Universitaire wiskunde — Bachelor jaar 3 · Bachelor Year 3
11Productmaten, Fubini, variabelensubstitutie
De eendimensionale theorie van Lebesgue wordt meerdimensionale analyse door twee stellingen. Tonelli–Fubini zegt dat integralen over producten herhaalde integralen zijn — in beide volgorden mag je in plakken snijden, onder hypothesen die je werkelijk kunt controleren. De formule voor variabelensubstitutie vervoert integralen langs -diffeomorfismen, met de jacobiaandeterminant als wisselkoers voor het volume; we bewijzen haar volledig, te beginnen bij het lineaire geval, waar ze verklaart wat de determinant is. De toepassingen buitelen over elkaar heen: de laagjesformule, de convolutie, de poolcoördinaten, het volume van de -bal — en, in de weekendopgave, de formule van Stirling met een eerlijke foutanalyse.
11.1 Product--algebra’s en productmaten
Definitie 11.1
Voor meetbare ruimten en is de product--algebra op voortgebracht door de rechthoeken (met en ) — een -systeem. Voor en is de sectie ; en voor een functie op het product is .
Propositie 11.2
(a) Is , dan is elke sectie (en symmetrisch); en is -meetbaar, dan is elke -meetbaar. (b) .
Bewijs. (a) Goede verzamelingen: is een -algebra (secties verdragen zich met complementen en aftelbare verenigingen) die de rechthoeken bevat. En voor : . (b) () Rechthoeken van borelverzamelingen: het volstaat dat blokken openopen borel zijn in (ze zijn open) en dat algemene borelrechthoeken limieten zijn — opnieuw goede verzamelingen: is een -algebra die de open verzamelingen bevat; snijd er twee van dat type. () Elke open verzameling van is een aftelbare vereniging van rationale open blokken : dus bevat in de product--algebra. ∎
Stelling 11.3 (Productmaat)
Zij en -eindig. Voor elke is de functie meetbaar, en
definieert de unieke maat op met . Ze is -eindig en symmetrisch: dezelfde maat komt eruit als je de -secties tegen integreert.
Bewijs. Meetbaarheid van . Zij eerst eindig. De klasse van de waarvoor de afbeelding meetbaar is, bevat de rechthoeken () en is een -systeem: voor in is (eindigheid); en voor is (continuïteit van onderen), terwijl monotone limieten van meetbare functies meetbaar zijn. De rechthoeken vormen een -systeem: Dynkin (Stelling 9.4) geeft . Is -eindig, schrijf dan met en : dan is met eindig.
Maat. De -additiviteit van volgt uit Gevolg 10.7 (secties van disjuncte verzamelingen zijn disjunct). Op rechthoeken geeft ze . Eenduidigheid: twee kandidaten vallen samen op het -systeem van de rechthoeken; en de -eindigheid levert rechthoeken van eindige maat: Stelling 9.7. Symmetrie: de constructie in de andere volgorde is eveneens een maat die op de rechthoeken samenvalt — uniek, dus dezelfde. ∎
Definitie 11.4
De lebesguemaat op is ( factoren; de associativiteit van de constructie ga je na op blokken en plant zich voort door de eenduidigheid). Zij is de unieke borelmaat die aan elk blok zijn volume toekent; ze is translatie-invariant (translaten vallen samen op blokken), -eindig, en volledig na vervollediging volgens Carathéodory — we schrijven voor de vervolledigde maat en integreren dienovereenkomstig.
11.2 Tonelli en Fubini
Stelling 11.5 (Tonelli)
Zij -eindig en meetbaar. Dan is meetbaar en
Bewijs. De standaardmachine. Voor is dit Stelling 11.3 (met haar symmetrische vorm). Door de lineariteit geldt het voor elementaire . En voor algemene : neem elementaire (Stelling 10.4); dan is voor elke (monotone convergentie in ), zodat de linkerleden met de monotone convergentie in convergeren, terwijl door de monotone convergentie op het product. ∎
Stelling 11.6 (Fubini)
Zij -eindig en . Dan is voor -bijna elke de sectie -integreerbaar, is de bijna overal gedefinieerde functie integreerbaar, en zijn beide herhaalde integralen gelijk aan .
