<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD JATS (Z39.96) Journal Publishing DTD v1.0 20120330//EN" "JATS-journalpublishing1.dtd">
<article xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" article-type="research-article">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">VMSTA</journal-id>
<journal-title-group><journal-title>Modern Stochastics: Theory and Applications</journal-title></journal-title-group>
<issn pub-type="epub">2351-6054</issn><issn pub-type="ppub">2351-6046</issn><issn-l>2351-6046</issn-l>
<publisher>
<publisher-name>VTeX</publisher-name><publisher-loc>Mokslininkų g. 2A, 08412 Vilnius, Lithuania</publisher-loc>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="publisher-id">VMSTA279</article-id>
<article-id pub-id-type="doi">10.15559/25-VMSTA279</article-id>
<article-categories><subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Research Article</subject></subj-group></article-categories>
<title-group>
<article-title>On parameter estimation for <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_001"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$N(\mu ,{\sigma ^{2}}{I_{3}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> based on projected data into <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_002"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${\mathbb{S}^{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula></article-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author">
<contrib-id contrib-id-type="orcid">https://orcid.org/0000-0002-0535-4137</contrib-id>
<name><surname>Figueras</surname><given-names>Jordi-Lluís</given-names></name><email xlink:href="mailto:jordi-lluis.figueras@math.uu.se">jordi-lluis.figueras@math.uu.se</email><xref ref-type="aff" rid="j_vmsta279_aff_001">a</xref>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<contrib-id contrib-id-type="orcid">https://orcid.org/0009-0009-9168-9897</contrib-id>
<name><surname>Persson</surname><given-names>Aron</given-names></name><email xlink:href="mailto:aron.persson@math.uu.se">aron.persson@math.uu.se</email><xref ref-type="aff" rid="j_vmsta279_aff_001">a</xref><xref ref-type="corresp" rid="cor1">∗</xref>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<contrib-id contrib-id-type="orcid">https://orcid.org/0000-0002-3015-8664</contrib-id>
<name><surname>Viitasaari</surname><given-names>Lauri</given-names></name><email xlink:href="mailto:lauri.viitasaari@aalto.fi">lauri.viitasaari@aalto.fi</email><xref ref-type="aff" rid="j_vmsta279_aff_002">b</xref>
</contrib>
<aff id="j_vmsta279_aff_001"><label>a</label>Department of Mathematics, <institution>Uppsala University</institution>, PO Box 480, S-751 06 Uppsala, <country>Sweden</country></aff>
<aff id="j_vmsta279_aff_002"><label>b</label>Department of Information and Service Management, <institution>Aalto University School of Business</institution>, PO Box 11110, 00076 Aalto, <country>Finland</country></aff>
</contrib-group>
<author-notes>
<corresp id="cor1"><label>∗</label>Corresponding author.</corresp>
</author-notes>
<pub-date pub-type="ppub"><year>2025</year></pub-date>
<pub-date pub-type="epub"><day>17</day><month>6</month><year>2025</year></pub-date><volume>12</volume><issue>4</issue><fpage>407</fpage><lpage>431</lpage><history><date date-type="received"><day>6</day><month>11</month><year>2024</year></date><date date-type="rev-recd"><day>12</day><month>3</month><year>2025</year></date><date date-type="accepted"><day>16</day><month>5</month><year>2025</year></date></history>
<permissions><copyright-statement>© 2025 The Author(s). Published by VTeX</copyright-statement><copyright-year>2025</copyright-year>
<license license-type="open-access" xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">
<license-p>Open access article under the <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">CC BY</ext-link> license.</license-p></license></permissions>
<abstract>
<p>The projected normal distribution, with isotropic variance, on the 2-sphere is considered using intrinsic statistics. It is shown that in this case, the expectation commutes with the projection, and that the covariance of the normal variable has a 1-1 correspondence with the intrinsic covariance of the projected normal distribution. This allows us to estimate, after the model identification, the parameters of the underlying normal distribution that generates the data.</p>
</abstract>
<kwd-group>
<label>Keywords</label>
<kwd>Spherical statistics</kwd>
<kwd>projected normal</kwd>
<kwd>parameter estimation</kwd>
</kwd-group>
<kwd-group kwd-group-type="MSC2010">
<label>2010 MSC</label>
<kwd>62H11</kwd>
<kwd>62F10</kwd>
</kwd-group>
<funding-group><funding-statement>This project has received partial funding from Huawei Technologies.</funding-statement></funding-group>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec id="j_vmsta279_s_001">
<label>1</label>
<title>Introduction</title>
<p>Directional statistics (aka. spherical statistics) form a relevant subfield of statistics in which one studies directions, rotations, and axes. A typical situation in spherical statistics is that observations are gathered on a sphere, say <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_003"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${\mathbb{S}^{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, and consequently the methods have to be adapted to non-Euclidean geometry. More generally, one can think of observations on more general compact Riemannian manifolds. Application areas are numerous as, for example, one can think of <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_004"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${\mathbb{S}^{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> representing the Earth surface, and measurements are then observations on this surface. To name just a few application areas, see [<xref ref-type="bibr" rid="j_vmsta279_ref_011">11</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="j_vmsta279_ref_022">22</xref>] for navigation/control in robotics, [<xref ref-type="bibr" rid="j_vmsta279_ref_014">14</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="j_vmsta279_ref_016">16</xref>] for modeling wind directional changes, [<xref ref-type="bibr" rid="j_vmsta279_ref_006">6</xref>] for finding lymphoblastic leukemia cells, [<xref ref-type="bibr" rid="j_vmsta279_ref_003">3</xref>] for movement of tectonic plates, [<xref ref-type="bibr" rid="j_vmsta279_ref_012">12</xref>] for modelling of protein chains, and [<xref ref-type="bibr" rid="j_vmsta279_ref_009">9</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="j_vmsta279_ref_019">19</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="j_vmsta279_ref_021">21</xref>] for radiology applications in the context of MIMO-systems. For details on spherical statistics, we refer to the monograph [<xref ref-type="bibr" rid="j_vmsta279_ref_005">5</xref>].</p>
<p>One of the central problems in statistics is to estimate model parameters from observations. In the spherical context, this can mean, for example, that one assumes a parametric distribution <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_005"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${P_{\theta }}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> on <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_006"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${\mathbb{S}^{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and then uses the data to estimate the unknown <italic>θ</italic>. The most commonly applied distributions on the sphere are von Mises–Fisher distributions (also called von Mises distributions in <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_007"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="double-struck">S</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$\mathbb{S}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> or Kent distributions in <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_008"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${\mathbb{S}^{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>) that can be viewed as the equivalent of the normal distribution on the sphere. For the parameter estimation for von Mises–Fisher distributions, see [<xref ref-type="bibr" rid="j_vmsta279_ref_023">23</xref>]. Another widely applied distribution on <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_009"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${\mathbb{S}^{d}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is the projected normal distribution. That is, the distribution of <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_010"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">‖</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">‖</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$X/\| X\| $]]></tex-math></alternatives></inline-formula> for <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_011"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">∼</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$X\sim N(\mu ,\Sigma )$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. While the density function of the projected normal is well known (see [<xref ref-type="bibr" rid="j_vmsta279_ref_007">7</xref>]), the parameter estimation is much less studied due to the complicated nature of the density. In particular, the parameter estimation is studied in the circular case (<inline-formula id="j_vmsta279_ineq_012"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="double-struck">S</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$\mathbb{S}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>), see [<xref ref-type="bibr" rid="j_vmsta279_ref_015">15</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="j_vmsta279_ref_016">16</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="j_vmsta279_ref_020">20</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="j_vmsta279_ref_024">24</xref>].</p>
<p>In this article, we consider the problem of parameter estimation related to the projected normal distribution onto <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_013"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${\mathbb{S}^{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. In contrast to the existing literature, we do not consider estimation of the parameters of the projected normal that can be obtained via standard methodology, as the density is completely known. Instead, our aim is to extract information on the underlying normal distribution <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_014"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$N(\mu ,\Sigma )$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> (with support on the ambient Euclidean space <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_015"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${\mathbb{R}^{3}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>) based solely on data consisting of projected points on <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_016"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${\mathbb{S}^{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Obviously, we immediately run into identifiability issues if we observe only <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_017"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">‖</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">‖</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$X/\| X\| $]]></tex-math></alternatives></inline-formula> instead of <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_018"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">∼</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$X\sim N(\mu ,\Sigma )$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. First of all, it is clear that one cannot identify arbitrary shapes of Σ (for example, the distribution can be arbitrarily spread in the direction <italic>μ</italic> and this cannot be observed as all points in this direction are equally projected). For this reason, we assume, for the sake of simplicity, isotropic variance <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_019"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$\Sigma ={\sigma ^{2}}{I_{3}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and assume <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_020"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">∼</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$X\sim N(\mu ,{\sigma ^{2}}{I_{3}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. However, even in this case, we can only estimate the quantities <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_021"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">‖</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">‖</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$\mu /\| \mu \| $]]></tex-math></alternatives></inline-formula> (the direction of the location) and <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_022"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">‖</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">‖</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${\sigma ^{2}}/\| \mu {\| ^{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, the reason being that the distribution of the projection <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_023"><alternatives><mml:math>
<mml:mo movablelimits="false">pr</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$\operatorname{pr}(aX)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is invariant on <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_024"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$a\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. This is indeed natural, as intuitively one can only estimate the direction <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_025"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">‖</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">‖</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$\mu /\| \mu \| $]]></tex-math></alternatives></inline-formula> from the projections (onto <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_026"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${\mathbb{S}^{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>). Similarly, <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_027"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$N(\mu ,{\sigma ^{2}}{I_{3}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> for larger <italic>σ</italic> located in a distant <italic>μ</italic> seems similar to the normal distribution with smaller variance but located closer, if one is only observing both distributions on the surface of a sphere. We also note that estimation of the direction <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_028"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">‖</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">‖</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$\mu /\| \mu \| $]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is already well known, and we claim no originality in this respect. Instead, our main contribution is the estimation of <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_029"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">‖</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">‖</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[$\lambda ={\sigma ^{2}}/\| \mu {\| ^{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. For this, we study the covariance matrix of <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_030"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">‖</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">‖</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$X/\| X\| $]]></tex-math></alternatives></inline-formula> on <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_031"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${\mathbb{S}^{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and by linking it to certain special functions and analyzing their series expansions, we show that there is a bijective mapping between <italic>λ</italic> and the covariance matrix of <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_032"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">/</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">‖</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">‖</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$X/\| X\| $]]></tex-math></alternatives></inline-formula> on <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_033"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${\mathbb{S}^{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. As the latter can be estimated by using the methods of spherical statistics, we obtain a consistent estimator for <italic>λ</italic> via the inverse mapping that can be computed, e.g., via the bisection method.</p>
<p>The rest of the article is organized as follows. In Section <xref rid="j_vmsta279_s_002">2</xref> we present and discuss our main results. We begin with Section <xref rid="j_vmsta279_s_003">2.1</xref> where we introduce our setup and notation. After that, we discuss the convergence of sample estimators (for mean and covariance) in the context of a general Riemannian manifold. The case of the projected normal in <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_034"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${\mathbb{S}^{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is then discussed in Section <xref rid="j_vmsta279_s_005">2.3</xref>. All the proofs are postponed to Section <xref rid="j_vmsta279_s_006">3</xref>.</p>
</sec>
<sec id="j_vmsta279_s_002">
<label>2</label>
<title>Main result</title>
<p>In this section we present and discuss our main results. First, in Section <xref rid="j_vmsta279_s_003">2.1</xref>, we shall introduce some notation and clarify some terminology used in the context of manifold-valued random variables. Some of the theory relies on differential geometric concepts which are briefly summarized in Appendix <xref rid="j_vmsta279_app_001">A</xref>. The convergence of sample covariances on a general compact manifold is discussed in Section <xref rid="j_vmsta279_s_004">2.2</xref>, while the special case of <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_035"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${\mathbb{S}^{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and the projected normal distribution is treated in Section <xref rid="j_vmsta279_s_005">2.3</xref>.</p>
<sec id="j_vmsta279_s_003">
<label>2.1</label>
<title>General setting</title>
<p>Let <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_036"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">⊂</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[$M\subset {\mathbb{R}^{k}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> be a smooth <italic>n</italic>-dimensional manifold. Let <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_037"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">∈</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[$S\in {\mathbb{R}^{k}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> be a dense subset and let <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_038"><alternatives><mml:math>
<mml:mo movablelimits="false">pr</mml:mo>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">→</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$\operatorname{pr}:S\to M$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> be the projection onto <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_039"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">⊆</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[$M\subseteq {\mathbb{R}^{k}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, assumed smooth everywhere on <italic>S</italic> and hence almost everywhere in <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_040"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${\mathbb{R}^{k}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Let <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_041"><alternatives><mml:math>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="double-struck">P</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$(\Omega ,\mathbb{P})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> be a probability space and consider a normally distributed (multivariate) random variable 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_001">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">→</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ X:\Omega \to {\mathbb{R}^{k}}\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
such that 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_002">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi mathvariant="double-struck">P</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">∉</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ \mathbb{P}(X\notin S)=0.\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
Let <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_042"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mo>…</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${x_{1}},\dots ,{x_{L}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> be an independently drawn sample of <italic>X</italic>. Suppose now that we observe 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_003">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mo movablelimits="false">pr</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">…</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">pr</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ \operatorname{pr}({x_{1}}),\dots ,\operatorname{pr}({x_{L}}).\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
