتابة نقطةً نقطة) و حصرَ المقدار . وبضمّ ذلك إلى (السؤال 13): ، ومنه و .
15. لم يستعمل السؤالان 9 و10 قيمة الثابت البتة: فمع ، تقع الفروق في ، ومنه تتناقص بينما تتزايد : فهما متتاليتان متجاورتان، تتقاربان إلى نهاية مشتركة . ومنه ، حيث .
16. بإدخال ستيرلنغ ذي الثابت المجهول في المعامل الثنائي المركزي:
ويفرض السؤال 14 أن : أي . فيعيد الجزآن الثالث والرابع إذًا البرهانَ على ستيرلنغ من الصفر؛ وبإدخالها في متطابقة الجزء الأول يُقيَّم المقدار دون إحداثيات قطبية: فواليس وغاوس يسند كلٌّ منهما الآخر.
17. من أجل (وبالتناظر من أجل ). وبأخذ اللوغاريتمات، مع :
و ، بينما يبلغ مجموع الخطأ : فبانتظام، .
18. . فلمتغيّر بواسوني متوسطه انحرافٌ معياري قدره ، ويكون المقدار بالضبط ارتفاع الذروة الغاوسية : أي مبرهنة النهاية المركزية المحلية، مستبَقةً عند المنوال.
19. من أجل ، تعطي مبرهنة الميل المساعدة من المسألة 10.1 (السؤال 14 هناك)، مطبَّقةً على الدالة المحدَّبة حول ، أن : فتُحصَر النسبة إلى بالمقدار . ومن أجل (حيث و ): ، وكلٌّ من العوامل يساوي : فنضرب التقديرات بعضها ببعض.
20. تعطي العلاقة التراجعية (الناتجة عن )، انطلاقًا من و :
والنسبة تتجاوز من أجل بالضبط، ومنه تتزايد كل زوجية ثم تتناقص؛ وعدديًا ، ، : فالقيمة العظمى الإجمالية عند . وأما الدالة المولِّدة: فإن ، ومنه — أي جميع أحجام الكرات الواحدية ذات الأبعاد الزوجية محزومة في أُسّي واحد، مع تقدير فوري يفوق الهندسي لتناقص .
21. بستيرلنغ في البسط والمقام، مع :
لأن (إذ تتبسّط قوى : )، وتتبسّط كذلك المقادير . وعند : يكون ويكون المعامل — أي السؤال 5 من جديد. وتقعّر الأكيد (إذ مشتقها الثانية ) يضع قيمتها العظمى عند وحدها: فمن أجل ، يتناقص المقدار أُسّيًا — وهذا هو المحرّك التوافيقي وراء كل عبارة تركّز عن رميات القطعة النقدية.
22. من ومن السؤال 20:
وعدديًا ؛ و : فالقيمة العظمى هي كرة البُعد . وتبيّن العلاقة التراجعية الصعودَ ثم الهبوطَ الفائق الهندسية نفسه المحكوم بالنسبة كما في الأحجام: فبعد البُعد السابع، تتلاشى الكرات أسرع من أي متتالية هندسية.
23. يقول السؤال 11 بالضبط إن ، و
ومنه و ؛ وبالضرب في نحصل على الصيغة المصحَّحة. وعند : ، أي أقلّ بمقدار (بخطأ نسبي )؛ وبالضرب في نجد ، أي أقلّ بمقدار (بخطأ نسبي ). والحصر نفسه يحبس بين و — فالحدّ الأعلى يخطئ بثماني وحدات في سبعة أرقام.
24. يعطي تعويض الجزء الأول ، مطبَّقًا على التكامل المبتور،
إذ يصير المجال هو . ويغطّي مهيمِن السؤال 3 المقدارَ أيضًا، ومنه يعطي التقارب المهيمن
بينما يعطي السؤال 4 أن . فتؤول النسبة إلى . وأما احتماليًا: فمتغيّر عشوائي غامّي ذو شكل كبير يضع مقاربًا نصف كتلته على كل جانب من منواله — أي تناظر مبرهنة النهاية المركزية، مقروءًا من تعويض واحد.
25. ليكن . من أجل لدينا ، ومنه
ومع :
وأما الأمثلية: فبتصغير المقدار على ، يكون للمعادلة الحلُّ الوحيد ، وهو أصغرية لأن — أي اختيار الميلان الأُسّي (تشرنوف). والتوفيق: يبيّن السؤال 21 أن الحدّ الواحد هو أصلًا من رتبة ، ومنه
فالمعدل مضبوط، ولا يكلّف المجموع كله أكثر من عامل فوق أكبر حدوده. وبالقسمة على ، يكون هذا حدَّ ذيل القطعة النقدية العادلة — أي تركّز القياس في سطر واحد.