Intégrale de Gauss

En mathématiques, une intégrale de Gauss est l'intégrale d'une fonction gaussienne sur l'ensemble des réels. Sa valeur est reliée à la constante π par la formule où α est un paramètre réel strictement positif. Elle intervient dans la définition de la loi de probabilité appelée loi gaussienne, ou loi normale. Cette formule peut être obtenue grâce à une intégrale double et un changement de variable polaire. Sa première démonstration connue est donnée par Pierre-Simon de Laplace. Ainsi on a par exemple, avec les notations classiques : Si l'on travaille à n dimensions, la formule se généralise sous la forme suivante : Comme l'intégrande est pair, il suffit, pour montrer qu'il est intégrable sur , de prouver qu'il est intégrable sur . Cela résulte de ce qu'il est positif, continu, et négligeable à l'infini devant, par exemple, la fonction intégrable sur [1, +∞[. Un théorème de Liouville montre que l’intégrande de l'intégrale de Gauss n'admet aucune primitive s'exprimant à l'aide des fonctions usuelles (exponentielle, etc.). Cela oblige pour calculer cette intégrale à recourir à des méthodes plus ou moins « détournées », dont la plus classique et directe est celle qui utilise des intégrales doubles ; d'autres méthodes classiques existent dont une élémentaire, mais nettement plus longue, qui fait appel aux intégrales de Wallis et une autre qui utilise une fonction définie par une intégrale. La méthode classique de calcul utilise une intégrale double qu'on exprime en coordonnées cartésiennes, puis en coordonnées polaires. Une variante utilise une fonction définie par une intégrale. Cette seconde méthode n'utilise que des résultats sur les intégrales simples (à une seule variable) usuelles (sur un intervalle fermé borné) et est donc plus élémentaire. Elle est cependant plus technique. Quelle que soit la technique utilisée, elle démontre que . De cette formule, on peut déduire par changement de variable la formule générique pour toute intégrale gaussienne : (où a, b, c sont réels et a > 0).