Bewijs. Tonelli toegepast op laat zien dat een eindige integraal heeft en dus bijna overal eindig is: voor bijna elke . Splits (reëel geval; complex per component): Tonelli berekent elke herhaalde integraal van als , en het bijna overal gedefinieerde verschil integreert tot het verschil. Symmetrisch voor de andere volgorde. ∎
Methode 11.7
Om twee integralen te verwisselen (of een integraal en een som, of twee sommen): is de integrand niet-negatief, verwissel dan vrijelijk (Tonelli). Zo niet, pas dan eerst Tonelli toe op , in de volgorde die het makkelijkst af te schatten is; is het resultaat eindig, dan legitimeert Fubini de verwisseling. Sla de controle op nooit over: de integrand van Oefening 11.4 heeft twee herhaalde integralen met verschillende waarden.
Propositie 11.8 (Laagjesformule)
Voor meetbare op een -eindige geldt
Bewijs. Pas Tonelli toe op op (meetbaar: het is , een borelachtige combinatie van de meetbare ): eerst in integreren geeft ; eerst in geeft . Voor : substitueer in , dat wil zeggen pas de eerste formule toe op en substitueer in de eendimensionale integraal (). ∎
Stelling 11.9 (Convolutie op )
Voor convergeert de integraal
absoluut voor bijna elke , definieert ze een met , en is commutatief en associatief.
Bewijs. is meetbaar ( is continu; stel samen en vermenigvuldig). Tonelli:
(de translatie-invariantie van in de binnenste integraal). De dubbele integraal is dus eindig; Fubini geeft de absolute convergentie voor bijna elke en de normgrens . Commutativiteit: substitueer (invariantie onder translatie en spiegeling — de spiegelingsinvariantie geldt op blokken en dus overal wegens de eenduidigheid). Associativiteit: Tonelli–Fubini op een drievoudige integraal. ∎
11.3 Variabelensubstitutie
Stelling 11.10 (Lineaire variabelensubstitutie)
Voor en is ; bijgevolg is voor of integreerbaar.
Bewijs. De maat is een borelmaat (homeomorfismen bewaren borelverzamelingen, Probleem 9.1), translatie-invariant () en eindig op het eenheidsblok: volgens de karakterisering van de lebesguemaat (Oefening 9.6, waarvan het bewijs letterlijk in werkt met dyadische kubussen) is met . De afbeelding is multiplicatief (, door samen te stellen), dus volstaat het op voortbrengers van te berekenen: de elementaire matrices. Diagonaal : beeldt de eenheidskubus af op een blok van volume , dus . Verwisseling van coördinaten: permuteert de kubus, dus . Transvectie : het beeld van de eenheidskubus is een scheefgetrokken prisma; volgens Tonelli is de maat ervan , want elke -sectie is een interval van lengte : dus . Elke inverteerbare matrix is een product van deze (gauss-eliminatie), en zowel als is multiplicatief: dus . De integraalformule volgt met de standaardmachine (indicatoren, elementaire functies, monotone convergentie). ∎
Stelling 11.11 (Variabelensubstitutie)
Zij open en een -diffeomorfisme. Voor elke meetbare (of ) geldt
Bewijs. Schrijf . Het hart van het bewijs is de ongelijkheid
stap 4 hieronder tilt — toegepast op zowel als — op tot de gelijkheid van de stelling. Merk op dat zelf een -diffeomorfisme is met jacobiaan (kettingregel op ).
