دالة غاوس

في الرياضيات ، الدالة الغاوسية ، والتي يشار إليها غالبًا ببساطة باسم الدالة الغاوسية ، هي دالة للشكل الأساسي و(x)=خبرة(-x2){\displaystyle f(x)=\exp(-x^{2})} ومع الامتداد البارامتري و(x)=أخبرة(-(x-ب)22ج2){\displaystyle f(x)=a\exp \left(-{\frac {(xb)^{2}}{2c^{2}}}\right)} لأي ثوابت حقيقية a و b و c غير صفرية . سُميت هذه الدالة نسبةً إلى عالم الرياضيات كارل فريدريش غاوس . يتميز رسم دالة غاوس بشكله المتناظر المميز الذي يشبه شكل الجرس . يُمثل المعامل a ارتفاع قمة المنحنى، بينما يُمثل b الموضع الأفقي لمركز القمة، ويتحكم المعامل c ( الانحراف المعياري ، والذي يُسمى أحيانًا عرض الجذر التربيعي المتوسط ​​لدالة غاوس ) في عرض "الجرس".

تُستخدم الدوال الغاوسية غالبًا لتمثيل دالة كثافة الاحتمال لمتغير عشوائي ذي توزيع طبيعي بقيمة متوقعة μ = b وتباين σ² = . في هذه الحالة ، تكون الدالة الغاوسية على الشكل [ 1 ] .

ز(x)=1σ2πخبرة(-12(x-μ)2σ2).{\displaystyle g(x)={\frac {1}{\sigma {\sqrt {2\pi }}}}\exp \left(-{\frac {1}{2}}{\frac {(x-\mu )^{2}}{\sigma ^{2}}}\right).}

تُستخدم الدوال الغاوسية على نطاق واسع في الإحصاء لوصف التوزيعات الطبيعية ، وفي معالجة الإشارات لتعريف المرشحات الغاوسية ، وفي معالجة الصور حيث تُستخدم الدوال الغاوسية ثنائية الأبعاد لتطبيق التمويه الغاوسي ، وفي الرياضيات لحل معادلات الحرارة ومعادلات الانتشار ولتعريف تحويل فايرشتراس . كما تُستخدم بكثرة في الكيمياء الكمومية لتكوين مجموعات الأساس .

ملكيات

تنشأ الدوال الغاوسية من خلال تركيب الدالة الأسية مع دالة تربيعية مقعرة : و(x)=خبرة(αx2+βx+γ)،{\displaystyle f(x)=\exp \left(\alpha x^{2}+\beta x+\gamma \right),} أين α=-12ج2،β=بج2،γ=lnأ-ب22ج2.{\displaystyle \alpha =-{\tfrac {1}{2c^{2}}},\qquad \beta ={\frac {b}{c^{2}}},\qquad \gamma =\ln a-{\frac {b^{2}}{2c^{2}}}.} (ملحوظة:أ=1σ2π{\textstyle a={\frac {1}{\sigma {\sqrt {2\pi }}}}}فيlnأ{\displaystyle \ln a}، لا ينبغي الخلط بينه وبينα=-12ج2{\textstyle \alpha =-{\tfrac {1}{2c^{2}}}})

وبالتالي فإن الدوال الغاوسية هي تلك الدوال التي يكون لوغاريتمها دالة تربيعية مقعرة.

يرتبط المعامل c بعرض الذروة عند نصف ارتفاعها (FWHM) وفقًا لـ

FWHM=22ln2ج2.35482ج.{\displaystyle {\text{FWHM}}=2{\sqrt {2\ln 2}}\,c\approx 2.35482\,c.}

يمكن التعبير عن الدالة بدلالة FWHM، والتي يمثلها w : و(x)=أخبرة(-4(ln2)(x-ب)2w2).{\displaystyle f(x)=a\exp \left(-{\frac {4(\ln 2)(xb)^{2}}{w^{2}}}\right).}

بدلاً من ذلك، يمكن تفسير المعامل c بالقول إن نقطتي الانعطاف للدالة تحدثان عند x = b ± c .

قد يكون عرض النطاق الكامل عند عُشر القيمة القصوى (FWTM) لتوزيع غاوسي ذا أهمية، وهو FWTM=22ln10ج4.29193ج.{\displaystyle {\text{FWTM}}=2{\sqrt {2\ln 10}}\,c\approx 4.29193\,c.}

الدوال الغاوسية تحليلية ، ونهايتها عندما x هي  0 (في الحالة المذكورة أعلاه لـ b = 0 ).