The question is now, can one estimate the mean and covariance of this projected sample?</p>
<p>In order for this question to have meaning, a notion of mean and covariance is needed for manifold-valued random variables. The intrinsic mean, a.k.a. the Frechét mean (see [<xref ref-type="bibr" rid="j_vmsta279_ref_017">17</xref>]), of an absolutely continuous random variable <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_043"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">→</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$X:\Omega \to M$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is defined as follows.</p><statement id="j_vmsta279_stat_001"><label>Definition 2.1.</label>
<p>Let <italic>M</italic> be a Riemannian manifold with corresponding distance function dist and volume form <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_044"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">dVol</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${\operatorname{dVol}_{M}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Moreover, suppose <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_045"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">→</mml:mo>
<mml:mo fence="true" stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mi>∞</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${p_{X}}:M\to [0,\infty )$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is a probability density function of some absolutely continuous random variable <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_046"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">→</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$X:\Omega \to M$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. The expected value of <italic>X</italic> is then defined by 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_004">
<label>(2.1)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">arginf</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">∈</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∫</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo movablelimits="false">dist</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">dVol</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="double-struck">E</mml:mi>
<mml:mo fence="true" stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo fence="true" stretchy="false">]</mml:mo>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ \underset{q\in M}{\operatorname{arginf}}{\int _{M}}\operatorname{dist}{(q,y)^{2}}{p_{X}}(y){\operatorname{dVol}_{M}}(y)=\mathbb{E}[X].\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
</p></statement><statement id="j_vmsta279_stat_002"><label>Remark.</label>
<p>The argument in the infimum in (<xref rid="j_vmsta279_eq_004">2.1</xref>) need not exist nor does it need to be unique. For example, consider <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_047"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi><mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mover>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">∈</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[$X\stackrel{\mathrm{d}}{=}N(0,{\sigma ^{2}}I)\in {\mathbb{R}^{n+1}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, then <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_048"><alternatives><mml:math>
<mml:mo movablelimits="false">pr</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$\operatorname{pr}(X)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> follows the uniform distribution on <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_049"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${\mathbb{S}^{n}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and all points in <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_050"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${\mathbb{S}^{n}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> satisfy the infimum in (<xref rid="j_vmsta279_eq_004">2.1</xref>). This is a very important difference from the case of <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_051"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${\mathbb{R}^{n}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>-valued random variables. In <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_052"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${\mathbb{R}^{n}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> we know that if <italic>X</italic> is absolutely continuous, integrable and square integrable, then any point <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_053"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">∈</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[$\mu \in {\mathbb{R}^{n}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> which minimizes the least square integral 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_005">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∫</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced separators="" open="|" close="|">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ {\int _{{\mathbb{R}^{n}}}}{\left|x-\mu \right|^{2}}{p_{X}}\mathrm{d}x\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
is unique.</p></statement>
<p>The intrinsic definition of the covariance matrix for a random variable on a Riemannian manifold is well known as well (see, e.g., [<xref ref-type="bibr" rid="j_vmsta279_ref_017">17</xref>]). <statement id="j_vmsta279_stat_003"><label>Definition 2.2.</label>
<p>Let <italic>M</italic> be a geodesically complete Riemannian manifold, and let <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_054"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">log</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">→</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[${\log _{q}}:M\to {T_{q}}M$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> be the natural log map (defined a.e.). Let <italic>X</italic> be an <italic>M</italic>-valued absolutely continuous random variable with the intrinsic mean <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_055"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="double-struck">E</mml:mi>
<mml:mo fence="true" stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo fence="true" stretchy="false">]</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">∈</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$\mu =\mathbb{E}[X]\in M$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Then, the <italic>covariance matrix</italic> for <italic>X</italic> is the linear map <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_056"><alternatives><mml:math>
<mml:mo movablelimits="false">Cov</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">→</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$\operatorname{Cov}(X):{T_{\mu }}M\to {T_{\mu }}M$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> defined by the integral 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_006">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mo movablelimits="false">Cov</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∫</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">log</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">log</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">dVol</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ \operatorname{Cov}(X)={\int _{M}}{\log _{\mu }}(y){\log _{\mu }}{(y)^{T}}{p_{X}}(y){\operatorname{dVol}_{M}}(y).\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
</p></statement></p>
</sec>
<sec id="j_vmsta279_s_004">
<label>2.2</label>
<title>Convergence of sample estimators on a compact manifold</title>
<p>Let <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_057"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>ℓ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${y_{\ell }}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> be a sample of <italic>L</italic> independent measurements on a compact manifold <italic>M</italic>. In order to estimate the mean of such a sample, we shall utilize the discrete version of Definition <xref rid="j_vmsta279_stat_001">2.1</xref>. This definition follows that of [<xref ref-type="bibr" rid="j_vmsta279_ref_017">17</xref>].</p><statement id="j_vmsta279_stat_004"><label>Definition 2.3.</label>
<p>Let <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_058"><alternatives><mml:math>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo fence="true" stretchy="false">{</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>ℓ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo fence="true" stretchy="false">}</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>ℓ</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup></mml:math><tex-math><![CDATA[${\{{y_{\ell }}\}_{\ell =1}^{L}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> be a sample of <italic>L</italic> points on a Riemannian manifold <italic>M</italic>. Then the <italic>empirical mean</italic> is defined as 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_007">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">arginf</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">∈</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>ℓ</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">dist</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>ℓ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ \underset{q\in M}{\operatorname{arginf}}{\sum \limits_{\ell =1}^{L}}{\operatorname{dist}^{2}}({y_{\ell }},q).\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
</p></statement>
<p>Note that since the function <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_059"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">dist</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${\operatorname{dist}^{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> has good regularity, one may hope to find such an infimum by solving the (nonlinear) equation 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_008">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>ℓ</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">log</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>ℓ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ q:{\sum \limits_{\ell =1}^{L}}{\log _{q}}({y_{\ell }})=0.\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
It was shown in [<xref ref-type="bibr" rid="j_vmsta279_ref_008">8</xref>] that if <italic>M</italic> is compact and if <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_060"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>ℓ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${y_{\ell }}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is sampled from a distribution with a unique empirical mean <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_061"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${x_{0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, then the distribution of the above follows a central limit theorem. More precisely, if <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_062"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="double-struck">E</mml:mi>
<mml:mo fence="true" stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>ℓ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo fence="true" stretchy="false">]</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$\mu =\mathbb{E}[{y_{\ell }}]$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is the true mean of the underlying distribution and if <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_063"><alternatives><mml:math><mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">ˆ</mml:mo></mml:mover></mml:math><tex-math><![CDATA[$\hat{\mu }$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is the empirical mean, it holds that 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_009">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">log</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">ˆ</mml:mo></mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">⟶</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>d</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:mover>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">V</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ \sqrt{L}{\log _{\mu }}\left(\hat{\mu }\right)\stackrel{\text{d}}{\longrightarrow }N(0,V)\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
for some linear map <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_064"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">V</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">∈</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">L</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$V\in \mathcal{L}({T_{\mu }}M,{T_{\mu }}M)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>.</p><statement id="j_vmsta279_stat_005"><label>Definition 2.4.</label>
<p>Let <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_065"><alternatives><mml:math>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo fence="true" stretchy="false">{</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>ℓ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo fence="true" stretchy="false">}</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>ℓ</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup></mml:math><tex-math><![CDATA[${\{{y_{\ell }}\}_{\ell =1}^{L}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> be a sample of <italic>L</italic> points on a Riemannian manifold <italic>M</italic> with a unique empirical mean <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_066"><alternatives><mml:math><mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">ˆ</mml:mo></mml:mover></mml:math><tex-math><![CDATA[$\hat{\xi }$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Then the <italic>empirical covariance</italic> of the sample is defined by 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_010">
<label>(2.2)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">ˆ</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">L</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>ℓ</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">log</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">ˆ</mml:mo></mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>ℓ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">log</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">ˆ</mml:mo></mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>ℓ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ \hat{V}=\frac{1}{L-1}{\sum \limits_{\ell =1}^{L}}{\log _{\hat{\xi }}}({y_{\ell }}){\log _{\hat{\xi }}}{({y_{\ell }})^{T}}\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
where <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_067"><alternatives><mml:math><mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">ˆ</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">ˆ</mml:mo></mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">→</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">ˆ</mml:mo></mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$\hat{V}:{T_{\hat{\xi }}}M\to {T_{\hat{\xi }}}M$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is a linear map.</p></statement>
<p>Since the empirical mean converges by the results of [<xref ref-type="bibr" rid="j_vmsta279_ref_008">8</xref>], it remains to verify that the empirical covariance in Equation (<xref rid="j_vmsta279_eq_010">2.2</xref>) converges to the covariance <italic>V</italic> of the limiting distribution <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_068"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">lim</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">L</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">→</mml:mo>
<mml:mi>∞</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">log</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">ˆ</mml:mo></mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math><tex-math><![CDATA[${\lim \nolimits_{L\to \infty }}\sqrt{L}{\log _{\xi }}\left(\hat{\xi }\right)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>.</p>
<p>The following result shows that, in the case of isotropic covariance, the empirical covariance converges. The proof is postponed to Section <xref rid="j_vmsta279_s_007">3.1</xref>.</p><statement id="j_vmsta279_stat_006"><label>Theorem 2.5.</label>
<p><italic>Let</italic> <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_069"><alternatives><mml:math>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo fence="true" stretchy="false">{</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>ℓ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo fence="true" stretchy="false">}</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>ℓ</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup></mml:math><tex-math><![CDATA[${\{{\xi _{\ell }}\}_{\ell =1}^{L}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>be L independent identically distributed random variables on a compact geodesically complete manifold M. Suppose further they have a unique mean</italic> <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_070"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="double-struck">E</mml:mi>
<mml:mo fence="true" stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>ℓ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo fence="true" stretchy="false">]</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$\mathbb{E}[{\xi _{\ell }}]=\mu $]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>and an isotropic covariance</italic> <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_071"><alternatives><mml:math>
<mml:mo movablelimits="false">Cov</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>ℓ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$\operatorname{Cov}({\xi _{\ell }})=vI$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>. Then,</italic> 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_011">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">L</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>ℓ</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">log</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">ˆ</mml:mo></mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>ℓ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">log</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">ˆ</mml:mo></mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>ℓ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup><mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">⟶</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">P</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mover>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ \frac{1}{L-1}{\sum \limits_{\ell =1}^{L}}{\log _{\hat{\mu }}}({\xi _{\ell }}){\log _{\hat{\mu }}}{({\xi _{\ell }})^{T}}\stackrel{\mathbb{P}}{\longrightarrow }vI\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
<italic>with the same rate of convergence as the empirical mean</italic> <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_072"><alternatives><mml:math><mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">ˆ</mml:mo></mml:mover></mml:math><tex-math><![CDATA[$\hat{\mu }$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>of the sample</italic> <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_073"><alternatives><mml:math>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo fence="true" stretchy="false">{</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>ℓ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo fence="true" stretchy="false">}</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>ℓ</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup></mml:math><tex-math><![CDATA[${\{{\xi _{\ell }}\}_{\ell =1}^{L}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>.</italic></p></statement><statement id="j_vmsta279_stat_007"><label>Remark.</label>
<p>As far as we know, the rate of convergence for the empirical mean on compact manifolds is not completely solved as of now. In [<xref ref-type="bibr" rid="j_vmsta279_ref_008">8</xref>] it has been shown that the empirical mean has a rate of convergence <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_074"><alternatives><mml:math>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt></mml:math><tex-math><![CDATA[$\sqrt{L}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> for a large class of manifolds, but not all compact geodesically complete manifolds. However, [<xref ref-type="bibr" rid="j_vmsta279_ref_002">2</xref>] provides rates of convergence for the empirical mean for a general class of metric spaces, from which it seems that the rate of convergence <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_075"><alternatives><mml:math>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt></mml:math><tex-math><![CDATA[$\sqrt{L}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> isn’t necessarily true.</p></statement>
<p>Following a similar method as in [<xref ref-type="bibr" rid="j_vmsta279_ref_018">18</xref>] the update scheme for a sample of observations is given in Algorithm <xref rid="j_vmsta279_fig_001">1</xref>.</p>
<fig id="j_vmsta279_fig_001">
<label>Algorithm 1</label>
<caption>