Stap 1: voor kubussen, met een vervormingsfactor. Leg een gesloten kubus vast met middelpunt en zijde (een bal voor de supnorm). Bewering: voor elke geldt, als differentieerbaar is op met op (operatornorm voor de supnorm), dat
want voor geeft de middelwaardeongelijkheid toegepast op dat , en trekt dat gebrek terug tot een vergroting van de kubus met . Volgens Stelling 11.10 is dan
Stap 2: voor compacte kubussen, door onderverdeling. Zij een compacte kubus en . Op is uniform continu en is begrensd (compactheid); verdeel in deelkubussen die klein genoeg zijn opdat de oscillatie van op elk ervan is. Stap 1 op elke deelkubus (met middelpunt ) geeft
waarbij de laatste stap geldt omdat uniform op (continuïteit van ) — een vergelijking met riemannsommen. Laat gaan: geldt voor compacte kubussen.
Stap 3: voor alle borelverzamelingen . De verzamelingsfunctie op de borel-deelverzamelingen van is een maat ( is een bijectie op die borelverzamelingen en aftelbare disjunctheid bewaart), en ook. Elke open deelverzameling van is een aftelbare vereniging van bijna disjuncte dyadische compacte kubussen (de standaard dyadische ontbinding: neem de maximale dyadische kubussen binnen de open verzameling), en beide maten zijn daarover additief (de randen van kubussen zijn -nul, en hun -beelden zijn nul volgens stap 2, toegepast op dunne kubusoverdekkingen van de zijvlakken): gaat dus van kubussen over op open verzamelingen. Algemene borelverzameling : put uit met compacte waarbij , en leg vast; op is begrensd door zekere . Kies met de uitwendige regulariteit van (bewijs als in Stelling 9.13, met blokken) open verzamelingen met en . Dan is
Laat gaan: links de continuïteit van onderen, rechts de monotone convergentie. Daarmee is vastgesteld.
Stap 4: gelijkheid en de integraalformule. Breid eerst uit van verzamelingen naar integralen: voor elke meetbare op is
Immers, voor is dat met ; de lineariteit breidt het uit tot elementaire , en de monotone convergentie tot alle (de standaardmachine). Pas nu tweemaal toe: eerst op , en daarna — voor het diffeomorfisme — op de functie :
want (kettingregel op ). Alle ongelijkheden zijn dus gelijkheden: de formule geldt voor , en voor -functies door ontbinding. ∎
Voorbeeld 11.12 (Poolcoördinaten; opnieuw de gaussische integraal)
is een -diffeomorfisme van op zonder een halfrechte (een nulverzameling), met :
Voor geven Tonelli en deze formule
het klassieke bewijs van twee regels voor , nu volledig verantwoord (vergelijk het parameterbewijs van Probleem 10.1).
Stelling 11.13 (Volume van de eenheidsbal)
Zij in . Dan is
Bewijs. Bereken op twee manieren. Volgens Tonelli valt hij uiteen: . En volgens de laagjesformule (Propositie 11.8) met , waarvan de niveauverzamelingen ballen zijn: voor , van maat (uitrekken met schaalt met : Stelling 11.10), dus
Stel gelijk. (De waarden: , , enzovoort.) Merk op dat als — de weekendopgave kwantificeert hoe snel, via Stirling. ∎
11.4 Oefeningen
Oefening 11.1 ★
Zij de telmaat op (niet -eindig) en de lebesguemaat, en zij de diagonaal in . Toon aan dat meetbaar is, en bereken de twee herhaalde integralen van tegen en : ze verschillen. Welke hypothese van Stelling 11.5 faalt?
Oplossing
Oplossing van Oefening 11.1.
is gesloten in en dus borel, en is de product--algebra (Propositie 11.2(b)). In de ene volgorde:
en in de andere:
De falende hypothese is de -eindigheid van de telmaat op het overaftelbare : geen aftelbare familie verzamelingen van eindige -maat overdekt haar.
Oefening 11.2 ★
Verantwoord de verwisseling en leid de integraal van Dirichlet opnieuw af: voor is
bereken de binnenste integraal in gesloten vorm en laat gaan (domineer de -integraal) om te krijgen.