تُعد الدوال الغاوسية من بين الدوال الأولية التي تفتقر إلى الدوال الأصلية الأولية ؛ وتكامل الدالة الغاوسية هو دالة الخطأ :

خبرة(-x2)دx=π2قطعة أرضx+ج.{\displaystyle \int \exp \left(-x^{2}\right)\,dx={\frac {\sqrt {\pi }}{2}}\operatorname {erf} x+C.}

ومع ذلك، يمكن حساب تكاملاتهم غير المحددة على كامل خط الأعداد الحقيقية بدقة، باستخدام التكامل الغاوسي.-خبرة(-x2)دx=π،{\displaystyle \int _{-\infty }^{\infty }\exp \left(-x^{2}\right)\,dx={\sqrt {\pi }},} ويحصل المرء -أخبرة(-(x-ب)22ج2)دx=أ|ج|2π.{\displaystyle \int _{-\infty }^{\infty }a\exp \left(-{\frac {(xb)^{2}}{2c^{2}}}\right)\,dx=a|c|{\sqrt {2\pi }}.}

منحنيات غاوسية مُعَيَّرة بقيمة متوقعة μ وتباين σ² . المعاملات المقابلة هيأ=1σ2π{\textstyle a={\tfrac {1}{\sigma {\sqrt {2\pi }}}}}، b = μ و c = σ .

هذا التكامل يساوي 1 إذا وفقط إذاأ=1ج2π{\textstyle a={\tfrac {1}{c{\sqrt {2\pi }}}}}( ثابت التطبيع )، وفي هذه الحالة، فإن التوزيع الغاوسي هو دالة كثافة الاحتمال لمتغير عشوائي موزع توزيعًا طبيعيًا بقيمة متوقعة μ = b وتباين σ 2 = c 2 : ز(x)=1σ2πخبرة(-(x-μ)22σ2).{\displaystyle g(x)={\frac {1}{\sigma {\sqrt {2\pi }}}}\exp \left(-{\frac {(x-\mu )^{2}}{2\sigma ^{2}}}\right).}

تم رسم هذه المنحنيات الغاوسية في الشكل المرفق.

حاصل ضرب دالتين غاوسيتين هو دالة غاوسية، والتفاف دالتين غاوسيتين هو أيضاً دالة غاوسية، ويكون التباين هو مجموع التباينات الأصلية:ج2=ج12+ج22{\displaystyle c^{2}=c_{1}^{2}+c_{2}^{2}}. ومع ذلك، فإن حاصل ضرب دالتي كثافة احتمالية غاوسية (PDFs) ليس بشكل عام دالة كثافة احتمالية غاوسية.

يصبح مبدأ عدم اليقين في تحويل فورييه مساواة إذا وفقط إذا تم اعتبار الدوال الغاوسية (المعدلة). [ 2 ]

يؤدي إجراء تحويل فورييه (باستخدام اصطلاح التردد الزاوي الوحدوي) لدالة غاوسية ذات المعاملات a = 1 و b = 0 و c إلى الحصول على دالة غاوسية أخرى ذات معاملاتج{\displaystyle c}، b = 0 و 1 / c . [ 3 ] لذا ، على وجه الخصوص ، تبقى الدوال الغاوسية التي يكون فيها b = 0 و c = a ثابتةً بواسطة تحويل فورييه (فهي دوال ذاتية لتحويل فورييه بقيمة ذاتية  1). ويتجلى ذلك عمليًا في نمط الحيود : على سبيل المثال، الشريحة الفوتوغرافية التي يتغير نفاذها وفقًا لتوزيع غاوسي هي أيضًا دالة غاوسية.

إن حقيقة أن دالة غاوس هي دالة ذاتية لتحويل فورييه المستمر تسمح لنا باستنتاج المتطابقة المثيرة للاهتمام التالية من صيغة جمع بواسون : كZخبرة(-π(كج)2)=جكZخبرة(-π(كج)2).{\displaystyle \sum _{k\in \mathbb {Z} }\exp \left(-\pi \cdot \left({\frac {k}{c}}\right)^{2}\right)=c\cdot \sum _{k\in \mathbb {Z} }\exp \left(-\pi \cdot (kc)^{2}\right).}

تكامل دالة غاوسية

تكامل دالة غاوسية اختيارية هو -أخبرة(-(x-ب)22ج2)دx= أ|ج|2π.{\displaystyle \int _{-\infty }^{\infty }a\exp \left(-{\frac {(xb)^{2}}{2c^{2}}}\right)\,dx=\ a\,|c|\,{\sqrt {2\pi }}.}

وهناك شكل بديل هو -كخبرة(-وx2+زx+ح)دx=-كخبرة(-و(x-ز2و)2+ز24و+ح)دx=كπوخبرة(ز24و+ح)،\begin{aligned}\int _{-\infty }^{\infty }k\exp \left(-fx^{2}+gx+h\right)\,dx&=\int _{-\infty }^{\infty }k\exp \left(-f\left(x-{\frac {g}{2f}}\right)^{2}+{\frac {g^{2}}{4f}}+h\right)\,dx\\&=k\,{\sqrt {\frac {\pi }{f}}}\,\exp \left({\frac {g^{2}}{4f}}+h\right),\end{aligned}}} حيث يجب أن تكون قيمة f موجبة تمامًا حتى يتقارب التكامل.

