y=xe−x2 関数 y=xe−x2 のグラフ
y=xe−x2 は、一次関数にガウス関数を掛けた形です。ガウス関数 e−x2 の導関数が −2xe−x2 ですから、この関数は定数倍を除いてガウス関数の傾きを表しています。奇関数なので山と谷が一つずつ現れます。
定義域と対称性
定義域はすべての実数です。f(−x)=−f(x) より奇関数で、原点に関して点対称です。x>0 では正、x<0 では負で、x 切片は原点ただ一つです。
増減と極値
積の微分から次が得られます。
y′=(1−2x2)e−x2 e−x2 は正なので符号は 1−2x2 で決まり、x=±21 で 0 になります。
| x | y | 位置 |
|---|
| −21≈−0.707 | ≈−0.4289 | 極小 |
| 0 | 0 | 変曲点 |
| 21≈0.707 | ≈0.4289 | 極大 |
| 23≈1.225 | ≈0.2733 | 変曲点 |
極値は ±2e1 で、値域はその間に収まります。一次の因子は x とともに伸びますが、指数の減衰がすぐに追い越すので、山はさほど高くなりません。
漸近線
x→±∞ では e−x2 の減衰が x の増加を圧倒するので y→0 となり、x 軸が水平漸近線です。有理関数の 1+x2x も同じく原点対称で山と谷をもちますが、そちらは x1 程度でゆっくり減るのに対し、こちらは一気に 0 へ落ちます。
変曲点
二階導関数は y′′=2x(2x2−3)e−x2 です。x=0 と x=±23 の三か所で符号が変わるので、変曲点は三つあります。
ガウス関数との関係
dxde−x2=−2xe−x2=−2y この関数はガウス関数の導関数を −21 倍したものです。ここから読み取れることがあります。ガウス関数の変曲点は x=±21 にありますが、これはこの関数の極値の位置とぴたりと一致します。導関数が極値をとる場所がもとの関数の変曲点である、という一般則が目に見える形になっているわけです。
積分
原始関数は −21e−x2 です。
∫0∞xe−x2dx=21 奇関数なので全区間の積分は 0 になります。x≥0 に限って 2 倍した 2xe−x2 は積分が 1 になり、レイリー分布の確率密度にあたります1。
応用
画像処理では、ガウス関数で平滑化してから微分する代わりに、あらかじめ微分したこの形をフィルタとして畳み込みます。キャニー法をはじめとするエッジ検出の基本で、雑音に強い微分を実現する定石です2。
物理では、二次元の気体分子の速さの分布がこの形になります。速度の各成分が正規分布に従うとき、速さは小さいほど向きの自由度が少なく、大きいほど指数因子で抑えられるので、中間に山ができるのです。
- Rayleigh distribution、Wikipedia
- Canny edge detector、Wikipedia