Oplossing
Oplossing van Oefening 11.2.
Op is (Tonelli op de absolute waarde): Fubini is dus van toepassing, en omdat , is
(de binnenste integraal: , rechtstreeks berekend). Als wordt de correctieterm begrensd door ; en de hoofdterm is . Bijgevolg is — de integraal van Dirichlet via Fubini.
Oefening 11.3 ★★
(a) Bewijs voor meetbare en eindige dat : integreerbaarheid is de sommeerbaarheid van de staartmaten. (b) Leid af dat (met eindig) dan en slechts dan als .
Oplossing
Oplossing van Oefening 11.3.
(a) Laagjesformule (Propositie 11.8): , en is niet-stijgend. Op is ; sommeren van de integralen over de eenheidsintervallen geeft
(b) Pas (a) toe op : de eindigheid van de integraal en die van de reeks zijn gelijkwaardig (de extra is eindig).
Oefening 11.4 ★★
Toon voor op aan dat
(merk op dat ), en ga rechtstreeks na dat : de integreerbaarheidshypothese van Fubini is geen versiering.
Oplossing
Oplossing van Oefening 11.4.
Omdat voor :
en wegens de antisymmetrie geeft de andere volgorde . Absolute waarden: voor is
Geen tegenspraak met Fubini: haar hypothese faalt, en de twee herhaalde integralen zijn eenvoudigweg twee verschillende getallen.
Oefening 11.5 ★★
(a) Bereken expliciet (een tentfunctie), en de algemene vorm van . (b) Toon aan dat . (c) Toon aan dat continu is zodra en begrensd en continu is. (Gedomineerde convergentie via de continuïteit van de translatie op de begrensde .)
Oplossing
Oplossing van Oefening 11.5.
(a) : dus voor , voor en voor : de tent. Nogmaals convolueren geeft een -bult die stuksgewijs kwadratisch is op (de kwadratische B-spline): elke convolutie wint één graad gladheid — het gladstrijkprincipe achter de mollifiers van Hoofdstuk 12.
(b) Ligt , dan is er een bal rond die de somset mijdt; en voor is , zodat de integrand identiek verdwijnt: nabij .
(c) Voor : ; de integranden convergeren puntsgewijs (continuïteit van ) en worden gedomineerd door : de gedomineerde convergentie geeft .
Oefening 11.6 ★★
(a) Toon aan dat de simplex volume heeft (inductie en Fubini). (b) Vind en terug uit Stelling 11.13, en toon aan dat .
Oplossing
Oplossing van Oefening 11.6.
(a) Met Fubini en inductie, snijdend langs de laatste coördinaat:
met de uitrekregel (Stelling 11.10); en met : volume .
(b) ; en . De ellipsoïde is met : Stelling 11.10 geeft volume .
Oefening 11.7 ★★
Voor welke zijn de volgende integralen eindig? Verantwoord het met poolcoördinaten:
Veralgemeen naar (de drempels en ).
Oplossing
Oplossing van Oefening 11.7.
In met poolcoördinaten (Voorbeeld 11.12):
eindig precies wanneer (dus ), respectievelijk (dus ). In vermijd je bolcoördinaten met de laagjesformule: , en precies wanneer , dat wil zeggen ; en de uitwendige integraal convergeert precies wanneer (dezelfde berekening op het complementaire gebied).
Oefening 11.8 ★★★
(Bèta en gamma) Zij voor de waarde . Vertrek van als dubbele integraal, substitueer (een diffeomorfisme van het open kwadrant op ; bereken de jacobiaan ) en besluit
Leid af dat en bepaal de waarde van de wallisintegralen .
Oplossing
Oplossing van Oefening 11.8.
Met Tonelli (positieve integranden) en de variabelensubstitutie , een -diffeomorfisme van op het open kwadrant met
Substitutie in geeft . Wallis: — bijvoorbeeld met .
