sections: reorder the sections in order to add the Landau paragraph
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parent
160e218d6c
commit
697fbbce0c
@ -8,16 +8,38 @@ institute:
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- Università di Milano-Bicocca
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- Università di Milano-Bicocca
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theme: metropolis
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theme: metropolis
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themeoptions:
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- titleformat=allcaps
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aspectratio: 169
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aspectratio: 169
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fontsize: 14pt
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fontsize: 12pt
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mainfontoptions:
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- BoldFont=Fira Sans
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mathfont: FiraMath-Regular
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mathfont: FiraMath-Regular
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sansfont: Fira Sans
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header-includes: |
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header-includes: |
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```{=latex}
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```{=latex}
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%% Colors
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\definecolor{mDarkTeal} {HTML}{020202}
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\definecolor{mLightBrown}{HTML}{C49D4A}
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\definecolor{mDarkRed} {HTML}{92182B}
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\definecolor{green} {HTML}{60AC39}
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\definecolor{red} {HTML}{D73737}
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\definecolor{blue} {HTML}{6684E1}
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\definecolor{yellow}{HTML}{CFB017}
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\setbeamercolor{frametitle}{bg=mDarkRed}
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% center images
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\LetLtxMacro{\oldIncludegraphics}{\includegraphics}
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\renewcommand{\includegraphics}[2][]{
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\centering
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\oldIncludegraphics[#1]{#2}
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}
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% Misc
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% "thus" in formulas
|
% "thus" in formulas
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\DeclareMathOperator{\thus}{%
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\DeclareMathOperator{\thus}{%
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\hspace{30pt} \Longrightarrow \hspace{30pt}
|
\hspace{30pt} \Longrightarrow \hspace{30pt}
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@ -27,6 +49,5 @@ header-includes: |
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\DeclareMathOperator{\with}{%
|
\DeclareMathOperator{\with}{%
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\hspace{30pt} \text{with} \hspace{30pt}
|
\hspace{30pt} \text{with} \hspace{30pt}
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}
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}
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```
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```
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...
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...
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@ -1,63 +1,3 @@
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title: Randomness tests of a non-uniform distribution
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date: \today
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author:
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- Giulia Marcer
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- Michele Guerini Rocco
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institute:
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- Università di Milano-Bicocca
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theme: metropolis
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themeoptions:
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- titleformat=allcaps
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aspectratio: 169
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fontsize: 12pt
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mainfont: Fira Sans
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mainfontoptions:
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- BoldFont=Fira Sans
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mathfont: FiraMath-Regular
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header-includes: |
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```{=latex}
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%% Colors
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\definecolor{mDarkTeal} {HTML}{020202}
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\definecolor{mLightBrown}{HTML}{C49D4A}
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\definecolor{mDarkRed} {HTML}{92182B}
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\definecolor{green} {HTML}{60AC39}
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\definecolor{red} {HTML}{D73737}
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\definecolor{blue} {HTML}{6684E1}
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\definecolor{yellow}{HTML}{CFB017}
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\setbeamercolor{frametitle}{bg=mDarkRed}
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% center images
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\LetLtxMacro{\oldIncludegraphics}{\includegraphics}
|
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\renewcommand{\includegraphics}[2][]{
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\centering
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\oldIncludegraphics[#1]{#2}
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}
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%% customer macros
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\DeclareMathOperator{\with}{%
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\hspace{30pt} \text{with} \hspace{30pt}
|
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}
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||||||
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||||||
% "thus" in formulas
|
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||||||
\DeclareMathOperator{\thus}{%
|
|
||||||
\hspace{30pt} \Longrightarrow \hspace{30pt}
|
|
||||||
}
|
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||||||
|
|
||||||
% "et" in formulas
|
|
||||||
\DeclareMathOperator{\et}{%
|
|
||||||
\hspace{30pt} \wedge \hspace{30pt}
|
|
||||||
}
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||||||
```
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...
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# Goal
|
# Goal
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@ -1,135 +1,32 @@
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# Moyal distribution
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# Landau PDF
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## Moyal PDF
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## Pathological probability distribution
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Because of its fat tail:
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Standard form:
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\begin{align*}
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$$
|
E[x] &\longrightarrow + \infty \\
|
||||||
M(z) = \frac{1}{\sqrt{2 \pi}} \exp
|
V[x] &\longrightarrow + \infty
|
||||||
\left[ - \frac{1}{2} \left( z + e^{-z} \right) \right]
|
\end{align*}
|
||||||
$$
|
|
||||||
|
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. . .
|
No closed form for parameters.