العلاقة بالتكامل الغاوسي القياسي

التكامل -أخبرة(-(x-ب)22ج2)دx{\displaystyle \int _{-\infty }^{\infty }a\exp \left(-{\frac {(xb)^{2}}{2c^{2}}}\right)\,dx} بالنسبة لبعض الثوابت الحقيقية a و b و c > 0 ، يمكن حسابها بوضعها في صورة تكامل غاوسي . أولاً، يمكن ببساطة استخراج الثابت a كعامل مشترك من التكامل. بعد ذلك، يتم تغيير متغير التكامل من x إلى y = xb . أ-خبرة(-y22ج2)دy،{\displaystyle a\int _{-\infty }^{\infty }\exp \left(-{\frac {y^{2}}{2c^{2}}}\right)\,dy,} ثم إلىz=y2ج2{\textstyle z={\frac {y}{\sqrt {2c^{2}}}}}: أ2ج2-خبرة(-z2)دz.{\displaystyle a{\sqrt {2c^{2}}}\int _{-\infty }^{\infty }\exp \left(-z^{2}\right)\,dz.}

ثم، باستخدام متطابقة التكامل الغاوسي-خبرة(-z2)دz=π،{\displaystyle \int _{-\infty }^{\infty }\exp \left(-z^{2}\right)\,dz={\sqrt {\pi }},}

لدينا -أخبرة(-(x-ب)22ج2)دx=أ2πج2.{\displaystyle \int _{-\infty }^{\infty }a\exp \left(-{\frac {(xb)^{2}}{2c^{2}}}\right)\,dx=a{\sqrt {2\pi c^{2}}}.}

دالة غاوسية ثنائية الأبعاد

رسم ثلاثي الأبعاد لدالة غاوسية ذات نطاق ثنائي الأبعاد

الشكل الأساسي: و(x،y)=خبرة(-x2-y2){\displaystyle f(x,y)=\exp \left(-x^{2}-y^{2}\right)}

في بُعدين، تكون وسيطة الدالة الأسية في دالة غاوس أي شكل تربيعي سالب التحديد . وبالتالي، ستكون مجموعات المستوى لدالة غاوس دائمًا عبارة عن قطع ناقص.

ومن الأمثلة المحددة على دالة غاوسية ثنائية الأبعاد ما يلي: و(x،y)=أخبرة(-((x-x0)22σX2+(y-y0)22σY2)).{\displaystyle f(x,y)=A\exp \left(-\left({\frac {(x-x_{0})^{2}}{2\sigma _{X}^{2}}}+{\frac {(y-y_{0})^{2}}{2\sigma _{Y}^{2}}}\right)\right).}

هنا ، يُمثل المعامل A السعة، و x₀ و y₀ المركز ، و σₓ و σᵧ هما مدى انتشار البقعة على المحورين x و y . تم إنشاء الشكل على اليمين باستخدام A = 1، x₀ = 0 ، y₀ = 0 ، σₓ = σᵧ = 1 .  

يُعطى الحجم تحت دالة غاوس بالصيغة التالية: V=--و(x،y)دxدy=2πأσXσY.{\displaystyle V=\int _{-\infty }^{\infty }\int _{-\infty }^{\infty }f(x,y)\,dx\,dy=2\pi A\sigma _{X}\sigma _{Y}.}

بشكل عام، تُعبّر دالة غاوسية إهليلجية ثنائية الأبعاد عن نفسها كما يلي: و(x،y)=أخبرة(-(أ(x-x0)2+2ب(x-x0)(y-y0)+ج(y-y0)2))،{\displaystyle f(x,y)=A\exp \left(-\left(a(x-x_{0})^{2}+2b(x-x_{0})(y-y_{0})+c(y-y_{0})^{2}\right)\right),} حيث المصفوفة [أببج]{\displaystyle {\begin{bmatrix}a&b\\b&c\end{bmatrix}}} is positive-definite.

Using this formulation, the figure on the right can be created using A = 1, (x0, y0) = (0, 0), a = c = 1/2, b = 0.

Meaning of parameters for the general equation

For the general form of the equation the coefficient A is the height of the peak and (x0, y0) is the center of the blob.

If we set a=cos2θ2σX2+sin2θ2σY2,b=sinθcosθ2σX2+sinθcosθ2σY2,c=sin2θ2σX2+cos2θ2σY2,{\displaystyle {\begin{aligned}a&={\frac {\cos ^{2}\theta }{2\sigma _{X}^{2}}}+{\frac {\sin ^{2}\theta }{2\sigma _{Y}^{2}}},\\b&=-{\frac {\sin \theta \cos \theta }{2\sigma _{X}^{2}}}+{\frac {\sin \theta \cos \theta }{2\sigma _{Y}^{2}}},\\c&={\frac {\sin ^{2}\theta }{2\sigma _{X}^{2}}}+{\frac {\cos ^{2}\theta }{2\sigma _{Y}^{2}}},\end{aligned}}}then we rotate the blob by a positive, counter-clockwise angle θ{\displaystyle \theta } (for negative, clockwise rotation, invert the signs in the b coefficient).[4]