Oefening 11.9 ★★
(Overdrachtsformule) Zij meetbaar en de beeldmaat. Toon aan dat voor elke meetbare op geldt
(de standaardmachine). Vergelijk dat vervolgens met Stelling 11.10: welke extra informatie draagt de formule voor variabelensubstitutie die de abstracte overdrachtsformule niet draagt? (De overdrachtsformule identificeert nooit; de substitutiestelling berekent expliciet als een maat met dichtheid.)
Oplossing
Oplossing van Oefening 11.9.
Indicatoren: ; de lineariteit breidt dat uit tot elementaire en de monotone convergentie tot — de overdrachtsformule. Ze is puur formeel: ze herschrijft integralen tegen maar zegt niets over wat is. De inhoud van Stelling 11.10 en Stelling 11.11 is juist de identificatie
dat wil zeggen een berekening van de beeldmaat van de lebesguemaat — met als analytische inbreng de differentiaalmeetkunde van , niet het maattheoretische formalisme.
Oefening 11.10 ★★★
(Gaussische momenten) Bereken met poolcoördinaten en Fubini voor het standaard gaussische gewicht op :
controleer de consistentie (), en leid het tweede moment van de maat af.
Oplossing
Oplossing van Oefening 11.10.
Volgens Tonelli valt de gaussische functie uiteen, dus met en (partiële integratie):
(wegens de symmetrie draagt gelijke termen bij — de consistentiecontrole). Voor de genormaliseerde maat is het tweede moment dus .
Oefening 11.11 ★★
(Grafiek en ondergrafiek) Zij meetbaar. (a) Toon aan dat de ondergrafiek meetbaar is in met
“de integraal is de oppervlakte onder de grafiek”, eindelijk een stelling. (Secties; Tonelli.) (b) Toon aan dat de grafiek een nulverzameling van is. (c) Leid een bewijs van twee regels af dat de sfeer lebesguenul is in .
Oplossing
Oplossing van Oefening 11.11.
(a) voor , gesneden met : meetbaar, want en zijn meetbaar op het product (samenstellingen met de projecties). De -sectie van is , van maat : Tonelli integreert de secties,
(b) De grafiek is , meetbaar; haar -secties zijn singletons, van maat : Tonelli geeft .
(c) is de vereniging van de twee grafieken over de eenheidsbal van (splits de laatste coördinaat af): een vereniging van twee nulverzamelingen volgens (b), dus nul.
Oefening 11.12 ★★
(Een beroemde dubbele integraal) Bewijs met de meetkundige reeks en Tonelli op dat
(De tweede reeksidentiteit: splits de even en de oneven indices.) Met (Hoofdstuk 15) leveren twee onschuldig ogende integralen en op; waar precies doet de positiviteitshypothese van Tonelli haar werk?
Oplossing
Oplossing van Oefening 11.12.
Op is met niet-negatieve termen: Tonelli staat term voor term integreren toe,
In het alternerende geval is geen positieve reeks; maar de integraal van de absolute reeks is , dus is Fubini (met de nu vastgestelde integreerbaarheid) van toepassing: . De reeksidentiteit:
Met (Probleem 15.1) zijn de integralen en . In de eerste berekening was de positiviteit van Tonelli alles — geen integreerbaarheidscontrole nodig vóór het verwisselen; in de tweede is de positiviteit van de absolute reeks juist wat de integreerbaarheid certificeert, zodat Fubini op de tekenwisselende reeks kan lopen.
11.5 Probleem: de formule van Stirling
Probleem 11.1
Weekendopgave — , met gedomineerde convergentie
De formule van Stirling beheerst elke asymptotische telling in dit boek — balvolumes, binomiaalcoëfficiënten, de lokale vorm van de centrale limietstelling. We bewijzen haar uit de -integraal (Voorbeeld 10.16) met de methode van Laplace, in haar netste vorm met gedomineerde convergentie, en oogsten daarna de dividenden.
Deel I — De formule. Voor is .