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||||||
More generally:
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## Landau median
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- location parameter $\mu$
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The median of a PDF is defined as:
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- scale parameter $\sigma$
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$$
|
$$
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||||||
z = \frac{x - \mu}{\sigma}
|
Q_L(x) = \frac{1}{2}
|
||||||
\thus
|
|
||||||
M(x) = \frac{1}{\sqrt{2 \pi} \sigma} \exp
|
|
||||||
\left[ - \frac{1}{2} \left(
|
|
||||||
\frac{x - \mu}{\sigma}
|
|
||||||
+ e^{-\frac{x - \mu}{\sigma}} \right) \right]
|
|
||||||
$$
|
$$
|
||||||
|
|
||||||
|
- CDF computed by numerical integration,
|
||||||
|
- QDF computed by numerical root-finding (Brent)
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|
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||||||
## Moyal CDF
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||||||
|
|
||||||
The CDF $F_M(x)$ can be derived by direct integration:
|
|
||||||
$$
|
|
||||||
F_M(x) = \int\limits_{- \infty}^x dy \, M(y)
|
|
||||||
= \frac{1}{\sqrt{2 \pi}} \int\limits_{- \infty}^x dy \, e^{- \frac{y}{2}}
|
|
||||||
e^{- \frac{1}{2} e^{-y}}
|
|
||||||
$$
|
|
||||||
|
|
||||||
. . .
|
|
||||||
|
|
||||||
With the change of variable $z = e^{-\frac{y}{2}}/\sqrt{2}$:
|
|
||||||
$$
|
|
||||||
F_M(x) =
|
|
||||||
\frac{-2 \sqrt{2}}{\sqrt{2 \pi}} \int\limits_{+ \infty}^{f(x)} dz \, e^{- z^2}
|
|
||||||
\with f(x) = \frac{e^{- \frac{x}{2}}}{\sqrt{2}}
|
|
||||||
$$
|
|
||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
## Moyal CDF
|
|
||||||
|
|
||||||
Remembering the error function
|
|
||||||
$$
|
|
||||||
\text{erf}(x) = \frac{2}{\sqrt{\pi}} \int_0^x dy \, e^{-y^2},
|
|
||||||
$$
|
|
||||||
one finally gets:
|
|
||||||
$$
|
|
||||||
F_M(x) = 1 - \text{erf} \left( \frac{e^{- \frac{x}{2}}}{\sqrt{2}} \right)
|
|
||||||
$$
|
|
||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
## Moyal QDF
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|
||||||
|
|
||||||
The quantile (CDF\textsuperscript{-1}) is found solving:
|
|
||||||
$$
|
|
||||||
y = 1 - \text{erf} \left( \frac{e^{- \frac{x}{2}}}{\sqrt{2}} \right)
|
|
||||||
$$
|
|
||||||
hence:
|
hence:
|
||||||
$$
|
|
||||||
Q_M(x) = -2 \ln \left[ \sqrt{2} \, \text{erf}^{-1} (1 - F_M(x)) \right]
|
|
||||||
$$
|
|
||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
## Moyal median
|
|
||||||
|
|
||||||
Defined by $\text{CDF}(m) = 1/2$, or $m=\text{QDF}(1/2)$.
|
|
||||||
|
|
||||||
\begin{align*}
|
|
||||||
M(z)
|
|
||||||
&\thus m_M = -2 \ln \left[ \sqrt{2} \,
|
|
||||||
\text{erf}^{-1} \left( \frac{1}{2} \right) \right] \\
|
|
||||||
M_{\mu \sigma}(x)
|
|
||||||
&\thus m_M = \mu -2 \sigma \ln \left[ \sqrt{2} \,
|
|
||||||
\text{erf}^{-1} \left( \frac{1}{2} \right) \right]
|
|
||||||
\end{align*}
|
|
||||||
|
|
||||||
## Moyal mode
|
|
||||||
|
|
||||||
Peak of the PDF:
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|
||||||
$$
|
|
||||||
\partial_x M(x) = \partial_x \left( \frac{1}{\sqrt{2 \pi}} e^{-\frac{1}{2}
|
|
||||||
\left( x + e^{-x} \right)} \right)
|
|
||||||
= \frac{1}{\sqrt{2 \pi}} e^{-\frac{1}{2}
|
|
||||||
\left( x + e^{-x} \right)} \left( -\frac{1}{2} \right)
|
|
||||||
\left( 1 - e^{-x} \right)
|
|
||||||
$$
|
|
||||||
|
|
||||||
\begin{align*}
|
|
||||||
\partial_x M(z) = 0 &\thus \mu_M = 0 \\
|
|
||||||
\partial_x M_{\mu \sigma}(x) = 0 &\thus \mu_M = \mu \\
|
|
||||||
\end{align*}
|
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||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
## Moyal FWHM
|
|
||||||
|
|
||||||
We need to compute the maximum value:
|
|
||||||
$$
|
|
||||||
M(\mu) = \frac{1}{\sqrt{2 \pi e}} \thus M(x_{\pm}) = \frac{1}{\sqrt{8 \pi e}}
|
|
||||||
$$
|
|
||||||
|
|
||||||
. . .