<p>Estimating intrinsic average and covariance for a sample <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_076"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>ℓ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${y_{\ell }}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> on a manifold <italic>M</italic></p>
</caption>
<graphic xlink:href="vmsta279_g001.jpg"/>
</fig>
</sec>
<sec id="j_vmsta279_s_005">
<label>2.3</label>
<title>Observing the projected normal in <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_077"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${\mathbb{S}^{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula></title>
<p>In this section we consider <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_078"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[$M={\mathbb{S}^{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, the unit 2-sphere in <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_079"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${\mathbb{R}^{3}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. In this case, the projection map is simply 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_012">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mo movablelimits="false">pr</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced separators="" open="‖" close="‖">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ \operatorname{pr}(x)=\frac{x}{\left\| x\right\| }\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
and the domain of definition for pr is <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_080"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>∖</mml:mo>
<mml:mo fence="true" stretchy="false">{</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo fence="true" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$S={\mathbb{R}^{3}}\setminus \{0\}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>.</p>
<p>Throughout, we shall use spherical coordinates, i.e. for the classical Cartesian coordinates <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_081"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">z</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${(x,y,z)^{T}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> in <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_082"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${\mathbb{R}^{3}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> we set <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_083"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">cos</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">sin</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$x=\cos (\theta )\sin (\phi )$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_084"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">sin</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">sin</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$y=\sin (\theta )\sin (\phi )$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, and <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_085"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">z</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">cos</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$z=\cos (\phi )$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Consider two points <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_086"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${({\theta _{1}},{\phi _{1}})^{T}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_087"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${({\theta _{2}},{\phi _{2}})^{T}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Then it is a classical result (see, e.g., [<xref ref-type="bibr" rid="j_vmsta279_ref_010">10</xref>]) that the distance function may be written as 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_013">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true" columnspacing="0pt" columnalign="right left">
<mml:mtr>
<mml:mtd/>
<mml:mtd>
<mml:mo movablelimits="false">dist</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd/>
<mml:mtd>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">acos</mml:mo>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">cos</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">cos</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">sin</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">sin</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">cos</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[\begin{aligned}{}& \operatorname{dist}({({\theta _{1}},{\phi _{1}})^{T}},{({\theta _{2}},{\phi _{2}})^{T}})\\ {} & \hspace{1em}=\operatorname{acos}\left(\cos ({\phi _{1}})\cos ({\phi _{2}})+\sin ({\phi _{1}})\sin ({\phi _{2}})\cos ({\theta _{2}}-{\theta _{1}})\right).\end{aligned}\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
</p>
<p>It has been shown in [<xref ref-type="bibr" rid="j_vmsta279_ref_007">7</xref>] that the projected normal, i.e. the random variable defined by <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_088"><alternatives><mml:math>
<mml:mo movablelimits="false">pr</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$\operatorname{pr}(X)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> where <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_089"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi><mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mover>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$X\stackrel{\mathrm{d}}{=}N(\mu ,\Sigma )$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, has the probability density function 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_014">
<label>(2.3)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">pr</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced separators="" open="|" close="|">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo movablelimits="false">exp</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">C</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">K</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">K</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">K</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">K</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">K</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">K</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ {p_{\operatorname{pr}(X)}}(\theta ,\phi )={\left(\frac{1}{2\pi A}\right)^{3/2}}{\left|\Sigma \right|^{-\frac{1}{2}}}\exp (C)\left(\operatorname{K}+{\operatorname{K}^{2}}\frac{\Phi (\operatorname{K})}{\varphi (\operatorname{K})}+\frac{\Phi (\operatorname{K})}{\varphi (\operatorname{K})}\right)\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
at a point <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_090"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">u</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">cos</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">sin</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">sin</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">sin</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">cos</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[$u={(\cos (\theta )\sin (\phi ),\sin (\theta )\sin (\phi ),\cos (\phi ))^{T}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, where <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_091"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">A</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="italic">u</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$A={u^{T}}{\Sigma ^{-1}}u$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_092"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">B</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$B={u^{T}}{\Sigma ^{-1}}\mu $]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_093"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">C</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$C=-\frac{1}{2}{\mu ^{T}}{\Sigma ^{-1}}\mu $]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, and <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_094"><alternatives><mml:math>
<mml:mo movablelimits="false">K</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">B</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[$\operatorname{K}=B{A^{-\frac{1}{2}}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Moreover, the functions <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_095"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">→</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$\varphi ,\Phi :\mathbb{R}\to \mathbb{R}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> are defined as 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_015">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">exp</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ \varphi (x)=\exp (-\frac{{x^{2}}}{2})\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
and 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_016">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∫</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>∞</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ \Phi (a)={\int _{-\infty }^{a}}\varphi (x)\mathrm{d}x,\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
respectively.</p>
<p>In our context, this random variable is then <italic>observed</italic> in <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_096"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${\mathbb{S}^{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. As <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_097"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${\mathbb{S}^{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is an isometrically embedded Riemannian manifold, Definition <xref rid="j_vmsta279_stat_001">2.1</xref> applies for the projected normal. Intuitively, the expectation of a projected normal distribution ought to be <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_098"><alternatives><mml:math>
<mml:mo movablelimits="false">pr</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$\operatorname{pr}(\mu )$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Unfortunately, for the fully general case of the projected normal, this conjecture will be false. However, by imposing an isotropic covariance Σ onto <italic>X</italic> we shall show that this intuition is indeed correct. This is the topic of the next result whose proof is postponed in Section <xref rid="j_vmsta279_s_008">3.2</xref>.</p><statement id="j_vmsta279_stat_008"><label>Theorem 2.6.</label>
<p><italic>Let X be a normally distributed random variable with average</italic> <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_099"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">∈</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[$\mu \in {\mathbb{R}^{3}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>and covariance matrix</italic> Σ<italic>, i.e.</italic> <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_100"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi><mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mover>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">∈</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[$X\stackrel{\mathrm{d}}{=}N(\mu ,\Sigma )\in {\mathbb{R}^{3}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>. If</italic> <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_101"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$\Sigma ={\sigma ^{2}}{I_{3}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>, then</italic> <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_102"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="double-struck">E</mml:mi>
<mml:mo fence="true" stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">pr</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo fence="true" stretchy="false">]</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">pr</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$\mathbb{E}[\operatorname{pr}(X)]=\operatorname{pr}(\mu )$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>.</italic></p></statement><statement id="j_vmsta279_stat_009"><label>Remark.</label>
<p>The above theorem is true whenever <italic>μ</italic> is an eigenvector of Σ. However, if <italic>μ</italic> is not an eigenvector of Σ, then the statement of Theorem <xref rid="j_vmsta279_stat_008">2.6</xref> is false in general. To see this, let <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_103"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[$\mu ={(0,0,1)^{T}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_017">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnspacing="10.0pt 10.0pt" equalrows="false" columnlines="none none none none none none none none none" equalcolumns="false" columnalign="center center center">
<mml:mtr>
<mml:mtd class="array">
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd class="array">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd class="array">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd class="array">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd class="array">
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd class="array">
<mml:mn>0.5</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd class="array">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd class="array">
<mml:mn>0.5</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd class="array">
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ \Sigma =\left(\begin{array}{c@{\hskip10.0pt}c@{\hskip10.0pt}c}1& 0& 0\\ {} 0& 1& 0.5\\ {} 0& 0.5& 1\end{array}\right).\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
In this case it follows that the probability density function is not symmetric around <italic>μ</italic>, see Figure <xref rid="j_vmsta279_fig_002">1</xref> below.</p></statement>
<fig id="j_vmsta279_fig_002">
<label>Fig. 1.</label>
<caption>
<p>A normally distributed random variable <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_104"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi><mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mover>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$X\stackrel{\mathrm{d}}{=}N(\mu ,\Sigma )$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, with the covariance matrix Σ such that the mean <italic>μ</italic> is not an eigenvector for Σ, for which <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_105"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="double-struck">E</mml:mi>
<mml:mo fence="true" stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">pr</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo fence="true" stretchy="false">]</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">≠</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">pr</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$\mathbb{E}[\operatorname{pr}(X)]\ne \operatorname{pr}(\mu )$]]></tex-math></alternatives></inline-formula></p>
</caption>
<alt-text>Geometric picture showing a sphere S² and a normal random variable X with covariance matrix Σ, and mean μ. It illustrates that the projected normal random variable pr(X) might not have mean pr(μ) for a general covariance matrix Σ.</alt-text><graphic xlink:href="vmsta279_g002.jpg"/>
</fig>
<p>In general, the tangent space of <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_106"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${\mathbb{S}^{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> at a point <italic>q</italic> is the set of vectors orthogonal (in the Euclidean product inherited from <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_107"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${\mathbb{R}^{3}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>) to <italic>q</italic>. Note that the initial velocity of the geodesic connecting a point <italic>μ</italic> to <italic>q</italic> has the same direction as <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_108"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>×</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$q\times \mu $]]></tex-math></alternatives></inline-formula> (i.e. the cross-product of <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_109"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${\mathbb{R}^{3}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>). The logarithm map of <italic>q</italic> centered at a point <italic>μ</italic> is thus the vector of the normalised starting velocity of the geodesic connecting <italic>μ</italic> with <italic>q</italic> times the length of the geodesic connecting <italic>μ</italic> and <italic>q</italic>, see [<xref ref-type="bibr" rid="j_vmsta279_ref_013">13</xref>]. Without loss of generality, consider <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_110"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[$\mu ={(0,0,1)^{T}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Then 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_018">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">log</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtable equalrows="false" columnlines="none none none none none none none none none" equalcolumns="false" columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd class="array">
<mml:mo movablelimits="false">cos</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">sin</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd class="array">
<mml:mo movablelimits="false">sin</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">sin</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced separators="" open="|" close="|">
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">sin</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ {\log _{\mu }}(q)=\left(\begin{array}{c}\cos (\theta )\sin (\phi )\\ {} \sin (\theta )\sin (\phi )\end{array}\right)\frac{\phi }{\left|\sin (\phi )\right|},\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
where the basis for the vector is in a rewritten form of the basis (of <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_111"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${T_{\mu }}{\mathbb{S}^{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>) 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_019">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mfenced separators="" open="{" close="}">
<mml:mrow>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtable equalrows="false" columnlines="none none none none none none none none none" equalcolumns="false" columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd class="array">
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd class="array">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd class="array">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtable equalrows="false" columnlines="none none none none none none none none none" equalcolumns="false" columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd class="array">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd class="array">
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd class="array">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ \left\{\left(\begin{array}{c}1\\ {} 0\\ {} 0\end{array}\right),\left(\begin{array}{c}0\\ {} 1\\ {} 0\end{array}\right)\right\}.\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
Hence the <italic>intrinsic</italic> covariance of <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_112"><alternatives><mml:math>
<mml:mo movablelimits="false">pr</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$\operatorname{pr}(X)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> can be written as 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_020">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true" columnspacing="0pt" columnalign="right left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mo movablelimits="false">Cov</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">pr</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∫</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∫</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnspacing="10.0pt" equalrows="false" columnlines="none none none none none none none none none" equalcolumns="false" columnalign="center center">
<mml:mtr>
<mml:mtd class="array">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">cos</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">sin</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd class="array">
<mml:mo movablelimits="false">cos</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">sin</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">sin</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd class="array">
<mml:mo movablelimits="false">cos</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">sin</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">sin</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd class="array">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">sin</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">sin</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd/>
<mml:mtd>
<mml:mo>×</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">sin</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo movablelimits="false">exp</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd/>
<mml:mtd>