Substitueer en toon aan dat
met .
- Toon de puntsgewijze limiet aan: voor elke vaste is als (ontwikkel tot de tweede orde).
Dominatie. Zij , zodat voor . Bewijs de twee grenzen
(bestudeer en : bereken de afgeleiden en controleer het teken op elk bereik). Leid daaruit af, voor :
zodat : een integreerbare dominant die niet van afhangt.
Besluit met de stelling van de gedomineerde convergentie en de gaussische integraal (Voorbeeld 11.12):
en in het bijzonder .
Deel II — Dividenden.
- (Wallis) Uit Oefening 11.8 komen formules van het type : leid uit Stirling af, en controleer het tegen de recursie .
(Balvolumes storten in) Toon aan dat
zodat sneller dan elke meetkundige rij; en zoek de dimensie die maximaliseert (numeriek: ).
(Concentratie van de binomiale wet — een voorproefje van Hoofdstuk 23) Toon met Stirling de lokale schatting aan, voor met vast en even:
het discrete gaussische profiel: de Moivre–Laplace in de kiem.
- Waar precies gebruikte het bewijs van Deel I: (i) de monotone of de gedomineerde convergentie; (ii) de gaussische integraal; (iii) de invariantie-eigenschappen van de lebesguemaat? Telkens één zin.
Deel III — De foutterm: Stirling met marges. Stel , zodat Deel I zegt dat .
- Toon aan dat .
Ga met na dat , ontwikkel:
en leid de tweezijdige grenzen af
Telescopeer (met ) en ga de aangename algebraïsche identiteit voor na, om de klassieke insluiting te verkrijgen:
- Twee gevolgen: (a) de relatieve fout van de formule van Stirling is zodra ; (b) schat met de hand tot op vier significante cijfers uit de insluiting (), en sta even stil bij de nauwkeurigheid van een asymptotische formule bij een zeer eindige .
Deel IV — De route van Wallis: Stirling zonder de gaussische integraal. Historisch kwam de constante van Wallis en niet van Gauss; dit deel bewijst Stirling opnieuw, onafhankelijk van de Delen I–II, en bewijst daarmee ook de gaussische integraal opnieuw. Zij .
Stel vast (partiële integratie), evenals de gesloten vormen
en de identiteit .
Leid uit de monotonie van af dat , en daarna
de stelling van Wallis, verkregen zonder Stirling.
- Toon met uitsluitend het telescoperen uit Deel III (zonder de waarde van de constante) aan dat naar een zekere limiet convergeert; gelijkwaardig: met nog onbepaald.
- Vul die asymptotiek in in en bepaal met vraag 14 de enige mogelijke waarde: . Stel de logica samen: de Delen III–IV geven samen een volledig tweede bewijs van Stirling — en daarmee, door de substitutie van Deel I achterstevoren te lopen, een onafhankelijke berekening van . Twee pijlers, die elkaar allebei kunnen dragen.
Deel V — Laatste dividenden.
(Het volledige lokale profiel) Toon voor gehele (met vast) aan dat
uniform in (neem logaritmen en gebruik ). Dat is de tweezijdige versie van vraag 7 en de precieze schatting die in de weekendopgave van Hoofdstuk 23 wordt aangehaald.
- (Een voorproefje van Poisson) Toon met Stirling aan dat : de modus van een poissonwet met groot gemiddelde draagt massa , precies zoals de centrale limietstelling zal voorspellen.
- (Verhoudingen van gammawaarden) Bewijs voor dat , met de hellingsgrenzen uit de logaritmische convexiteit van Probleem 10.1 (vraag 14 daar), en breid uit tot elke reële met de functionaalvergelijking. (Dat is wat “ Stirling” tussen de gehele getallen betekent.)
(Ballen, nogmaals) Uit : tabelleer exact, ga de unimodaliteit na via (stijgend zolang , daarna dalend), en bewijs de treffende genererende identiteit
alle volumes van eenheidsballen in even dimensie, in één exponentiële functie verpakt.
