Intégrale d'une gaussienne bi-dimensionelle

Bonjour à tous
Je me retrouve face à un problème d'intégrale qui me semblait à première vue réalisable mais je me rends compte que mes années prépa sont bien loin.
J'aimerais calculer le volume sous la cloche d'une courbe gaussienne en 2D. Je m'explique :
Je veux approcher des volumes avec une forme gaussienne afin d'avoir accès à des calculs d'erreurs. Pour ce faire, je veux jouer sur les intervalles de confiance qui me sont donnés par les propriétés de la fonction gaussienne (et plus particulièrement le $\sigma$ de la loi normale).

J'ai donc une liste de volume type ($V_{type}$) et j'aimerais déterminer la fonction gaussienne à deux variables qui me permettrait d'approcher ces volumes (j'optimiserais ma fonction afin de trouver le $\sigma$). Cependant j'ai du mal à déterminer ce volume de "gaussienne".
En terme mathématique, mon problème est le suivant.

On considère la fonction f(x,y) centré sur 0 tel que : \begin{equation}
f(x,y)= z_{eq}e^{\tfrac{-(x^2+y^2)}{\sigma^2}},
\end{equation} où $z_{eq}$ est la valeur de $f(0,0)$ inconnue. De plus, \begin{equation}
V_{gauss}=\int \limits_{-n\sigma}^{n\sigma} {\int \limits_{-n\sigma}^{n\sigma} {f(x,y)\ dx dy}}
\end{equation} En opérant un changement de variable en coordonnées polaires : \begin{equation}
V_{gauss}=z_{eq}\int \limits_{0}^{2\pi} {\int \limits_{0}^{n\sigma} {e^{\tfrac{-r^2}{\sigma^2}} r \ dr d\theta}}
\end{equation} L'intégrale donne \begin{equation}
V_{gauss}=2\pi z_{eq}\sigma^2(1-{e^{-n^2} })
\end{equation}


Ma première question est donc de savoir si le calcul de ce volume est juste ou du moins proche de la solution ?

Le nœud du problème reste ensuite dans l'exploitation de ce résultat. Il y a quatre inconnues $z_{eq}$, $V_{gauss}$, $n$ et $\sigma$.
En ce qui concerne $V_{gauss}$, l'équation \begin{equation} V_{gauss} = V_{type} \end{equation} permet d'enlever une inconnue.
Une deuxième équation basé sur l'hypothèse que la base de la gaussienne est un cercle (dont l'aire est connue) donne : \begin{equation}
Aire_{base} = \pi*n^2\sigma^2
\end{equation}
Je voulais donc savoir si il existe une fonction d'optimisation qui me permettrait de trouver un couple $n$ et $z_{eq}$ qui me permettrait de satisfaire à l'hypothèse: \begin{equation}
\frac{V_{gauss}}{V_{type}}=1
\end{equation} J'espère avoir été assez clair, n'hésitez pas à me demander des précisions.

Réponses

  • Bonjour,

    Si je comprends bien ce que tu cherches, c'est $n$ et $\displaystyle z_{eq}$ tels que $\displaystyle 2\pi z_{eq}\sigma^2 (1-e^{-n^2}) = \pi n^2 \sigma^2, \sigma>0$ dont la solution évidente est $\displaystyle z_{eq}={n^2 \over 2(1-e^{-n^2})}$, non ?

    Pour intégrer sur le disque de centre $0$ et de rayon $n \sigma$ il faut intégrer sur le domaine $x^2+y^2\leq n^2 \sigma^2$ et non comme tu as écrit dans les bornes d'intégration qui correspondent à un rectangle...
  • Bonjour,

    Tout d'abord merci pour cette réponse.

    Ce n'est pas tout à fait ça puisque je souhaites que l'équation du $z_{eq}$ soit homogène à une profondeur. La solution évidente serait ce que vous avez écrit mais multiplié, par exemple, par un $z_{moyen}$ en faisant l'hypothèse que le $V_{type}$ est un cylindre dont l'expression est \begin{equation} V_{type} = z_{moyen}*Aire_{base} \end{equation}
    Or ici je n'ai qu'une liste de valeurs de volume dont j'aimerai avoir contraindre dans une forme gaussienne.

    Par rapport aux bornes d'intégration, je considère un cercle de centre $0$ et de rayon $n\sigma$ juste pour la base (même si on peut considérer une cloche gaussienne comme un empilement d'une infinité de disque). Du coup je ne saisis pas bien le domaine sur lequel je dois intégrer?

    Merci encore de votre aide
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