|
|
||||||
|
|
||||||
which leads to:
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|
||||||
$$
|
|
||||||
x_{\pm} + e^{-x_{\pm}} = 1 + 2 \ln(2) \thus
|
|
||||||
\begin{cases}
|
|
||||||
x_+ = 1 + 2 \ln(2) + W_0 \left( - \frac{1}{4 e} \right) \\
|
|
||||||
x_- = 1 + 2 \ln(2) + W_{-1} \left( - \frac{1}{4 e} \right)
|
|
||||||
\end{cases}
|
|
||||||
$$
|
|
||||||
|
|
||||||
## Moyal FWHM
|
|
||||||
|
|
||||||
$$
|
$$
|
||||||
x_+ - x_- = W_0 \left( - \frac{1}{4 e} \right)
|
m_L = 1.3557804...
|
||||||
- W_{-1} \left( - \frac{1}{4 e} \right)
|
|
||||||
= 3.590806098...
|
|
||||||
= a
|
|
||||||
$$
|
$$
|
||||||
|
|
||||||
\begin{align*}
|
o
|
||||||
M(z)
|
|
||||||
&\thus \text{FWHM}_M = a \\
|
|
||||||
M_{\mu \sigma}(x)
|
|
||||||
&\thus \text{FWHM}_M = \sigma \cdot a \\
|
|
||||||
\end{align*}
|
|
||||||
|
@ -1,21 +1,135 @@
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|||||||
# Data sample
|
# Moyal distribution
|
||||||
|
|
||||||
## Data sample
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|
||||||
|
|
||||||
The $M(x)$ most similar to $L(x)$ is found by imposing:
|
## Moyal PDF
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||||||
|
|
||||||
- equal mode
|
|
||||||
|
Standard form:
|
||||||
$$
|
$$
|
||||||
\mu_M = M_L \approx −0.22278298...
|
M(z) = \frac{1}{\sqrt{2 \pi}} \exp
|
||||||
$$
|
\left[ - \frac{1}{2} \left( z + e^{-z} \right) \right]
|
||||||
|
|
||||||
- equal width
|
|
||||||
$$
|
|
||||||
\text{FWHM}_M = \text{FWHM}_L = \sigma \cdot a
|
|
||||||
$$
|
$$
|
||||||
|
|
||||||
. . .
|
. . .
|
||||||
|
|
||||||
|
More generally:
|
||||||
|
|
||||||
|
- location parameter $\mu$
|
||||||
|
- scale parameter $\sigma$
|
||||||
|
|
||||||
$$
|
$$
|
||||||
\implies \sigma_M \approx 1.1191486
|
z = \frac{x - \mu}{\sigma}
|
||||||
|
\thus
|
||||||
|
M(x) = \frac{1}{\sqrt{2 \pi} \sigma} \exp
|
||||||
|
\left[ - \frac{1}{2} \left(
|
||||||
|
\frac{x - \mu}{\sigma}
|
||||||
|
+ e^{-\frac{x - \mu}{\sigma}} \right) \right]
|
||||||
$$
|
$$
|
||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
|
## Moyal CDF
|
||||||
|
|
||||||
|
The CDF $F_M(x)$ can be derived by direct integration:
|
||||||
|
$$
|
||||||
|
F_M(x) = \int\limits_{- \infty}^x dy \, M(y)
|
||||||
|
= \frac{1}{\sqrt{2 \pi}} \int\limits_{- \infty}^x dy \, e^{- \frac{y}{2}}
|
||||||
|
e^{- \frac{1}{2} e^{-y}}
|
||||||
|
$$
|
||||||
|
|
||||||
|
. . .
|
||||||
|
|
||||||
|
With the change of variable $z = e^{-\frac{y}{2}}/\sqrt{2}$:
|
||||||
|
$$
|
||||||
|
F_M(x) =
|
||||||
|
\frac{-2 \sqrt{2}}{\sqrt{2 \pi}} \int\limits_{+ \infty}^{f(x)} dz \, e^{- z^2}
|
||||||
|
\with f(x) = \frac{e^{- \frac{x}{2}}}{\sqrt{2}}
|
||||||
|
$$
|
||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
|
## Moyal CDF
|
||||||
|
|
||||||
|
Remembering the error function
|
||||||
|
$$
|
||||||
|
\text{erf}(x) = \frac{2}{\sqrt{\pi}} \int_0^x dy \, e^{-y^2},
|
||||||
|
$$
|
||||||
|
one finally gets:
|
||||||
|
$$
|
||||||
|
F_M(x) = 1 - \text{erf} \left( \frac{e^{- \frac{x}{2}}}{\sqrt{2}} \right)
|
||||||
|
$$
|
||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
|
## Moyal QDF
|
||||||
|
|
||||||
|
The quantile (CDF\textsuperscript{-1}) is found solving:
|
||||||
|
$$
|
||||||
|
y = 1 - \text{erf} \left( \frac{e^{- \frac{x}{2}}}{\sqrt{2}} \right)
|
||||||
|
$$
|
||||||
|
hence:
|
||||||
|
$$
|
||||||
|
Q_M(x) = -2 \ln \left[ \sqrt{2} \, \text{erf}^{-1} (1 - F_M(x)) \right]
|
||||||
|
$$
|
||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
|
## Moyal median
|
||||||
|
|
||||||
|
Defined by $\text{CDF}(m) = 1/2$, or $m=\text{QDF}(1/2)$.