(Entropie-asymptotiek) Leid voor vaste met uit Stirling af dat
de exponentiële groeisnelheid van binomiaalcoëfficiënten is de entropie — ga na dat vraag 5 teruggeeft, en dat voor (zodat binomiaalcoëfficiënten buiten het midden exponentieel verwaarloosbaar zijn ten opzichte van ).
- (Oppervlakten) De oppervlakte van de eenheidssfeer is (bewezen als Oefening 21.6 in het hoofdstuk over differentiaalvormen; neem het hier als definitie). Tabelleer , lokaliseer de grootste (, ), en toon aan dat ook supermeetkundig — naar elke euclidische maatstaf zijn hoogdimensionale sferen verdwijnend klein.
(De eerste correctieterm) Leid uit de insluiting van vraag 11 af dat , en dus
Ga het na bij : de kale formule geeft (relatieve fout ), de gecorrigeerde tegenover (relatieve fout ) — één term van de reeks koopt tweeënhalf cijfer.
(De mediaan van ) Toon aan dat
asymptotisch ligt precies de helft van de massa van de -integrand onder haar modus . (Voer de substitutie van Deel I uit op de afgeknotte integraal; de dominant van vraag 3 ligt al klaar.)
(Entropie, niet-asymptotisch) Bewijs voor de grens, geldig voor elke :
door de som met te vergelijken voor de kanteling . Ga na dat die keuze van optimaal is, en breng het in overeenstemming met vraag 21: de exponentiële snelheid van de asymptotische uitspraak wordt bereikt door een ongelijkheid van één regel, geheel zonder asymptotiek.
Oplossing
Oplossing van Probleem 11.1.
1. Met (; doorloopt terwijl het interval doorloopt):
want en .
2. Voor vaste en : : dus .
3. Stel op : dan is en , dat is op en op : dus , oftewel daar. Stel op met : dan is en : dus voor . Nu voor : is , dan is ; en is , dan is (want ), dus . Bijgevolg is , integreerbaar en onafhankelijk van .
4. Gedomineerde convergentie: (Voorbeeld 11.12 plus het schalen ). Met vraag 1:
5. Uit Oefening 11.8 is . Stirling geeft
Dan is , in overeenstemming met de recursie (die afdwingt en, samen met — de klassieke betrekking van Wallis — geeft ; de twee asymptotieken stroken).
6. , dus
supermeetkundig (voor is elke factor en krimpend). Numeriek is , , , , en : het maximum ligt bij .
7. Met (geheel, even, vast): neem logaritmen in en pas Stirling toe op de drie faculteiten. Met en , waarbij :
en de uitdrukking tussen haken is : het geheel gaat op na naar , dat wil zeggen
het gaussische profiel van het muntenwerpen, gekwantificeerd — de lokale vorm van de Moivre–Laplace, in Hoofdstuk 23 globaal te maken.
8. (i) De gedomineerde convergentie zet de puntsgewijze limiet van vraag 2 om in convergentie van de integralen, met de dominant van vraag 3. (ii) De gaussische integraal bepaalt de limiet — de constante van Stirling is de gaussische integraal. (iii) De substitutie is een affiene variabelensubstitutie: de translatie-invariantie en de schaalregel van de lebesguemaat (Stelling 11.10 in dimensie ).
9. Werk beide termen uit:
waarbij de termen en samen vormen.
10. Voor is en ; de oneven reeks geeft
Trek af. Ondergrens: de eerste term alleen, . Bovengrens: verlaag alle noemers tot en sommeer de meetkundige reeks: .
11. De bovengrens van tot sommeren (met ) geeft . Voor de ondergrens is , en
waar voor . Sommeren van die telescoperende minorant geeft . Exponentiëren levert de klassieke insluiting van .