<mml:mo>×</mml:mo>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">K</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">K</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">K</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">K</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">K</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">K</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo movablelimits="false">sin</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[\begin{aligned}{}\operatorname{Cov}(\operatorname{pr}(X))=& {\int _{0}^{2\pi }}{\int _{0}^{\pi }}\left(\begin{array}{c@{\hskip10.0pt}c}{\cos ^{2}}(\theta ){\sin ^{2}}(\phi )& \cos (\theta )\sin (\theta ){\sin ^{2}}(\phi )\\ {} \cos (\theta )\sin (\theta ){\sin ^{2}}(\phi )& {\sin ^{2}}(\theta ){\sin ^{2}}(\phi )\end{array}\right)\\ {} & \times \frac{{\phi ^{2}}}{{\sin ^{2}}(\phi )}{\left(\frac{1}{2\pi }\right)^{3/2}}\exp (-\frac{1}{2{\sigma ^{2}}})\\ {} & \times \left(\operatorname{K}+{\operatorname{K}^{2}}\frac{\Phi (\operatorname{K})}{\varphi (\operatorname{K})}+\frac{\Phi (\operatorname{K})}{\varphi (\operatorname{K})}\right)\sin (\phi )\mathrm{d}\phi \mathrm{d}\theta ,\end{aligned}\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
where <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_113"><alternatives><mml:math>
<mml:mo movablelimits="false">K</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo movablelimits="false">cos</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$\operatorname{K}=\frac{1}{\sigma }\cos (\phi )$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Or, equivalently, by simplifying and integrating w.r.t. <italic>θ</italic>, 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_021">
<label>(2.4)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mtable displaystyle="true" columnspacing="0pt" columnalign="right left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mo movablelimits="false">Cov</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">pr</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo movablelimits="false">exp</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnspacing="10.0pt" equalrows="false" columnlines="none none none none none none none none none" equalcolumns="false" columnalign="center center">
<mml:mtr>
<mml:mtd class="array">
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd class="array">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd class="array">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd class="array">
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd/>
<mml:mtd>
<mml:mo>×</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∫</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">cos</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">cos</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">cos</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">cos</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo movablelimits="false">sin</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>:</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnspacing="10.0pt" equalrows="false" columnlines="none none none none none none none none none" equalcolumns="false" columnalign="center center">
<mml:mtr>
<mml:mtd class="array">
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd class="array">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd class="array">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd class="array">
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ \begin{aligned}{}\operatorname{Cov}(\operatorname{pr}(X))=& \frac{\pi }{{(2\pi )^{3/2}}}\exp (-\frac{1}{2{\sigma ^{2}}})\left(\begin{array}{c@{\hskip10.0pt}c}1& 0\\ {} 0& 1\end{array}\right)\\ {} & \times {\int _{0}^{\pi }}{\phi ^{2}}\left(\frac{\cos (\phi )}{\sigma }+\left(\frac{{\cos ^{2}}(\phi )}{{\sigma ^{2}}}+1\right)\frac{\Phi (\frac{\cos (\phi )}{\sigma })}{\varphi (\frac{\cos (\phi )}{\sigma })}\right)\sin (\phi )\mathrm{d}\phi \\ {} =:& \left(\begin{array}{c@{\hskip10.0pt}c}1& 0\\ {} 0& 1\end{array}\right)f(\sigma ).\end{aligned}\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
</p><statement id="j_vmsta279_stat_010"><label>Remark.</label>
<p>In the limit as <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_114"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">→</mml:mo>
<mml:mi>∞</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$\sigma \to \infty $]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, it holds that <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_115"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">pr</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mn>𝟙</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${p_{\operatorname{pr}(X)}}\to \frac{1}{4\pi }{𝟙_{{\mathbb{S}^{2}}}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. The intrinsic covariance in this limit is 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_022">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtable columnspacing="10.0pt" equalrows="false" columnlines="none none none none none none none none none" equalcolumns="false" columnalign="center center">
<mml:mtr>
<mml:mtd class="array">
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd class="array">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd class="array">
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
<mml:mtd class="array">
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ \frac{{\pi ^{2}}-4}{4}\left(\begin{array}{c@{\hskip10.0pt}c}1& 0\\ {} 0& 1\end{array}\right).\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
On the other hand, in the limit as <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_116"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">→</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$\sigma \to 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_117"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">pr</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${p_{\operatorname{pr}(X)}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> converges to the point mass distribution while the covariance goes to zero.</p></statement>
<p>Note that the above estimates are only for the <italic>intrinsic</italic> expectation and covariance. If we want to relate these estimates to the <italic>extrinsic</italic> expectation and covariance, we end up with the obvious problem that <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_118"><alternatives><mml:math>
<mml:mo movablelimits="false">pr</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$\operatorname{pr}(X)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_119"><alternatives><mml:math>
<mml:mo movablelimits="false">pr</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$\operatorname{pr}(aX)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_120"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$a\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, have the same distribution. Hence we need to choose which normal distribution in <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_121"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${\mathbb{R}^{3}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> corresponds to the intrinsic covariance and average. By Lemma <xref rid="j_vmsta279_stat_008">2.6</xref> the average is known (up to a factor). Moreover, it turns out there is a one-to-one correspondence between the extrinsic covariance and the intrinsic covariance up to a factor <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_122"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$a\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, and thus one may estimate the underlying covariance parameter <italic>σ</italic> using the relation (<xref rid="j_vmsta279_eq_021">2.4</xref>) with, e.g., the bisection method.</p>
<p>The degeneracy of the factor <italic>a</italic> essentially means that we can only estimate the parameter <italic>σ</italic> in the case when the projected average is the <italic>true</italic> average of the <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_123"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${\mathbb{R}^{3}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>-valued normal random variable. More generally, if <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_124"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi><mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mover>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$X\stackrel{\mathrm{d}}{=}N(\mu ,{\sigma ^{2}}{I_{3}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, then <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_125"><alternatives><mml:math><mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">‖</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">‖</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle><mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mover>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">‖</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">‖</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">‖</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">‖</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math><tex-math><![CDATA[$\frac{X}{\| \mu \| }\stackrel{\mathrm{d}}{=}N\left(\frac{\mu }{\| \mu \| },\frac{{\sigma ^{2}}}{\| \mu {\| ^{2}}}{I_{3}}\right)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Consequently, we can only estimate the quantities <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_126"><alternatives><mml:math><mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">‖</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">‖</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo stretchy="false">∈</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[$\frac{\mu }{\| \mu \| }\in {\mathbb{S}^{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_127"><alternatives><mml:math><mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">‖</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">‖</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle></mml:math><tex-math><![CDATA[$\frac{{\sigma ^{2}}}{\| \mu {\| ^{2}}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. This means that, as expected, we can estimate the direction <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_128"><alternatives><mml:math><mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">‖</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">‖</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle></mml:math><tex-math><![CDATA[$\frac{\mu }{\| \mu \| }$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> of the extrinsic distribution <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_129"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi><mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mover>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$X\stackrel{\mathrm{d}}{=}N(\mu ,{\sigma ^{2}}{I_{3}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> but not the distance <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_130"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false">‖</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">‖</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$\| \mu \| $]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. On the other hand, for the variance we can only estimate the quantity <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_131"><alternatives><mml:math><mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">‖</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">‖</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle></mml:math><tex-math><![CDATA[$\frac{{\sigma ^{2}}}{\| \mu {\| ^{2}}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. This is expected as well, as for the distribution <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_132"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$N(\mu ,{\sigma ^{2}}{I_{3}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> located far away (<inline-formula id="j_vmsta279_ineq_133"><alternatives><mml:math>
<mml:mo stretchy="false">‖</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">‖</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$\| \mu \| $]]></tex-math></alternatives></inline-formula> large) the projections onto <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_134"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${\mathbb{S}^{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> are not wide spread even if <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_135"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$\sigma \gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is large.</p>
<p>The required one-to-one correspondence between extrinsic and intrinsic covariances is formulated in the following proposition, whose proof is presented in Section <xref rid="j_vmsta279_s_009">3.3</xref>. The statement is also illustrated in Figure <xref rid="j_vmsta279_fig_003">2</xref>.</p><statement id="j_vmsta279_stat_011"><label>Proposition 2.7.</label>
<p><italic>Let X be a normally distributed random variable with mean</italic> <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_136"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">∈</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[$\mu \in {\mathbb{R}^{3}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>and isotropic variance</italic> <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_137"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${\sigma ^{2}}{I_{3}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>, i.e.</italic> <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_138"><alternatives><mml:math><mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced separators="" open="‖" close="‖">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle><mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mover>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced separators="" open="‖" close="‖">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced separators="" open="‖" close="‖">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$\frac{X}{\left\| \mu \right\| }\stackrel{\mathrm{d}}{=}N(\frac{\mu }{\left\| \mu \right\| },\frac{{\sigma ^{2}}}{{\left\| \mu \right\| ^{2}}}{I_{3}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>. Then</italic> 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_023">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mo movablelimits="false">Cov</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">pr</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ \operatorname{Cov}(\operatorname{pr}(X))=v{I_{2}}\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
<italic>for</italic> <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_139"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo stretchy="false">≤</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">&lt;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle></mml:math><tex-math><![CDATA[$0\le v\lt \frac{{\pi ^{2}}-4}{4}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>and the relation</italic> 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_024">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced separators="" open="‖" close="‖">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">tr</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">Cov</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">pr</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ f\left(\frac{{\sigma ^{2}}}{{\left\| \mu \right\| ^{2}}}\right):=\frac{\operatorname{tr}(\operatorname{Cov}(\operatorname{pr}(X)))}{2}=v\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
<italic>is a bijection.</italic></p></statement>
<p>The bijection <italic>f</italic> is crucial for observing projected normal random variables. Utilizing this <italic>f</italic>, if the scalar variance of some normal random variable <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_140"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi><mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mover>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$X\stackrel{\mathrm{d}}{=}N(\mu ,{\sigma ^{2}}{I_{3}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> in <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_141"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${\mathbb{R}^{3}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is known, then the intrinsic scalar variance of the corresponding projected normal random variable is precisely <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_142"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced separators="" open="‖" close="‖">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$f(\frac{{\sigma ^{2}}}{{\left\| \mu \right\| ^{2}}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Conversely, if some projected isotropic normal random variable has mean <italic>μ</italic> and covariance <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_143"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$v{I_{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, then the normal random variable <italic>X</italic> such that <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_144"><alternatives><mml:math>
<mml:mo movablelimits="false">pr</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$\operatorname{pr}(X)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> has these parameters is precisely <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_145"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi><mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mover>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$X\stackrel{\mathrm{d}}{=}N(\mu ,{f^{-1}}(v){I_{3}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> (up to a positive scalar factor).</p>
<p>As a consequence of Proposition <xref rid="j_vmsta279_stat_011">2.7</xref> and Theorem <xref rid="j_vmsta279_stat_006">2.5</xref> we can conclude that given measurements on the sphere, we can estimate the scalar variance of an isotropically distributed normal random vector in <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_146"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${\mathbb{R}^{3}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. This leads to the next result that can be viewed as the main theorem of the present paper. Its proof follows directly from Theorem <xref rid="j_vmsta279_stat_006">2.5</xref> and Proposition <xref rid="j_vmsta279_stat_011">2.7</xref>. The rate of convergence is obtained immediately from noting that [<xref ref-type="bibr" rid="j_vmsta279_ref_008">8</xref>, Theorem 2] applies to <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_147"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${\mathbb{S}^{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, and thus the empirical mean has rate of convergence <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_148"><alternatives><mml:math>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt></mml:math><tex-math><![CDATA[$\sqrt{L}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, and by Theorem <xref rid="j_vmsta279_stat_006">2.5</xref> so does the empirical covariance.</p><statement id="j_vmsta279_stat_012"><label>Theorem 2.8.</label>
<p><italic>Let X be a normally distributed random variable with mean</italic> <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_149"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">∈</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[$\mu \in {\mathbb{R}^{3}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>and isotropic variance</italic> <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_150"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${\sigma ^{2}}{I_{3}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>, i.e.</italic> <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_151"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi><mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mover>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$X\stackrel{\mathrm{d}}{=}N(\mu ,{\sigma ^{2}}{I_{3}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>. Given independent measurements</italic> <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_152"><alternatives><mml:math>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mo>…</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$({x_{1}},{x_{2}},\dots ,{x_{L}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>from</italic> <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_153"><alternatives><mml:math>
<mml:mo movablelimits="false">pr</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$\operatorname{pr}(X)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>, we can estimate</italic> <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_154"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced separators="" open="‖" close="‖">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle></mml:math><tex-math><![CDATA[$\lambda =\frac{{\sigma ^{2}}}{{\left\| \mu \right\| ^{2}}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>by</italic> 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_025">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">ˆ</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">tr</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">ˆ</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ \hat{\lambda }={f^{-1}}\left(\frac{\operatorname{tr}(\hat{V})}{2}\right)\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