To get back the coefficients θ{\displaystyle \theta }, σX{\displaystyle \sigma _{X}} and σY{\displaystyle \sigma _{Y}} from a{\displaystyle a}, b{\displaystyle b} and c{\displaystyle c} use

θ=12arctan(2bac),θ[π4,π4],σX2=12(acos2θ+2bcosθsinθ+csin2θ),σY2=12(asin2θ2bcosθsinθ+ccos2θ).{\displaystyle {\begin{aligned}\theta &={\frac {1}{2}}\arctan \left({\frac {2b}{a-c}}\right),\quad \theta \in \left[-{\tfrac {\pi }{4}},{\tfrac {\pi }{4}}\right],\\\sigma _{X}^{2}&={\frac {1}{2(a\cdot \cos ^{2}\theta +2b\cdot \cos \theta \sin \theta +c\cdot \sin ^{2}\theta )}},\\\sigma _{Y}^{2}&={\frac {1}{2(a\cdot \sin ^{2}\theta -2b\cdot \cos \theta \sin \theta +c\cdot \cos ^{2}\theta )}}.\end{aligned}}}

Example rotations of Gaussian blobs can be seen in the following examples:

θ=0{\displaystyle \theta =0}
θ=π6{\displaystyle \theta =-{\frac {\pi }{6}}}
θ=π3{\displaystyle \theta =-{\frac {\pi }{3}}}

Using the following Octave code, one can easily see the effect of changing the parameters:

A=1;x0=0;y0=0;sigma_X=1;sigma_Y=2;[X,Y]=meshgrid(-5:.1:5,-5:.1:5);لـ θ = 0 : π / 100 : π، a = cos ( θ ) ^ 2 / ( 2 * σ_X ^ 2 ) + sin ( θ ) ^ 2 / ( 2 * σ_Y ^ 2 b = sin ( 2 * θ ) / ( 4 * σ_X ^ 2 ) - sin ( 2 * θ ) / ( 4 * σ_Y ^ 2 c = sin ( θ ) ^ 2 / ( 2 * σ_X ^ 2 ) + cos ( θ ) ^ 2 / ( 2 * σ_Y ^ 2 ).Z = A * exp ( - ( a * ( X - x0 ) .^ 2 + 2 * b * ( X - x0 ) .* ( Y - y0 ) + c * ( Y - y0 ) .^ 2 ));تصفح ( س ، ص ، ع تفسير التظليل ؛ عرض ( -36 ، 36 ) ؛ انتظر ضغط الزر. نهاية

تُستخدم هذه الوظائف غالبًا في معالجة الصور وفي النماذج الحسابية لوظيفة النظام البصري - انظر المقالات المتعلقة بمساحة المقياس والتكيف الشكلي الأفيني .

انظر أيضًا إلى التوزيع الطبيعي متعدد المتغيرات .

دالة غاوسية من الرتبة العليا أو دالة غاوسية فائقة أو دالة غاوسية معممة

يمكن صياغة دالة غاوسية ذات قمة مسطحة وانحدار غاوسي بشكل أكثر عمومية عن طريق رفع محتوى الأس إلى قوةP{\displaystyle P}: و(x)=أخبرة(-((x-x0)22σX2)P).{\displaystyle f(x)=A\exp \left(-\left({\frac {(x-x_{0})^{2}}{2\sigma _{X}^{2}}}\right)^{P}\right).}

تُعرف هذه الدالة باسم دالة غاوسية فائقة، وتُستخدم غالبًا في صياغة حزمة غاوسية. [ 5 ] ويمكن أيضًا التعبير عن هذه الدالة بدلالة العرض الكامل عند نصف الحد الأقصى (FWHM)، والذي يُرمز له بـ w : و(x)=أخبرة(-ln2(4(x-x0)2w2)P).{\displaystyle f(x)=A\exp \left(-\ln 2\left(4{\frac {(x-x_{0})^{2}}{w^{2}}}\right)^{P}\right).}

في صياغة ثنائية الأبعاد، دالة غاوسية على طولx{\displaystyle x}وy{\displaystyle y}يمكن دمجها [ 6 ] مع احتمالات مختلفةPX{\displaystyle P_{X}}وPY{\displaystyle P_{Y}}لتشكيل توزيع غاوسي مستطيل: و(x،y)=أخبرة(-((x-x0)22σX2)PX-((y-y0)22σY2)PY).{\displaystyle f(x,y)=A\exp \left(-\left({\frac {(x-x_{0})^{2}}{2\sigma _{X}^{2}}}\right)^{P_{X}}-\left({\frac {(y-y_{0})^{2}}{2\sigma _{Y}^{2}}}\right)^{P_{Y}}\right).} أو توزيع غاوسي بيضاوي الشكل: و(x،y)=أخبرة(-((x-x0)22σX2+(y-y0)22σY2)P){\displaystyle f(x,y)=A\exp \left(-\left({\frac {(x-x_{0})^{2}}{2\sigma _{X}^{2}}}+{\frac {(y-y_{0})^{2}}{2\sigma _{Y}^{2}}}\right)^{P}\right)}