12. (a) De relatieve fout is voor grote ; dus zodra , en de vermelde volstaat (want impliceert het al). (b) , dus ; en het gegarandeerde venster heeft in relatieve termen een breedte onder — een “asymptotische” formule die bij een precisie-instrument is.
13. Schrijf en integreer de tweede term partieel (, , ):
Bijgevolg is , dat wil zeggen . Vanaf en :
waarbij de dubbelfaculteiten worden omgezet met en . Ten slotte is wegens de recursie: constant, gelijk aan .
14. (puntsgewijze monotonie van ) en klemmen in. Samen met (vraag 13): , dus en .
15. De vragen 9–10 gebruikten de waarde van de constante nooit: met liggen de verschillen in , zodat daalt en stijgt: aanpalende rijen, met een gemeenschappelijke limiet . Bijgevolg is met .
16. Vul de Stirlingformule met onbekende constante in in de centrale binomiaalcoëfficiënt:
en vraag 14 dwingt af: dus . De Delen III–IV bewijzen Stirling dus van nul af opnieuw; en die in de identiteit van Deel I invoeren berekent zonder poolcoördinaten: Wallis en Gauss stutten elkaar.
17. voor (en symmetrisch voor ). Logaritmen nemen, met :
en , terwijl de fouten optellen tot : uniform dus .
18. . Een poissonvariabele met gemiddelde heeft standaardafwijking , en is precies de gaussische piekhoogte : de lokale centrale limietstelling, bij de modus voorgeproefd.
19. Voor geeft het hellingslemma van Probleem 10.1 (vraag 14 daar), toegepast op de convexe rond , dat : de verhouding tot wordt ingeklemd door . En voor (met en ): , en elk van de factoren is : vermenigvuldig de schattingen.
20. De recursie (uit ) geeft, vanaf en :
De verhouding is groter dan precies voor , dus stijgt elke pariteit eerst en daalt daarna; numeriek is , en : het algehele maximum ligt bij . Genererende functie: , dus — alle balvolumes in even dimensie in één exponentiële functie gerold, en meteen een supermeetkundige afnameschatting voor .
21. Stirling in teller en noemer, met :
want (de machten van vallen weg: ), en de ’s vallen eveneens weg. Bij is en is de voorfactor — opnieuw vraag 5. De strikte concaviteit van (haar tweede afgeleide ) legt haar maximum uitsluitend bij : voor neemt exponentieel af — de combinatorische motor achter elke concentratie-uitspraak over muntworpen.
22. Uit en vraag 20:
numeriek ; en : het maximum is de -sfeer. De recursie laat dezelfde door gedreven stijging en supermeetkundige val zien als bij de volumes: voorbij dimensie zeven krimpen sferen sneller weg dan elke meetkundige rij.
23. Vraag 11 zegt precies , en
dus en ; vermenigvuldigen met geeft de gecorrigeerde formule. Bij : , te laag (relatieve fout ); vermenigvuldigen met geeft , te laag (relatieve fout ). De insluiting zelf legt tussen en — de bovengrens zit er acht eenheden op zeven cijfers naast.
24. De substitutie uit Deel I, toegepast op de afgeknotte integraal, geeft
waarbij het bereik overgaat in . De dominant van vraag 3 dekt ook , dus geeft de gedomineerde convergentie
terwijl vraag 4 geeft dat . De verhouding gaat dus naar . Kansrekenkundig: een gammavariabele met grote vormparameter legt asymptotisch de helft van haar massa aan elke kant van haar modus — de symmetrie van de centrale limietstelling, uit één substitutie afgelezen.
25. Zij . Voor is , dus
en met :
Optimaliteit: minimaliseren van over geeft de vergelijking met als unieke oplossing , een minimum want — de keuze van de exponentiële kanteling (Chernoff). Verzoening: volgens vraag 21 is de ene term al van de orde , dus
de snelheid is exact, en de hele som kost hoogstens een factor boven haar grootste term. Gedeeld door is dat de staartgrens voor de eerlijke munt, — concentratie van maat in één regel.