<italic>where</italic> <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_155"><alternatives><mml:math><mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">ˆ</mml:mo></mml:mover></mml:math><tex-math><![CDATA[$\hat{V}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>is the empirical covariance matrix given in Equation</italic> (<xref rid="j_vmsta279_eq_010">2.2</xref>) <italic>and where f is the bijection given in Proposition</italic> <xref rid="j_vmsta279_stat_011"><italic>2.7</italic></xref> <italic>and defined in Equation</italic> (<xref rid="j_vmsta279_eq_021">2.4</xref>)<italic>. Moreover, it holds that</italic> 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_026">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">ˆ</mml:mo></mml:mover><mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">⟶</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">P</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mover><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced separators="" open="‖" close="‖">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ \hat{\lambda }\stackrel{\mathbb{P}}{\longrightarrow }\frac{{\sigma ^{2}}}{{\left\| \mu \right\| ^{2}}}\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
<italic>as</italic> <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_156"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">L</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">→</mml:mo>
<mml:mi>∞</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$L\to \infty $]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>, with rate of convergence</italic> <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_157"><alternatives><mml:math>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt></mml:math><tex-math><![CDATA[$\sqrt{L}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>.</italic></p></statement>
<fig id="j_vmsta279_fig_003">
<label>Fig. 2.</label>
<caption>
<p>A plot of the scalar variance of <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_158"><alternatives><mml:math>
<mml:mo movablelimits="false">pr</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$\operatorname{pr}(X)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, i.e. <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_159"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$f({\sigma ^{2}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> from Proposition <xref rid="j_vmsta279_stat_011">2.7</xref>, where <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_160"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi><mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mover>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$X\stackrel{\mathrm{d}}{=}N(\mu ,{\sigma ^{2}}{I_{3}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_161"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">∈</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[$\mu \in {\mathbb{S}^{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is arbitrary. The red line indicates the upper bound <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_162"><alternatives><mml:math>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">/</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">lim</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">→</mml:mo>
<mml:mi>∞</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub><mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">tr</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">Cov</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">pr</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle></mml:math><tex-math><![CDATA[$({\pi ^{2}}-4)/4={\lim \nolimits_{\sigma \to \infty }}\frac{\operatorname{tr}(\operatorname{Cov}(\operatorname{pr}(X)))}{2}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula></p>
</caption>
<alt-text>Graph showing the function f(σ²)=tr(Cov(pr(X)))/2 as a blue curve and the upper limit (π²-4)/4 as a red horizontal line, with σ² on the x-axis.</alt-text><graphic xlink:href="vmsta279_g003.jpg"/>
</fig>
<p>We conclude this section with some simulations. Firstly, Table <xref rid="j_vmsta279_tab_001">1</xref> illustrates an empirical verification of Theorem <xref rid="j_vmsta279_stat_006">2.5</xref> for the case of the manifold <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_163"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${\mathbb{S}^{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. The simulations are conducted by generating <italic>L</italic> samples from <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_164"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi><mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mover>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$X\stackrel{\mathrm{d}}{=}N(\mu ,{\sigma ^{2}}{I_{3}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> with <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_165"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false">∈</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[$\mu {(0,0,1)^{T}}\in {\mathbb{S}^{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_166"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$\sigma =1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and projecting these samples onto <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_167"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${\mathbb{S}^{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. The sample covariance is computed as in Algorithm <xref rid="j_vmsta279_fig_001">1</xref>, and its error is then compared to the theoretical covariance using the Frobenius norm. This error is then averaged over using 100 repetitions of the Monte Carlo method.</p>
<table-wrap id="j_vmsta279_tab_001">
<label>Table 1.</label>
<caption>
<p>The absolute error of 100 times repeated Monte Carlo simulations of the empirical covariance, Equation (<xref rid="j_vmsta279_eq_010">2.2</xref>), compared to the theoretical covariance of the projected normal distribution, <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_168"><alternatives><mml:math>
<mml:mo movablelimits="false">tr</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">Cov</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">pr</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$\operatorname{tr}(\operatorname{Cov}(\operatorname{pr}(X)))/2$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Each simulation run uses <italic>L</italic> data points and <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_169"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$\sigma =1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula></p>
</caption>
<table>
<thead>
<tr>
<td style="vertical-align: top; text-align: left; border-top: solid thin; border-bottom: solid thin">L</td>
<td style="vertical-align: top; text-align: left; border-top: solid thin; border-bottom: solid thin">30</td>
<td style="vertical-align: top; text-align: left; border-top: solid thin; border-bottom: solid thin">50</td>
<td style="vertical-align: top; text-align: left; border-top: solid thin; border-bottom: solid thin">100</td>
<td style="vertical-align: top; text-align: left; border-top: solid thin; border-bottom: solid thin">1000</td>
<td style="vertical-align: top; text-align: left; border-top: solid thin; border-bottom: solid thin"><inline-formula id="j_vmsta279_ineq_170"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${10^{4}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula></td>
<td style="vertical-align: top; text-align: left; border-top: solid thin; border-bottom: solid thin"><inline-formula id="j_vmsta279_ineq_171"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${10^{5}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula></td>
<td style="vertical-align: top; text-align: left; border-top: solid thin; border-bottom: solid thin"><inline-formula id="j_vmsta279_ineq_172"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${10^{6}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula></td>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td style="vertical-align: top; text-align: left; border-bottom: solid thin">error</td>
<td style="vertical-align: top; text-align: left; border-bottom: solid thin">0.013</td>
<td style="vertical-align: top; text-align: left; border-bottom: solid thin">0.0080</td>
<td style="vertical-align: top; text-align: left; border-bottom: solid thin">0.0055</td>
<td style="vertical-align: top; text-align: left; border-bottom: solid thin">0.0033</td>
<td style="vertical-align: top; text-align: left; border-bottom: solid thin">0.0015</td>
<td style="vertical-align: top; text-align: left; border-bottom: solid thin">8.4e-05</td>
<td style="vertical-align: top; text-align: left; border-bottom: solid thin">2.9e-05</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<p>Secondly, Figure <xref rid="j_vmsta279_fig_004">3</xref> is an illustration of the convergence result in Theorem <xref rid="j_vmsta279_stat_012">2.8</xref>. The simulations are done by generating <italic>L</italic> samples from <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_173"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi><mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mover>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$X\stackrel{\mathrm{d}}{=}N(\mu ,{\sigma ^{2}}{I_{3}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> with <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_174"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false">∈</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[$\mu {(0,0,1)^{T}}\in {\mathbb{S}^{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_175"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$\sigma =1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. The empirical covariance <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_176"><alternatives><mml:math><mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">ˆ</mml:mo></mml:mover></mml:math><tex-math><![CDATA[$\hat{V}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, Equation (<xref rid="j_vmsta279_eq_010">2.2</xref>), is computed for each set of samples. Then, for each set of samples, the estimator <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_177"><alternatives><mml:math><mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">ˆ</mml:mo></mml:mover></mml:math><tex-math><![CDATA[$\hat{\lambda }$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> for <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_178"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${\sigma ^{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, see Theorem <xref rid="j_vmsta279_stat_012">2.8</xref>, is computed by <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_179"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">tr</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">ˆ</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${f^{-1}}(\operatorname{tr}(\hat{V})/2)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. This is done with a 1000-fold repetition.</p>
<fig id="j_vmsta279_fig_004">
<label>Fig. 3.</label>
<caption>
<p>A box plot of the inferred estimator <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_180"><alternatives><mml:math><mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">ˆ</mml:mo></mml:mover></mml:math><tex-math><![CDATA[$\hat{\lambda }$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> in Theorem <xref rid="j_vmsta279_stat_012">2.8</xref> using the empirical covariance, Equation (<xref rid="j_vmsta279_eq_010">2.2</xref>), for <italic>L</italic> randomly generated projected normal random variables with <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_181"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${\sigma ^{2}}=1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_182"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[$\mu ={(0,0,1)^{T}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. For each <italic>L</italic> this is done with 1000 repetitions. The true underlying scalar variance, <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_183"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">λ</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">tr</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">Cov</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">pr</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$\lambda ={f^{-1}}(\operatorname{tr}(\operatorname{Cov}(\operatorname{pr}(X)))/2)=1$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, is shown in red color. Note that some outliers are omitted for readability of the graph</p>
</caption>
<alt-text>Box plot comparing estimates of lambda for 5 sample sizes (L=5 to 100), showing convergence to true lambda (red line) as sample size increases.</alt-text><graphic xlink:href="vmsta279_g004.jpg"/>
</fig>
</sec>
</sec>
<sec id="j_vmsta279_s_006">
<label>3</label>
<title>Proofs</title>
<sec id="j_vmsta279_s_007">
<label>3.1</label>
<title>Proof of Theorem <xref rid="j_vmsta279_stat_006">2.5</xref></title>
<p>First, note that 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_027">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">L</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>ℓ</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">log</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">ˆ</mml:mo></mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>ℓ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">log</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">ˆ</mml:mo></mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>ℓ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ \frac{1}{L-1}{\sum \limits_{\ell =1}^{L}}{\log _{\hat{\mu }}}({\xi _{\ell }}){\log _{\hat{\mu }}}{({\xi _{\ell }})^{T}}\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
is a linear map <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_184"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">ˆ</mml:mo></mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false">→</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">ˆ</mml:mo></mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${T_{\hat{\mu }}}{\mathbb{S}^{2}}\to {T_{\hat{\mu }}}{\mathbb{S}^{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, and <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_185"><alternatives><mml:math>
<mml:mo movablelimits="false">Cov</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$\operatorname{Cov}(\xi )$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is by definition a linear map <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_186"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false">→</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${T_{\mu }}{\mathbb{S}^{2}}\to {T_{\mu }}{\mathbb{S}^{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. In order to compare <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_187"><alternatives><mml:math><mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">ˆ</mml:mo></mml:mover></mml:math><tex-math><![CDATA[$\hat{V}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_188"><alternatives><mml:math>
<mml:mo movablelimits="false">Cov</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$\operatorname{Cov}(\xi )$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> we shall transport parallelly the linear map <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_189"><alternatives><mml:math><mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">ˆ</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">ˆ</mml:mo></mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">→</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">ˆ</mml:mo></mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$\hat{V}:{T_{\hat{\mu }}}\to {T_{\hat{\mu }}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> to a linear map <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_190"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false">→</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${T_{\mu }}{\mathbb{S}^{2}}\to {T_{\mu }}{\mathbb{S}^{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. That is, we look at <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_191"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">ˆ</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub><mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">V</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">ˆ</mml:mo></mml:mover>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo><mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">ˆ</mml:mo></mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${P_{\hat{\mu },\mu }}\hat{V}{P_{\mu ,\hat{\mu }}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and see how far away it is from <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_192"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$v{I_{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. It follows from Equation (<xref rid="j_vmsta279_eq_111">A.1</xref>) that <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_193"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">ˆ</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">log</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">ˆ</mml:mo></mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>ℓ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">log</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">ˆ</mml:mo></mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>ℓ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo><mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">ˆ</mml:mo></mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${P_{\hat{\mu },\mu }}{\log _{\hat{\mu }}}({\xi _{\ell }}){\log _{\hat{\mu }}}{({\xi _{\ell }})^{T}}{P_{\mu ,\hat{\mu }}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> has the first order expansion 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_028">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true" columnspacing="0pt" columnalign="right left">
<mml:mtr>
<mml:mtd/>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">ˆ</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">log</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">ˆ</mml:mo></mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>ℓ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">log</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">ˆ</mml:mo></mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>ℓ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo><mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">ˆ</mml:mo></mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd/>
<mml:mtd>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">log</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>ℓ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">log</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>ℓ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>∇</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">log</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">ˆ</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">log</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>ℓ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">log</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>ℓ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd/>
<mml:mtd>
<mml:mspace width="2em"/>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">log</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>ℓ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>∇</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">log</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">ˆ</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">log</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>ℓ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">dist</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo><mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">ˆ</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[\begin{aligned}{}& {P_{\hat{\mu },\mu }}{\log _{\hat{\mu }}}({\xi _{\ell }}){\log _{\hat{\mu }}}{({\xi _{\ell }})^{T}}{P_{\mu ,\hat{\mu }}}\\ {} & \hspace{1em}={\log _{\mu }}({\xi _{\ell }}){\log _{\mu }}{({\xi _{\ell }})^{T}}+\left({\nabla _{{\log _{\mu }}(\hat{\mu })}}{\log _{\mu }}({\xi _{\ell }})\right){\log _{\mu }}{({\xi _{\ell }})^{T}}\\ {} & \hspace{2em}+{\log _{\mu }}({\xi _{\ell }}){\left({\nabla _{{\log _{\mu }}(\hat{\mu })}}{\log _{\mu }}({\xi _{\ell }})\right)^{T}}+\mathcal{O}(\operatorname{dist}{(\mu ,\hat{\mu })^{2}}).\end{aligned}\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
Therefore, 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_029">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true" columnspacing="0pt" columnalign="right left">
<mml:mtr>
<mml:mtd/>
<mml:mtd>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">lim</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">→</mml:mo>
<mml:mi>∞</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mfenced separators="" open="‖" close="‖">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">E</mml:mi>
<mml:mfenced separators="" open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">ˆ</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>ℓ</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">log</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">ˆ</mml:mo></mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>ℓ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">log</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">ˆ</mml:mo></mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>ℓ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo><mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">ˆ</mml:mo></mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd/>