دالة غاوس متعددة الأبعاد

فين{\displaystyle n}في فضاء ذي أبعاد n، يمكن تعريف دالة غاوسية على النحو التالي: و(x)=خبرة(-xتيجx)،{\displaystyle f(x)=\exp \left(-x^{\mathsf {T}}Cx\right),} أينx=[x1xن]{\displaystyle x={\begin{bmatrix}x_{1}&\cdots &x_{n}\end{bmatrix}}}هو عمود منن{\displaystyle n}إحداثيات،ج{\displaystyle C}هو إيجابي-محددن×ن{\displaystyle n\times n}المصفوفة، وتي{\displaystyle {}^{\mathsf {T}}}يشير إلى تبديل المصفوفة .

تكامل هذه الدالة الغاوسية على كاملن{\displaystyle n}يُعطى الفضاء ذو ​​الأبعاد n على النحو التالي: Rنخبرة(-xتيجx)دx=πنالمحققج.{\displaystyle \int _{\mathbb {R} ^{n}}\exp \left(-x^{\mathsf {T}}Cx\right)\,dx={\sqrt {\frac {\pi ^{n}}{\det C}}}.}

يمكن حسابها بسهولة عن طريق تحويل المصفوفة إلى مصفوفة قطريةج{\displaystyle C}وتغيير متغيرات التكامل إلى المتجهات الذاتية لـج{\displaystyle C}.

وبشكل أعم، تُعرَّف دالة غاوسية مُزاحة على النحو التالي: و(x)=خبرة(-xتيجx+sتيx)،{\displaystyle f(x)=\exp \left(-x^{\mathsf {T}}Cx+s^{\mathsf {T}}x\right),} أينs=[s1sن]{\displaystyle s={\begin{bmatrix}s_{1}&\cdots &s_{n}\end{bmatrix}}}هو متجه الإزاحة والمصفوفةج{\displaystyle C}يمكن افتراض أنها متناظرة،جتي=ج{\displaystyle C^{\mathsf {T}}=C}وهي دالة موجبة التحديد. ويمكن حساب التكاملات التالية باستخدام هذه الدالة بنفس الأسلوب: Rنهـ-xتيجx+vتيxدx=πنالمحققجخبرة(14vتيج-1v)م.{\displaystyle \int _{\mathbb {R} ^{n}}e^{-x^{\mathsf {T}}Cx+v^{\mathsf {T}}x}\,dx={\sqrt {\frac {\pi ^{n}}{\det {C}}}}\exp \left({\tfrac {1}{4}}v^{\mathsf {T}}C^{-1}v\right)\equiv {\mathcal {M}}.}

Rنهـ-xتيجx+vتيx(أتيx)دx=(أتيu)م، أين u=12ج-1v.{\displaystyle \int _{\mathbb {R} ^{n}}e^{-x^{\mathsf {T}}Cx+v^{\mathsf {T}}x}\left(a^{\mathsf {T}}x\right)\,dx=\left(a^{\mathsf {T}}u\right)\cdot {\mathcal {M}},{\text{ where }}u={\tfrac {1}{2}}C^{-1}v.}

Rنهـ-xتيجx+vتيx(xتيدx)دx=(uتيدu+12tr(دج-1))م.{\displaystyle \int _{\mathbb {R} ^{n}}e^{-x^{\mathsf {T}}Cx+v^{\mathsf {T}}x}\left(x^{\mathsf {T}}Dx\right)\,dx=\left(u^{\mathsf {T}}Du+{\tfrac {1}{2}}\operatorname {tr} \left(DC^{-1}\right)\right)\cdot {\mathcal {M}}.}

Rنهـ-xتيجx+sتيx(-xΛx)هـ-xتيجx+sتيxدx=(2tr(جΛجب-1)+4uتيجΛجu-2uتي(جΛs+جΛs)+sتيΛs)م،{\displaystyle {\begin{aligned}&\int _{\mathbb {R} ^{n}}e^{-x^{\mathsf {T}}C'x+s'^{\mathsf {T}}x}\left(-{\frac {\partial }{\partial x}}\Lambda {\frac {\partial }{\partial x}}\right)e^{-x^{\mathsf {T}}Cx+s^{\mathsf {T}}x}\,dx\\&\qquad =\left(2\operatorname {tr} \left(C'\Lambda CB^{-1}\right)+4u^{\mathsf {T}}C'\Lambda Cu-2u^{\mathsf {T}}\left(C'\Lambda s+C\Lambda s'\right)+s'^{\mathsf {T}}\Lambda s\right)\cdot {\mathcal {M}},\end{aligned}}} أين u=12ب-1v،v=s+s،ب=ج+ج.{\displaystyle u={\tfrac {1}{2}}B^{-1}v,\quad v=s+s',\quad B=C+C'.}