|
||||||
|
|
||||||
|
\begin{align*}
|
||||||
|
M(z)
|
||||||
|
&\thus m_M = -2 \ln \left[ \sqrt{2} \,
|
||||||
|
\text{erf}^{-1} \left( \frac{1}{2} \right) \right] \\
|
||||||
|
M_{\mu \sigma}(x)
|
||||||
|
&\thus m_M = \mu -2 \sigma \ln \left[ \sqrt{2} \,
|
||||||
|
\text{erf}^{-1} \left( \frac{1}{2} \right) \right]
|
||||||
|
\end{align*}
|
||||||
|
|
||||||
|
## Moyal mode
|
||||||
|
|
||||||
|
Peak of the PDF:
|
||||||
|
$$
|
||||||
|
\partial_x M(x) = \partial_x \left( \frac{1}{\sqrt{2 \pi}} e^{-\frac{1}{2}
|
||||||
|
\left( x + e^{-x} \right)} \right)
|
||||||
|
= \frac{1}{\sqrt{2 \pi}} e^{-\frac{1}{2}
|
||||||
|
\left( x + e^{-x} \right)} \left( -\frac{1}{2} \right)
|
||||||
|
\left( 1 - e^{-x} \right)
|
||||||
|
$$
|
||||||
|
|
||||||
|
\begin{align*}
|
||||||
|
\partial_x M(z) = 0 &\thus \mu_M = 0 \\
|
||||||
|
\partial_x M_{\mu \sigma}(x) = 0 &\thus \mu_M = \mu \\
|
||||||
|
\end{align*}
|
||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
|
## Moyal FWHM
|
||||||
|
|
||||||
|
We need to compute the maximum value:
|
||||||
|
$$
|
||||||
|
M(\mu) = \frac{1}{\sqrt{2 \pi e}} \thus M(x_{\pm}) = \frac{1}{\sqrt{8 \pi e}}
|
||||||
|
$$
|
||||||
|
|
||||||
|
. . .
|
||||||
|
|
||||||
|
which leads to:
|
||||||
|
$$
|
||||||
|
x_{\pm} + e^{-x_{\pm}} = 1 + 2 \ln(2) \thus
|
||||||
|
\begin{cases}
|
||||||
|
x_+ = 1 + 2 \ln(2) + W_0 \left( - \frac{1}{4 e} \right) \\
|
||||||
|
x_- = 1 + 2 \ln(2) + W_{-1} \left( - \frac{1}{4 e} \right)
|
||||||
|
\end{cases}
|
||||||
|
$$
|
||||||
|
|
||||||
|
## Moyal FWHM
|
||||||
|
|
||||||
|
$$
|
||||||
|
x_+ - x_- = W_0 \left( - \frac{1}{4 e} \right)
|
||||||
|
- W_{-1} \left( - \frac{1}{4 e} \right)
|
||||||
|
= 3.590806098...
|
||||||
|
= a
|
||||||
|
$$
|
||||||
|
|
||||||
|
\begin{align*}
|
||||||
|
M(z)
|
||||||
|
&\thus \text{FWHM}_M = a \\
|
||||||
|
M_{\mu \sigma}(x)
|
||||||
|
&\thus \text{FWHM}_M = \sigma \cdot a \\
|
||||||
|
\end{align*}
|
||||||
|
21
slides/sections/4.md
Normal file
21
slides/sections/4.md
Normal file
@ -0,0 +1,21 @@
|
|||||||
|
# Data sample
|
||||||
|
|
||||||
|
## Data sample
|
||||||
|
|
||||||
|
The $M(x)$ most similar to $L(x)$ is found by imposing:
|
||||||
|
|
||||||
|
- equal mode
|
||||||
|
$$
|
||||||
|
\mu_M = \mu_L \approx −0.22278298...
|
||||||
|
$$
|
||||||
|
|
||||||
|
- equal width
|
||||||
|
$$
|
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\text{FWHM}_M = \text{FWHM}_L = \sigma \cdot a
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. . .
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\implies \sigma_M \approx 1.1191486
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