<mml:mtd>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mo stretchy="false">≤</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">lim</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">→</mml:mo>
<mml:mi>∞</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mfenced separators="" open="‖" close="‖">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>ℓ</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:mi mathvariant="double-struck">E</mml:mi>
<mml:mfenced separators="" open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">log</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>ℓ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">log</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>ℓ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd/>
<mml:mtd>
<mml:mspace width="2em"/>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">lim</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">→</mml:mo>
<mml:mi>∞</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mfenced separators="" open="‖" close="‖">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">E</mml:mi>
<mml:mfenced separators="" open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>∇</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">log</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">ˆ</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">log</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>ℓ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">log</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>ℓ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">log</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>ℓ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>∇</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">log</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">ˆ</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">log</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>ℓ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd/>
<mml:mtd>
<mml:mspace width="2em"/>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">lim</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">→</mml:mo>
<mml:mi>∞</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mi mathvariant="double-struck">E</mml:mi>
<mml:mfenced separators="" open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">dist</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">ˆ</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd/>
<mml:mtd>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mo stretchy="false">≤</mml:mo>
<mml:mfenced separators="" open="‖" close="‖">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">lim</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">→</mml:mo>
<mml:mi>∞</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mi mathvariant="double-struck">E</mml:mi>
<mml:mfenced separators="" open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">dist</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">ˆ</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[\begin{aligned}{}& \underset{n\to \infty }{\lim }\left\| \mathbb{E}\left[{P_{\hat{\mu },\mu }}\frac{1}{n-1}{\sum \limits_{\ell =1}^{n}}{\log _{\hat{\mu }}}({\xi _{\ell }}){\log _{\hat{\mu }}}{({\xi _{\ell }})^{T}}{P_{\mu ,\hat{\mu }}}-vI\right]\right\| \\ {} & \hspace{1em}\le \underset{n\to \infty }{\lim }\left\| \frac{1}{n-1}{\sum \limits_{\ell =1}^{n}}\mathbb{E}\left[{\log _{\mu }}({\xi _{\ell }}){\log _{\mu }}{({\xi _{\ell }})^{T}}\right]-vI\right\| \\ {} & \hspace{2em}+\underset{n\to \infty }{\lim }\left\| \mathbb{E}\left[\left({\nabla _{{\log _{\mu }}(\hat{\mu })}}{\log _{\mu }}({\xi _{\ell }})\right){\log _{\mu }}{({\xi _{\ell }})^{T}}+{\log _{\mu }}({\xi _{\ell }}){\left({\nabla _{{\log _{\mu }}(\hat{\mu })}}{\log _{\mu }}({\xi _{\ell }})\right)^{T}}\right]\right\| \\ {} & \hspace{2em}+\underset{n\to \infty }{\lim }\mathbb{E}\left[\mathcal{O}(\operatorname{dist}{(\hat{\mu },\mu )^{2}})\right]\\ {} & \hspace{1em}\le \left\| vI-vI\right\| +\underset{n\to \infty }{\lim }\mathbb{E}\left[\mathcal{O}(\operatorname{dist}(\hat{\mu },\mu ))\right]\end{aligned}\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
Here, according to [<xref ref-type="bibr" rid="j_vmsta279_ref_008">8</xref>, Proposition 1], it holds that <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_194"><alternatives><mml:math>
<mml:mo movablelimits="false">dist</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo><mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">ˆ</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$\operatorname{dist}(\mu ,\hat{\mu })$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> converges to zero almost surely. Since <italic>M</italic> is compact, it has finite mass and thus <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_195"><alternatives><mml:math>
<mml:mo movablelimits="false">dist</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo><mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">ˆ</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$\operatorname{dist}(\mu ,\hat{\mu })$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> converges in expectation to 0 by the dominated convergence theorem. Finally, the fact that the empirical covariance has the same rate of convergence as the empirical mean follows from the last inequality. This completes the proof.</p>
<p>□</p>
</sec>
<sec id="j_vmsta279_s_008">
<label>3.2</label>
<title>Proof of Theorem <xref rid="j_vmsta279_stat_008">2.6</xref></title>
<p>By the very definition, we need to show that 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_030">
<label>(3.1)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">arginf</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">∈</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∫</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo movablelimits="false">dist</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">pr</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">pr</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="double-struck">E</mml:mi>
<mml:mo fence="true" stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo fence="true" stretchy="false">]</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ \underset{q\in {\mathbb{S}^{2}}}{\operatorname{arginf}}{\int _{{\mathbb{S}^{2}}}}\operatorname{dist}{(q,y)^{2}}{p_{\operatorname{pr}(X)}}(y)d{\mathbb{S}^{2}}(y)=\operatorname{pr}(\mathbb{E}[X])\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
for <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_196"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi><mml:mover>
<mml:mrow>
<mml:mo>=</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mover>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$X\stackrel{\mathrm{d}}{=}N(\mu ,{\sigma ^{2}}{I_{3}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. By rescaling <italic>X</italic> with a factor of <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_197"><alternatives><mml:math><mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced separators="" open="‖" close="‖">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle></mml:math><tex-math><![CDATA[$\frac{1}{\left\| \mu \right\| }$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and by a rotational symmetry, we may assume <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_198"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[$\mu ={(-1,0,0)^{T}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> without loss of generality.</p>
<p>We make a simple first-derivative test to find the minimum in (<xref rid="j_vmsta279_eq_030">3.1</xref>). Let <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_199"><alternatives><mml:math>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$({\theta _{1}},{\phi _{1}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> be the spherical coordinates that are integrated over the sphere and let <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_200"><alternatives><mml:math>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$({\theta _{2}},{\phi _{2}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> be the coordinates that minimize the integral. Hence we need to show that <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_201"><alternatives><mml:math>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$({\theta _{2}},{\phi _{2}})=(\pi ,\pi /2)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Writing the integral in spherical coordinates and using the fact that the derivative with respect to <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_202"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${\phi _{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is zero, it follows that <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_203"><alternatives><mml:math>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$({\theta _{2}},{\phi _{2}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> satisfies 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_031">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>∂</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>∂</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∫</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">dist</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">pr</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">sin</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ \frac{\partial }{\partial {\phi _{2}}}{\int _{{\mathbb{S}^{2}}}}{\operatorname{dist}^{2}}(({\theta _{1}},{\phi _{1}}),({\theta _{2}},{\phi _{2}})){p_{\operatorname{pr}(X)}}({\theta _{1}},{\phi _{1}})\sin ({\phi _{1}})d{\theta _{1}}d{\phi _{1}}=0.\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
Now by the Leibniz integral rule the derivative may be moved inside the integral, and it holds 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_032">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true" columnspacing="0pt" columnalign="right left">
<mml:mtr>
<mml:mtd/>
<mml:mtd>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∫</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∫</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo movablelimits="false">dist</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd/>
<mml:mtd>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mo>×</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">cos</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">sin</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">sin</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">cos</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">cos</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">cos</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">cos</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">sin</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">sin</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">cos</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd/>
<mml:mtd>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mo>×</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">pr</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">sin</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd/>
<mml:mtd>
<mml:mspace width="2em"/>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[\begin{aligned}{}& {\int _{0}^{2\pi }}{\int _{0}^{\pi }}2\operatorname{dist}(({\theta _{1}},{\phi _{1}}),({\theta _{2}},{\phi _{2}}))\\ {} & \hspace{1em}\times \frac{(\cos ({\phi _{1}})\sin ({\phi _{2}})-\sin ({\phi _{1}})\cos ({\phi _{2}})\cos ({\theta _{2}}-{\theta _{1}}))}{\sqrt{1-{\left(\cos ({\phi _{1}})\cos ({\phi _{2}})+\sin ({\phi _{1}})\sin ({\phi _{2}})\cos ({\theta _{2}}-{\theta _{1}})\right)^{2}}}}\\ {} & \hspace{1em}\times {p_{\operatorname{pr}(X)}}({\theta _{1}},{\phi _{1}})\sin ({\phi _{1}})\mathrm{d}{\theta _{1}}\mathrm{d}{\phi _{1}}\\ {} & \hspace{2em}=0.\end{aligned}\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
Plugging <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_204"><alternatives><mml:math>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$({\theta _{2}},{\phi _{2}})=(\pi ,\pi /2)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> into the integral on the left-hand side yields an integral 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_033">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true" columnspacing="0pt" columnalign="right left">
<mml:mtr>
<mml:mtd/>
<mml:mtd>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∫</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∫</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo movablelimits="false">acos</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">sin</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">cos</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">cos</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">sin</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">cos</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd/>
<mml:mtd>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mo>×</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">pr</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">sin</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[\begin{aligned}{}& 2{\int _{0}^{2\pi }}{\int _{0}^{\pi }}\operatorname{acos}(\sin ({\phi _{1}})\cos (\pi -{\theta _{1}}))\frac{\cos ({\phi _{1}})}{\sqrt{1-{\sin ^{2}}({\phi _{1}}){\cos ^{2}}(\pi -{\theta _{1}})}}\\ {} & \hspace{1em}\times {p_{\operatorname{pr}(X)}}({\theta _{1}},{\phi _{1}})\sin ({\phi _{1}})\mathrm{d}{\theta _{1}}\mathrm{d}{\phi _{1}}.\end{aligned}\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
This integral equals zero, which can be seen by observing that the integrand is odd along <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_205"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${\phi _{1}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> around <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_206"><alternatives><mml:math><mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle></mml:math><tex-math><![CDATA[$\frac{\pi }{2}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, since <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_207"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">pr</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${p_{\operatorname{pr}(X)}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is symmetric around <italic>μ</italic> by construction. By similar arguments, we obtain that 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_034">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>∂</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>∂</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∫</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">dist</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">pr</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">sin</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ \frac{\partial }{\partial {\theta _{2}}}{\int _{{\mathbb{S}^{2}}}}{\operatorname{dist}^{2}}(({\theta _{1}},{\phi _{1}}),({\theta _{2}},{\phi _{2}})){p_{\operatorname{pr}(X)}}({\theta _{1}},{\phi _{1}})\sin ({\phi _{1}})\mathrm{d}{\phi _{1}}\mathrm{d}{\theta _{1}}\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
reduces at <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_208"><alternatives><mml:math>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$({\theta _{2}},{\phi _{2}})=(\pi ,\pi /2)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> to 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_035">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true" columnspacing="0pt" columnalign="right left">
<mml:mtr>
<mml:mtd/>
<mml:mtd>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∫</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∫</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo movablelimits="false">acos</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">sin</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">cos</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">sin</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">sin</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">sin</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">cos</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd/>
<mml:mtd>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mo>×</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">pr</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[\begin{aligned}{}& 2{\int _{0}^{2\pi }}{\int _{0}^{\pi }}\operatorname{acos}(\sin ({\phi _{1}})\cos (\pi -{\theta _{1}}))\frac{{\sin ^{2}}({\phi _{1}})\sin (\pi -{\theta _{1}})}{\sqrt{1-{\sin ^{2}}({\phi _{1}}){\cos ^{2}}(\pi -{\theta _{1}})}}\\ {} & \hspace{1em}\times {p_{\operatorname{pr}(X)}}({\theta _{1}},{\phi _{1}})\mathrm{d}{\phi _{1}}\mathrm{d}{\theta _{1}}\end{aligned}\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
which equals zero by symmetry around <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_209"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[${\theta _{1}}=\pi $]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Therefore, one can conclude that <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_210"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">pr</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="double-struck">E</mml:mi>
<mml:mo fence="true" stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo fence="true" stretchy="false">]</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$\mu =\operatorname{pr}(\mathbb{E}[X])$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is a local extremum for the integral in Equation (<xref rid="j_vmsta279_eq_030">3.1</xref>).</p>
<p>Next we shall argue why it is a global minimum. Note that a very similar computation will show that <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_211"><alternatives><mml:math>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$-\mu $]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, i.e. in spherical coordinates <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_212"><alternatives><mml:math>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$({\theta _{2}},{\phi _{2}})=(0,\pi /2)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is another local extremum. In fact, <italic>μ</italic> and <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_213"><alternatives><mml:math>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$-\mu $]]></tex-math></alternatives></inline-formula> are the only local extremum for the integral in Equation (<xref rid="j_vmsta279_eq_030">3.1</xref>) since it is the only two points for which the distance function is rotationally symmetric around the line in <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_214"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${\mathbb{R}^{3}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> which is spanned by <italic>μ</italic>. By direct computation, 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_036">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">pr</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo movablelimits="false">exp</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ {p_{\operatorname{pr}(X)}}\left(\pi ,\frac{\pi }{2}\right)=\frac{1}{{(2\pi )^{3/2}}}\exp (-\frac{1}{2{\sigma ^{2}}})\left(\frac{1}{\sigma }+\frac{1}{{\sigma ^{2}}}\frac{\Phi (\frac{1}{\sigma })}{\varphi (\frac{1}{\sigma })}+\frac{\Phi (\frac{1}{\sigma })}{\varphi (\frac{1}{\sigma })}\right)\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
and 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_037">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">pr</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo movablelimits="false">exp</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ {p_{\operatorname{pr}(X)}}\left(0,\frac{\pi }{2}\right)=\frac{1}{{(2\pi )^{3/2}}}\exp (-\frac{1}{2{\sigma ^{2}}})\left(\frac{-1}{\sigma }+\frac{1}{{\sigma ^{2}}}\frac{\Phi (\frac{-1}{\sigma })}{\varphi (\frac{-1}{\sigma })}+\frac{\Phi (\frac{-1}{\sigma })}{\varphi (\frac{-1}{\sigma })}\right),\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
hence <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_215"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">pr</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal">&gt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">pr</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${p_{\operatorname{pr}(X)}}(\mu )\gt {p_{\operatorname{pr}(X)}}(-\mu )$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. More generally, a similar computation shows that <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_216"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">pr</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal">&gt;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">pr</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">R</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${p_{\operatorname{pr}(X)}}(y)\gt {p_{\operatorname{pr}(X)}}(Ry)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, if <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_217"><alternatives><mml:math>
<mml:mo fence="true" stretchy="false">⟨</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