تقدير المعلمات

تعتمد العديد من المجالات، مثل قياس الضوء النجمي ، وتوصيف حزمة غاوس ، وقياس طيف خطوط الانبعاث/الامتصاص، على دوال غاوسية مُعينة، وتحتاج إلى تقدير دقيق لمعاملات الارتفاع والموقع والعرض لهذه الدالة. يوجد ثلاثة معاملات مجهولة لدالة غاوسية أحادية البعد ( a ، b ، c )، وخمسة معاملات لدالة غاوسية ثنائية البعد.(أ؛x0،y0؛σX،σY){\displaystyle (A;x_{0},y_{0};\sigma _{X},\sigma _{Y})}.

الطريقة الأكثر شيوعًا لتقدير معلمات التوزيع الغاوسي هي أخذ لوغاريتم البيانات وملاءمة قطع مكافئ لمجموعة البيانات الناتجة. [ 7 ] [ 8 ] على الرغم من أن هذه الطريقة توفر إجراءً بسيطًا لملاءمة المنحنى ، إلا أن الخوارزمية الناتجة قد تكون متحيزة بسبب إعطاء وزن مفرط لقيم البيانات الصغيرة، مما قد يؤدي إلى أخطاء كبيرة في تقدير الشكل. يمكن التعويض جزئيًا عن هذه المشكلة من خلال تقدير المربعات الصغرى الموزونة ، بتقليل وزن قيم البيانات الصغيرة، ولكن هذه الطريقة أيضًا قد تكون متحيزة بالسماح لذيل التوزيع الغاوسي بالسيطرة على الملاءمة. لإزالة هذا التحيز، يمكن استخدام إجراء المربعات الصغرى الموزونة بشكل تكراري ، حيث يتم تحديث الأوزان في كل تكرار. [ 8 ] من الممكن أيضًا إجراء الانحدار غير الخطي مباشرةً على البيانات، دون الحاجة إلى تحويل البيانات اللوغاريتمي ؛ لمزيد من الخيارات، انظر ملاءمة التوزيع الاحتمالي .

دقة المعلمات

بمجرد الحصول على خوارزمية لتقدير معلمات دالة غاوس، يصبح من المهم معرفة مدى دقة هذه التقديرات. يمكن لأي خوارزمية تقدير المربعات الصغرى أن توفر تقديرات عددية لتباين كل معلمة (أي تباين الارتفاع والموقع والعرض المُقدَّر للدالة). كما يمكن استخدام نظرية حدود كرامر-راو للحصول على تعبير تحليلي للحد الأدنى لتباينات المعلمات، بافتراضات معينة حول البيانات. [ 9 ] [ 10 ]

  1. الضوضاء في الملف الشخصي المقاس إما أن تكون مستقلة ومتطابقة التوزيع غاوسية، أو أن الضوضاء موزعة وفقًا لتوزيع بواسون .
  2. المسافة بين كل عملية أخذ عينات (أي المسافة بين وحدات البكسل التي تقيس البيانات) موحدة.
  3. تكون الذروة "مُعَيَّنة جيدًا"، بحيث يكون أقل من 10٪ من المساحة أو الحجم أسفل الذروة (المساحة إذا كانت غاوسية أحادية البعد، والحجم إذا كانت غاوسية ثنائية الأبعاد) يقع خارج منطقة القياس.
  4. إن عرض الذروة أكبر بكثير من المسافة بين مواقع العينات (أي يجب أن تكون وحدات البكسل الخاصة بالكاشف أصغر بخمس مرات على الأقل من عرض الذروة الغاوسي عند نصف الارتفاع).

عند استيفاء هذه الافتراضات، تنطبق مصفوفة التغاير K التالية على معلمات الملف الشخصي أحادي البعدأ{\displaystyle a}،ب{\displaystyle b}، وج{\displaystyle c}في ظل ضوضاء غاوسية مستقلة ومتطابقة التوزيع وفي ظل ضوضاء بواسون: [ 9 ]كجاوس=σ2πدلتاXسؤال2(32ج0-1أ02جأ20-1أ02جأ2) ،كبويس=12π(3أ2ج0-120جأ0-120ج2أ) ،{\displaystyle \mathbf {K} _{\text{Gauss}}={\frac {\sigma ^{2}}{{\sqrt {\pi }}\delta _{X}Q^{2}}}{\begin{pmatrix}{\frac {3}{2c}}&0&-{\frac {1}{a}}\\0&{\frac {2c}{a^{2}}}&0\\-{\frac {1}{a}}&0&{\frac {2c}{a^{2}}}\end{pmatrix}}\ ,\qquad \mathbf {K} _{\text{Poiss}}={\frac {1}{\sqrt {2\pi }}}{\begin{pmatrix}{\frac {3a}{2c}}&0&-{\frac {1}{2}}\\0&{\frac {c}{a}}&0\\-{\frac {1}{2}}&0&{\frac {c}{2a}}\end{pmatrix}}\ ,} أيندلتاX{\displaystyle \delta _{X}}يمثل عرض وحدات البكسل المستخدمة لأخذ عينات من الدالة،سؤال{\displaystyle Q}تمثل الكفاءة الكمية للكاشف، وσ{\displaystyle \sigma }يشير إلى الانحراف المعياري لضوضاء القياس. وبالتالي، فإن التباينات الفردية للمعلمات، في حالة الضوضاء الغاوسية، هي: متغير(أ)=3σ22πدلتاXسؤال2جمتغير(ب)=2σ2جدلتاXπسؤال2أ2متغير(ج)=2σ2جدلتاXπسؤال2أ2{\displaystyle {\begin{aligned}\operatorname {var} (a)&={\frac {3\sigma ^{2}}{2{\sqrt {\pi }}\,\delta _{X}Q^{2}c}}\\\operatorname {var} (b)&={\frac {2\sigma ^{2}c}{\delta _{X}{\sqrt {\pi }}\,Q^{2}a^{2}}}\\\operatorname {var} (c)&={\frac {2\sigma ^{2}c}{\delta _{X}{\sqrt {\pi }}\,Q^{2}a^{2}}}\end{aligned}}}

وفي حالة ضوضاء بواسون، متغير(أ)=3أ22πجمتغير(ب)=ج2πأمتغير(ج)=ج22πأ.{\displaystyle {\begin{aligned}\operatorname {var} (a)&={\frac {3a}{2{\sqrt {2\pi }}\,c}}\\\operatorname {var} (b)&={\frac {c}{{\sqrt {2\pi }}\,a}}\\\operatorname {var} (c)&={\frac {c}{2{\sqrt {2\pi }}\,a}}.\end{aligned}}}

بالنسبة لمعاملات الملف الشخصي ثنائي الأبعاد التي تعطي السعةأ{\displaystyle A}، موضع(x0،y0){\displaystyle (x_{0},y_{0})}والعرض(σX،σY){\displaystyle (\sigma _{X},\sigma _{Y})}بالنسبة للملف الشخصي، تنطبق مصفوفات التغاير التالية: [ 10 ]

كجاوس=σ2πدلتاXدلتاYسؤال2(2σXσY00-1أσY-1أσX02σXأ2σY000002σYأ2σX00-1أσy002σXأ2σy0-1أσX0002σYأ2σX)كبواسون=12π(3أσXσY00-1σY-1σX0σXأσY00000σYأσX00-1σY002σX3أσY13أ-1σX0013أ2σY3أσX).{\displaystyle {\begin{aligned}\mathbf {K} _{\text{Gauss}}={\frac {\sigma ^{2}}{\pi \delta _{X}\delta _{Y}Q^{2}}}&{\begin{pmatrix}{\frac {2}{\sigma _{X}\sigma _{Y}}}&0&0&-{\frac {1}{A\sigma _{Y}}}&-{\frac {1}{A\sigma _{X}}}\\0&{\frac {2\sigma _{X}}{A^{2}\sigma _{Y}}}&0&0&0\\0&0&{\frac {2\sigma _{Y}}{A^{2}\sigma _{X}}}&0&0\\-{\frac {1}{A\sigma _{y}}}&0&0&{\frac {2\sigma _{X}}{A^{2}\sigma _{y}}}&0\\-{\frac {1}{A\sigma _{X}}}&0&0&0&{\frac {2\sigma _{Y}}{A^{2}\sigma _{X}}}\end{pmatrix}}\\[6pt]\mathbf {K} _{\operatorname {Poisson} }={\frac {1}{2\pi }}&{\begin{pmatrix}{\frac {3A}{\sigma _{X}\sigma _{Y}}}&0&0&-{\frac {1}{\sigma _{Y}}}&-{\frac {1}{\sigma _{X}}}\\0&{\frac {\sigma _{X}}{A\sigma _{Y}}}&0&0&0\\0&0&{\frac {\sigma _{Y}}{A\sigma _{X}}}&0&0\\-{\frac {1}{\sigma _{Y}}}&0&0&{\frac {2\sigma _{X}}{3A\sigma _{Y}}}&{\frac {1}{3A}}\\-{\frac {1}{\sigma _{X}}}&0&0&{\frac {1}{3A}}&{\frac {2\sigma _{Y}}{3A\sigma _{X}}}\end{pmatrix}}.\end{aligned}}} حيث يتم تحديد تباينات المعلمات الفردية بواسطة العناصر القطرية لمصفوفة التغاير.