<mml:mo fence="true" stretchy="false">⟩</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$\langle y,\mu \rangle \gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, where <italic>R</italic> is the reflection mapping over the <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_218"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">z</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$y,z$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>-plane, i.e. 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_038">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi mathvariant="italic">R</mml:mi>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtable equalrows="false" columnlines="none none none none none none none none none" equalcolumns="false" columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd class="array">
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd class="array">
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd class="array">
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mtable equalrows="false" columnlines="none none none none none none none none none" equalcolumns="false" columnalign="center">
<mml:mtr>
<mml:mtd class="array">
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd class="array">
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd class="array">
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ R\left(\begin{array}{c}a\\ {} b\\ {} c\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}-a\\ {} b\\ {} c\end{array}\right).\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
Tautologically, the distance function increases when one goes father, and points being farther away will contribute more into the integral. Therefore <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_219"><alternatives><mml:math>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">θ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$({\theta _{2}},{\phi _{2}})=(\pi ,\pi /2)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> yields a global minimum for the integral in Equation (<xref rid="j_vmsta279_eq_030">3.1</xref>).</p>
<p>□</p>
</sec>
<sec id="j_vmsta279_s_009">
<label>3.3</label>
<title>Proof of Proposition <xref rid="j_vmsta279_stat_011">2.7</xref></title>
<p>Without loss of generality, we assume <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_220"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">μ</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[$\mu ={(0,0,1)^{T}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. In this case the functions <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_221"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">A</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">B</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">C</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">K</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$A,B,C,\operatorname{K}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> inside Equation (<xref rid="j_vmsta279_eq_014">2.3</xref>) are given by 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_039">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi mathvariant="italic">A</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi mathvariant="italic">B</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo movablelimits="false">cos</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi mathvariant="italic">C</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[\begin{array}{l}\displaystyle A=\frac{1}{{\sigma ^{2}}},\\ {} \displaystyle B=\frac{1}{{\sigma ^{2}}}\cos (\phi ),\\ {} \displaystyle C=-\frac{1}{2{\sigma ^{2}}},\end{array}\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
and 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_040">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mo movablelimits="false">K</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo movablelimits="false">cos</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ \operatorname{K}=\frac{1}{\sigma }\cos (\phi ).\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
By (<xref rid="j_vmsta279_eq_021">2.4</xref>) it holds that <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_222"><alternatives><mml:math>
<mml:mo movablelimits="false">Cov</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">pr</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$\operatorname{Cov}(\operatorname{pr}(X))$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is isotropic and we can write 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_041">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true" columnspacing="0pt" columnalign="right left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">tr</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">Cov</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">pr</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo movablelimits="false">exp</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd/>
<mml:mtd>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mo>×</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∫</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">cos</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">cos</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">cos</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">cos</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo movablelimits="false">sin</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[\begin{aligned}{}\frac{\operatorname{tr}(\operatorname{Cov}(\operatorname{pr}(X)))}{2}& =\frac{1}{{(2\pi )^{1/2}}}\exp (-\frac{1}{2{\sigma ^{2}}})\\ {} & \hspace{1em}\times {\int _{0}^{\pi }}{\phi ^{2}}\left(\frac{\cos (\phi )}{\sigma }+\left(\frac{{\cos ^{2}}(\phi )}{{\sigma ^{2}}}+1\right)\frac{\Phi (\frac{\cos (\phi )}{\sigma })}{\varphi (\frac{\cos (\phi )}{\sigma })}\right)\sin (\phi )\mathrm{d}\phi .\end{aligned}\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
Denote 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_042">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">exp</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∫</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">cos</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">cos</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">cos</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">cos</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo movablelimits="false">sin</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ f(\sigma )=\exp (-\frac{1}{2{\sigma ^{2}}}){\int _{0}^{\pi }}{\phi ^{2}}\left(\frac{\cos (\phi )}{\sigma }+\left(\frac{{\cos ^{2}}(\phi )}{{\sigma ^{2}}}+1\right)\frac{\Phi (\frac{\cos (\phi )}{\sigma })}{\varphi (\frac{\cos (\phi )}{\sigma })}\right)\sin (\phi )\mathrm{d}\phi .\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
In order to obtain the claim, it suffices to prove that <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_223"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$f(\sigma )$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is strictly increasing, from which it follows that <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_224"><alternatives><mml:math><mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">tr</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">Cov</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">pr</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle></mml:math><tex-math><![CDATA[$\frac{\operatorname{tr}(\operatorname{Cov}(\operatorname{pr}(X)))}{2}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is strictly increasing in <italic>σ</italic> as well. For notational simplicity, we set <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_225"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle></mml:math><tex-math><![CDATA[$x=\frac{1}{\sigma }$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and show that <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_226"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$f(x)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is strictly decreasing in <italic>x</italic>, where now <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_227"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$f(x)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, with a slight abuse of notation, is given by 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_043">
<label>(3.2)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mtable displaystyle="true" columnspacing="0pt" columnalign="right left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">exp</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd/>
<mml:mtd>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mo>×</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∫</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo movablelimits="false">cos</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">cos</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo movablelimits="false">cos</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo movablelimits="false">cos</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo movablelimits="false">sin</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ \begin{aligned}{}f(x)& =\exp (-\frac{{x^{2}}}{2})\\ {} & \hspace{1em}\times {\int _{0}^{\pi }}{\phi ^{2}}\left(x\cos (\phi )+\left({x^{2}}{\cos ^{2}}(\phi )+1\right)\frac{\Phi (x\cos (\phi ))}{\varphi (x\cos (\phi ))}\right)\sin (\phi )\mathrm{d}\phi .\end{aligned}\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
By differentiating in <italic>x</italic>, we get 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_044">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true" columnspacing="0pt" columnalign="right left">
<mml:mtr>
<mml:mtd/>
<mml:mtd>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>′</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">exp</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">where</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd/>
<mml:mtd>
<mml:mspace width="3.33333pt"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∫</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo movablelimits="false">cos</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo movablelimits="false">sin</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd/>
<mml:mtd>
<mml:mspace width="3.33333pt"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∫</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">cos</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">cos</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">cos</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo movablelimits="false">cos</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo movablelimits="false">cos</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo movablelimits="false">sin</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd/>
<mml:mtd>
<mml:mspace width="3.33333pt"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∫</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo movablelimits="false">cos</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">cos</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo movablelimits="false">sin</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[\begin{aligned}{}& {f^{\prime }}(x)=\exp (\frac{-{x^{2}}}{2})({I_{1}}+{I_{2}}+{I_{3}}),\hspace{1em}\mathrm{where}\\ {} & \hspace{3.33333pt}{I_{1}}:=-x{\int _{0}^{\pi }}{\phi ^{2}}\cos (\phi )x\sin (\phi )\mathrm{d}\phi ,\\ {} & \hspace{3.33333pt}{I_{2}}:={\int _{0}^{\pi }}{\phi ^{2}}\left(-{x^{3}}{\cos ^{2}}(\phi )-x+3x{\cos ^{2}}(\phi )+{x^{3}}{\cos ^{4}}(\phi )\right)\frac{\Phi (x\cos (\phi ))}{\varphi (x\cos (\phi ))}\sin (\phi )\mathrm{d}\phi ,\\ {} & \hspace{3.33333pt}{I_{3}}:={\int _{0}^{\pi }}{\phi ^{2}}\left(2\cos (\phi )+{x^{2}}{\cos ^{3}}(\phi )\right)\sin (\phi )\mathrm{d}\phi .\end{aligned}\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
Immediately, we have that 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_045">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ {I_{1}}={x^{2}}\frac{{\pi ^{2}}}{4}\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
and 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_046">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo>−</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>32</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ {I_{3}}=-\frac{{\pi ^{2}}}{2}-\frac{5{\pi ^{2}}}{32}{x^{2}}.\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
In order to show <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_228"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>′</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${f^{\prime }}(x)\lt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, we need to decipher <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_229"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${I_{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, which is more complicated. The main idea is to show that <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_230"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>′</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${f^{\prime }}(x)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is analytic for all <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_231"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">≥</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$x\ge 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and then to show that there is a strictly decreasing analytic function between <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_232"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>′</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${f^{\prime }}(x)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and 0. We begin with Lemma <xref rid="j_vmsta279_stat_013">3.1</xref> showing that <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_233"><alternatives><mml:math><mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle></mml:math><tex-math><![CDATA[$\frac{\Phi }{\varphi }$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is a Dawson-like function and therefore analytic. In Lemma <xref rid="j_vmsta279_stat_015">3.2</xref> the series expansion of <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_234"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${I_{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is integrated term-wise. The terms of the series expression for <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_235"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${I_{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> are given inductively in Lemma <xref rid="j_vmsta279_stat_017">3.3</xref>, which are then inserted to give explicit expressions for the terms of <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_236"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>′</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">exp</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${f^{\prime }}(x)\exp ({x^{2}}/2)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> in Lemma <xref rid="j_vmsta279_stat_019">3.4</xref>. Lemma <xref rid="j_vmsta279_stat_021">3.5</xref> then gives a lower bound on the odd terms of <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_237"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>′</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">exp</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${f^{\prime }}(x)\exp ({x^{2}}/2)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, and Lemma <xref rid="j_vmsta279_stat_025">3.7</xref> gives an upper bound. By Lemma <xref rid="j_vmsta279_stat_027">3.8</xref> we show that the series expression of <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_238"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>′</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">exp</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${f^{\prime }}(x)\exp ({x^{2}}/2)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is eventually decreasing as a series, and in combination with Corollary <xref rid="j_vmsta279_stat_023">3.6</xref> it is concluded that <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_239"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>′</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">exp</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${f^{\prime }}(x)\exp ({x^{2}}/2)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is entire. The proof is finished by comparing <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_240"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>′</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">exp</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${f^{\prime }}(x)\exp ({x^{2}}/2)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> to a linear combination of analytic functions computed in Lemma <xref rid="j_vmsta279_stat_029">3.9</xref>.</p><statement id="j_vmsta279_stat_013"><label>Lemma 3.1.</label>
<p><italic>It holds that</italic> 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_047">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true" columnalign="right">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>∞</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>∞</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>∞</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ \frac{\Phi }{\varphi }(x)={\sum \limits_{k=0}^{\infty }}\frac{1}{(2k+1)!!}{x^{2k+1}}+\frac{\sqrt{2\pi }}{2}{\sum \limits_{k=0}^{\infty }}\frac{1}{(2k)!!}{x^{2k}}=:{\sum \limits_{k=0}^{\infty }}{d_{k}}{x^{k}}\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
<italic>where the series converges everywhere.</italic></p></statement><statement id="j_vmsta279_stat_014"><label>Proof.</label>
<p>Note that <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_241"><alternatives><mml:math><mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$\frac{\Phi }{\varphi }(x)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is very similar to the Dawson function (originally studied in [<xref ref-type="bibr" rid="j_vmsta279_ref_004">4</xref>], see also [<xref ref-type="bibr" rid="j_vmsta279_ref_001">1</xref>] for further details) given by 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_048">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">exp</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∫</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo movablelimits="false">exp</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ {D_{-}}(x)=\exp ({x^{2}}){\int _{0}^{x}}\exp (-{t^{2}})\mathrm{d}t,\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
and it has the series expansion 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_049">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>∞</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ {D_{-}}(x)={\sum \limits_{k=0}^{\infty }}\frac{{2^{k}}}{(2k+1)!!}{x^{2k+1}}.\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
Note that 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_050">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true" columnalign="right">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∫</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo movablelimits="false">exp</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∫</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">/</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo movablelimits="false">exp</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">u</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">u</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ {\int _{0}^{x}}\exp (-\frac{{t^{2}}}{2})\mathrm{d}t=\sqrt{2}{\int _{0}^{x/\sqrt{2}}}\exp (-{u^{2}})\mathrm{d}u\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
by the variable substitution <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_242"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">u</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">/</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msqrt></mml:math><tex-math><![CDATA[$u=t/\sqrt{2}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Hence, 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_051">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true" columnspacing="0pt" columnalign="right left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mo movablelimits="false">exp</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∫</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo movablelimits="false">exp</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">/</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd/>
<mml:mtd>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>∞</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>∞</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[\begin{aligned}{}\exp (\frac{{x^{2}}}{2}){\int _{0}^{x}}\exp (-\frac{{t^{2}}}{2})\mathrm{d}t& =\sqrt{2}{D_{-}}(x/\sqrt{2})\\ {} & =\sqrt{2}{\sum \limits_{k=0}^{\infty }}\frac{{2^{k}}}{(2k+1)!!}\frac{{x^{2k+1}}}{{2^{k}}\sqrt{2}}={\sum \limits_{k=0}^{\infty }}\frac{1}{(2k+1)!!}{x^{2k+1}}.\end{aligned}\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
Moreover, 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_052">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∫</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>∞</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo movablelimits="false">exp</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ {\int _{-\infty }^{0}}\exp (-\frac{{t^{2}}}{2})\mathrm{d}t=\frac{\sqrt{2\pi }}{2}\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