غاوسي منفصل

النواة الغاوسية المنفصلة (الخط المتصل)، مقارنةً بالنواة الغاوسية المأخوذة عينات منها (الخط المتقطع) للمقاييست=12،1،2،4.{\displaystyle t={\tfrac {1}{2}},1,2,4.}

قد يتساءل المرء عن نظير منفصل للدالة الغاوسية؛ وهذا ضروري في التطبيقات المنفصلة، ​​وخاصةً معالجة الإشارات الرقمية . يتمثل الحل البسيط في أخذ عينات من الدالة الغاوسية المستمرة، مما ينتج عنه نواة غاوسية مأخوذة منها عينات . مع ذلك، لا تمتلك هذه الدالة المنفصلة نظائر منفصلة لخصائص الدالة المستمرة، وقد تؤدي إلى آثار غير مرغوب فيها، كما هو موضح في مقالة " تنفيذ فضاء المقياس ".

يتمثل النهج البديل في استخدام نواة غاوس المنفصلة : [ 11 ]تي(ن،ت)=هـ-تأنان(ت){\displaystyle T(n,t)=e^{-t}I_{n}(t)} أينأنان(ت){\displaystyle I_{n}(t)}تشير إلى دوال بيسل المعدلة ذات الرتبة الصحيحة.

هذا هو النظير المتقطع للتوزيع الغاوسي المستمر، حيث إنه حل لمعادلة الانتشار المتقطع (مكان متقطع، زمن مستمر)، تمامًا كما أن التوزيع الغاوسي المستمر هو حل لمعادلة الانتشار المستمر. [ 11 ] [ 12 ]

التطبيقات

تظهر الدوال الغاوسية في العديد من السياقات في العلوم الطبيعية ، والعلوم الاجتماعية ، والرياضيات ، والهندسة . ومن الأمثلة على ذلك:

انظر أيضاً

مراجع

  1. سكوايرز، جي إل (30 أغسطس 2001). الفيزياء العملية (  الطبعة الرابعة). مطبعة جامعة كامبريدج. doi : 10.1017/cbo9781139164498 . ISBN 978-0-521-77940-1.
  2. فولاند، جيرالد ب.؛ سيتارام، ألادي (1997). "مبدأ عدم اليقين: دراسة رياضية". مجلة تحليل فورييه وتطبيقاته . 3 (3): 207-238 . Bibcode : 1997JFAA....3..207F . doi : 10.1007/BF02649110 . ISSN 1069-5869 . 
  3. وايسشتاين، إريك دبليو. "تحويل فورييه - غاوسي" . ماث وورلد . تم الاسترجاع في 19 ديسمبر 2013 .
  4. نوري، نيكولاي. "حساب الأقواس المتناظرة" (ملف PDF) . مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 14 أغسطس 2019. تم الاطلاع عليه بتاريخ 14 أغسطس 2019 .
  5. بارنت، أ.، م. مورين، وب. لافين. "انتشار توزيعات المجال فوق الغاوسي". الإلكترونيات البصرية والكمية 24.9 (1992): S1071–S1079.
  6. "دليل أوامر برنامج GLAD البصري، مدخل حول أمر GAUSSIAN" (ملف PDF) . بحوث البصريات التطبيقية . 15-12-2016.
  7. كاروانا، ريتشارد أ.؛ سيرل، روجر ب.؛ هيلر، توماس.؛ شوباك، شاول آي. (1986). "خوارزمية سريعة لتحليل الأطياف". الكيمياء التحليلية . 58 (6). الجمعية الكيميائية الأمريكية (ACS): 1162-1167 . doi : 10.1021/ac00297a041 . ISSN 0003-2700 . 
  8. 1 2 هونغوي غو، "خوارزمية بسيطة لتركيب دالة غاوسية"، مجلة معالجة الإشارات IEEE 28(9): 134-137 (2011).
  9. 1 2 N. Hagen, M. Kupinski, and EL Dereniak, “Gaussian profile estimation in one dimension,” Appl. Opt. 46:5374–5383 (2007)
  10. 1 2 N. Hagen and EL Dereniak, "Gaussian profile estimation in two dimensions,” Appl. Opt. 47:6842–6851 (2008)
  11. 1 2 ليندبيرج، تي، "مساحة المقياس للإشارات المنفصلة"، PAMI(12)، العدد 3، مارس 1990، ص 234-254.
  12. كامبل، ج، 2007، نموذج SMM كمسألة قيمة حدية باستخدام معادلة الانتشار المنفصلة ، ​​Theor Popul Biol. 2007 ديسمبر؛ 72 (4): 539-46.
  13. حداد، ر. أ. وأكانسو، أ. ن.، 1991، فئة من مرشحات غاوسية ثنائية سريعة لمعالجة الكلام والصور ، معاملات IEEE في معالجة الإشارات، 39-3: 723-727
  14. هونارخاه، م وكايرز، ج، 2010، المحاكاة العشوائية للأنماط باستخدام نمذجة الأنماط القائمة على المسافة ، العلوم الجيولوجية الرياضية، 42: 487-517

للمزيد من القراءة

  • هابرمان، ريتشارد (2013). "10.3.3 التحويل العكسي لفورييه لدالة غاوسية". المعادلات التفاضلية الجزئية التطبيقية . بوسطن: بيرسون. ISBN 978-0-321-79705-6.