and hence 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_053">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mo movablelimits="false">exp</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∫</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>∞</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo movablelimits="false">exp</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ \exp (\frac{{x^{2}}}{2}){\int _{-\infty }^{0}}\exp (-\frac{{t^{2}}}{2})\mathrm{d}t\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
has the series expansion 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_054">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>∞</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>∞</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ \frac{\sqrt{2\pi }}{2}{\sum \limits_{k=0}^{\infty }}\frac{1}{k!}\frac{{x^{2k}}}{{2^{k}}}=\frac{\sqrt{2\pi }}{2}{\sum \limits_{k=0}^{\infty }}\frac{1}{(2k)!!}{x^{2k}}.\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
It follows that 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_055">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true" columnspacing="0pt" columnalign="right left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">φ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">exp</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∫</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi>∞</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo movablelimits="false">exp</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">exp</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∫</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo movablelimits="false">exp</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd/>
<mml:mtd>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>∞</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>∞</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[\begin{aligned}{}\frac{\Phi }{\varphi }(x)& =\exp (\frac{{x^{2}}}{2}){\int _{-\infty }^{0}}\exp (-\frac{{t^{2}}}{2})\mathrm{d}t+\exp (\frac{{x^{2}}}{2}){\int _{0}^{x}}\exp (-\frac{{t^{2}}}{2})\mathrm{d}t\\ {} & ={\sum \limits_{k=0}^{\infty }}\frac{1}{(2k+1)!!}{x^{2k+1}}+\frac{\sqrt{2\pi }}{2}{\sum \limits_{k=0}^{\infty }}\frac{1}{(2k)!!}{x^{2k}}\end{aligned}\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
proving the claimed series representation. Finally, the convergence everywhere follows from the fact that the Dawson function converges everywhere.  □</p></statement>
<p>Using Lemma <xref rid="j_vmsta279_stat_013">3.1</xref> it follows that <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_243"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${I_{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> can be rewritten as 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_056">
<label>(3.3)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mtable displaystyle="true" columnspacing="0pt" columnalign="right left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>∞</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∫</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">cos</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">cos</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">cos</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd/>
<mml:mtd>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mo>×</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">cos</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">sin</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ \begin{aligned}{}{I_{2}}& ={\sum \limits_{k=0}^{\infty }}{d_{k}}{\int _{0}^{\pi }}{\phi ^{2}}\left(-{x^{3}}{\cos ^{2}}(\phi )-x+3x{\cos ^{2}}(\phi )+{x^{3}}{\cos ^{4}}(\phi )\right)\\ {} & \hspace{1em}\times {x^{k}}{\cos ^{k}}(\phi )\sin (\phi )\mathrm{d}\phi .\end{aligned}\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
Each term in Equation (<xref rid="j_vmsta279_eq_056">3.3</xref>) involves 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_057">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∫</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">cos</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">sin</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ {J_{m}}={\int _{0}^{\pi }}{\phi ^{2}}{\cos ^{m}}(\phi )\sin (\phi )\mathrm{d}\phi \]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
which we will study next.</p><statement id="j_vmsta279_stat_015"><label>Lemma 3.2.</label>
<p><italic>The sequence</italic> <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_244"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${J_{m}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>satisfies</italic> <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_245"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${J_{0}}={\pi ^{2}}-4$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>, and for even</italic> <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_246"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">≠</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$m\ne 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_058">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mfrac linethickness="0">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ {J_{m}}=\frac{1}{m+1}\left({\pi ^{2}}-4\frac{m!!}{(m+1)!!}\left(1+{\sum \limits_{j=0}^{\frac{m}{2}-1}}\frac{1}{{2^{2j+1}}(2j+3)}\left(\genfrac{}{}{0pt}{}{2j+1}{j}\right)\right)\right),\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
<italic>while for</italic> <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_247"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">∈</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="double-struck">N</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$m\in \mathbb{N}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>odd</italic> 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_059">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ {J_{m}}=\frac{{\pi ^{2}}}{m+1}\left(\frac{m!!}{(m+1)!!}-1\right).\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
</p></statement><statement id="j_vmsta279_stat_016"><label>Proof.</label>
<p>For <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_248"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${J_{0}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> we observe immediately that 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_060">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∫</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo movablelimits="false">sin</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ {J_{0}}={\int _{0}^{\pi }}{\phi ^{2}}\sin (\phi )\mathrm{d}\phi ={\pi ^{2}}-4.\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
Next, let <italic>m</italic> be odd. Then integration by parts gives 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_061">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true" columnspacing="0pt" columnalign="right left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced separators="" open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">cos</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∫</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">cos</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd/>
<mml:mtd>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo fence="true" maxsize="2.45em" minsize="2.45em">[</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">cos</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">sin</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd/>
<mml:mtd>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mo>×</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo fence="true" maxsize="2.45em" minsize="2.45em">]</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow/>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>−</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd/>
<mml:mtd>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mo>×</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∫</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">cos</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">sin</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∫</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd/>
<mml:mtd>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>−</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd/>
<mml:mtd>
<mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[\begin{aligned}{}{J_{m}}& ={\left[-{\phi ^{2}}\frac{{\cos ^{m+1}}(\phi )}{m+1}\right]_{0}^{\pi }}+\frac{2}{m+1}{\int _{0}^{\pi }}\phi {\cos ^{m+1}}(\phi )\mathrm{d}\phi \\ {} & =-\frac{{\pi ^{2}}}{m+1}+\frac{2}{m+1}\Bigg[\frac{m!!}{(m+1)!!}{\phi ^{2}}+\phi {\sum \limits_{j=0}^{\frac{m-1}{2}}}{\cos ^{m-2j}}(\phi )\sin (\phi )\frac{m!!}{(m-2j)!!}\\ {} & \hspace{1em}\times \frac{(m-2j-1)!!}{(m+1)!!}\Bigg]{_{0}^{\pi }}-\frac{2}{m+1}{\sum \limits_{j=0}^{\frac{m-1}{2}}}\frac{m!!}{(m-2j)!!}\frac{(m-2j-1)!!}{(m+1)!!}\\ {} & \hspace{1em}\times {\int _{0}^{\pi }}{\cos ^{m-2j}}(\phi )\sin (\phi )d\phi -\frac{2}{m+1}\frac{m!!}{(m+1)!!}{\int _{0}^{\pi }}\phi \mathrm{d}\phi \\ {} & =-\frac{{\pi ^{2}}}{m+1}+\frac{2}{m+1}\frac{m!!}{(m+1)!!}{\pi ^{2}}-\frac{1}{m+1}\frac{m!!}{(m+1)!!}{\pi ^{2}}\\ {} & =\frac{{\pi ^{2}}}{m+1}\left(\frac{m!!}{(m+1)!!}-1\right).\end{aligned}\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
Similarly, when <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_249"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$m\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is even, integration by parts gives 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_062">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true" columnalign="right left" columnspacing="0pt">
<mml:mtr>
<mml:mtd class="align-odd">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd class="align-even">
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced separators="" open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">cos</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∫</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">cos</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd class="align-odd"/>
<mml:mtd class="align-even">
<mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo fence="true" maxsize="2.45em" minsize="2.45em">[</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo movablelimits="false">sin</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">cos</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo movablelimits="false">sin</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd class="align-odd"/>
<mml:mtd class="align-even">
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mo>×</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo fence="true" maxsize="2.45em" minsize="2.45em">]</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow/>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>−</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∫</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo movablelimits="false">sin</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd class="align-odd"/>
<mml:mtd class="align-even">
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mo>−</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∫</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">cos</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">sin</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">ϕ</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd class="align-odd"/>
<mml:mtd class="align-even">
<mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo>−</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd class="align-odd"/>
<mml:mtd class="align-even">
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mo>−</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd class="align-odd"/>
<mml:mtd class="align-even">
<mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mfrac linethickness="0">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[\begin{aligned}{}{J_{m}}& ={\left[-{\phi ^{2}}\frac{{\cos ^{m+1}}(\phi )}{m+1}\right]_{0}^{\pi }}+\frac{2}{m+1}{\int _{0}^{\pi }}\phi {\cos ^{m+1}}(\phi )\mathrm{d}\phi \\ {} & =\frac{{\pi ^{2}}}{m+1}+\frac{2}{m+1}\Bigg[\phi \sin (\phi )\frac{m!!}{(m+1)!!}+\phi {\sum \limits_{j=0}^{\frac{m}{2}-1}}{\cos ^{m-2j}}\sin (\phi )\frac{m!!}{(m-2j)!!}\\ {} & \hspace{1em}\times \frac{(m-1-2j)!!}{(m+1)!!}\Bigg]{_{0}^{\pi }}-\frac{2}{m+1}\frac{m!!}{(m+1)!!}{\int _{0}^{\pi }}\sin (\phi )d\phi \\ {} & \hspace{1em}-\frac{2}{m+1}{\sum \limits_{j=0}^{\frac{m}{2}-1}}\frac{m!!}{(m-2j)!!}\frac{(m-1-2j)!!}{(m+1)!!}{\int _{0}^{\pi }}{\cos ^{m-2j}}(\phi )\sin (\phi )\mathrm{d}\phi \\ {} & =\frac{{\pi ^{2}}}{m+1}-\frac{4}{m+1}\frac{m!!}{(m+1)!!}\\ {} & \hspace{1em}-\frac{4}{m+1}\frac{m!!}{(m+1)!!}{\sum \limits_{j=0}^{\frac{m}{2}-1}}\frac{(m-1-2j)!!}{(m-2j)!!(m+1-2j)}\\ {} & =\frac{1}{m+1}\left({\pi ^{2}}-4\frac{m!!}{(m+1)!!}\left(1+{\sum \limits_{j=0}^{\frac{m}{2}-1}}\frac{1}{{2^{2j+1}}(2j+3)}\left(\genfrac{}{}{0pt}{}{2j+1}{j}\right)\right)\right).\end{aligned}\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
This completes the proof.  □</p></statement><statement id="j_vmsta279_stat_017"><label>Lemma 3.3.</label>
<p><italic>Denote</italic> 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_063">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>∞</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ {I_{2}}={\sum \limits_{n=1}^{\infty }}{a_{n}}{x^{n}}.\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
<italic>Then the coefficients</italic> <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_250"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${a_{k}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>satisfy</italic> 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_064">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>9</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>7</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>32</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ {a_{1}}=\frac{4\sqrt{2\pi }}{9},\hspace{1em}{a_{2}}=-\frac{7{\pi ^{2}}}{32},\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
<italic>and</italic> 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_065">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">≥</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ {a_{k}}={d_{k-1}}(3{J_{k+1}}-{J_{k-1}})+{d_{k-3}}({J_{k+1}}-{J_{k-1}}),\hspace{1em}k\ge 3.\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
</p></statement><statement id="j_vmsta279_stat_018"><label>Proof.</label>
<p>Immediately <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_251"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${I_{2}}(0)=0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, so the constant term is zero. Next, we get expressions for <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_252"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${a_{n}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> in terms of <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_253"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${d_{n}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>’s and <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_254"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${J_{n}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>’s from Equation (<xref rid="j_vmsta279_eq_056">3.3</xref>). Then straightforward calculations give 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_066">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>9</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>7</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>32</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[\begin{array}{l}\displaystyle {a_{1}}={d_{0}}(-{J_{0}}+3{J_{2}})=\frac{\sqrt{2\pi }}{2}\left(4-{\pi ^{2}}+\frac{3}{3}\left({\pi ^{2}}-4\frac{2}{3}\left(1+\frac{1}{6}\right)\right)\right)=\frac{4\sqrt{2\pi }}{9},\\ {} \displaystyle {a_{2}}={d_{1}}(-{J_{1}}+3{J_{3}})=\frac{{\pi ^{2}}}{4}+\frac{3{\pi ^{2}}}{4}\left(\frac{3}{8}-1\right)=-\frac{7{\pi ^{2}}}{32},\end{array}\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
and, for <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_255"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">≥</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$k\ge 3$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_067">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ {a_{k}}={d_{k-1}}(3{J_{k+1}}-{J_{k-1}})+{d_{k-3}}({J_{k+1}}-{J_{k-1}}).\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
 □</p></statement><statement id="j_vmsta279_stat_019"><label>Lemma 3.4.</label>
<p><italic>Denote</italic> 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_068">
<label>(3.4)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>′</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">exp</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ {f^{\prime }}(x)\exp (\frac{{x^{2}}}{2})=\sum \limits_{k=0}{c_{k}}{x^{k}}.\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
<italic>Then</italic> 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_069">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>9</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ {c_{0}}=-\frac{{\pi ^{2}}}{2},\hspace{1em}{c_{1}}=\frac{4\sqrt{2\pi }}{9},\hspace{1em}{c_{2}}=-\frac{{\pi ^{2}}}{8},\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
<italic>for</italic> <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_256"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">≥</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$k\ge 3$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>odd</italic> 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_070">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mfrac linethickness="0">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mfenced>
<mml:mo>−</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mfrac linethickness="0">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ {c_{k}}=\frac{2\sqrt{2\pi }}{(k+2)!!}\left(1+{\sum \limits_{j=0}^{\frac{k-1}{2}-1}}\frac{1}{{2^{2j+1}}(2j+3)}\left(\genfrac{}{}{0pt}{}{2j+1}{j}\right)-\frac{k+1}{{2^{k}}(k+2)}\left(\genfrac{}{}{0pt}{}{k}{\frac{k-1}{2}}\right)\right),\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
<italic>and for</italic> <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_257"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">≥</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$k\ge 4$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>even</italic> 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_071">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ {c_{k}}=-\frac{{\pi ^{2}}}{(k+2)!!}.\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
</p></statement><statement id="j_vmsta279_stat_020"><label>Proof.</label>
<p>Considering the expressions for <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_258"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${I_{1}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_259"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${I_{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, and <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_260"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${I_{3}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> gives 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_072">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>9</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>32</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[\begin{array}{l}\displaystyle {c_{0}}=-\frac{{\pi ^{2}}}{2},\\ {} \displaystyle {c_{1}}={a_{1}}=\frac{4\sqrt{2\pi }}{9},\\ {} \displaystyle {c_{2}}={a_{2}}+\frac{3{\pi ^{2}}}{32}=-\frac{{\pi ^{2}}}{8},\end{array}\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
and 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_073">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mspace width="2.5pt"/>
<mml:mtext>whenever</mml:mtext>
<mml:mspace width="2.5pt"/>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">≥</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ {c_{k}}={a_{k}}\hspace{1em}\hspace{2.5pt}\text{whenever}\hspace{2.5pt}k\ge 3,\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
where <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_261"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${a_{k}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is given in Lemma <xref rid="j_vmsta279_stat_017">3.3</xref>. It follows that for <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_262"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">≥</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$k\ge 3$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> odd we have 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_074">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true" columnspacing="0pt" columnalign="right left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd/>
<mml:mtd>
<mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" maxsize="2.45em" minsize="2.45em">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo fence="true" maxsize="2.45em" minsize="2.45em">[</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" maxsize="2.45em" minsize="2.45em">(</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd/>
<mml:mtd>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mo>×</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" maxsize="2.45em" minsize="2.45em">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mfrac linethickness="0">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mfenced>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" maxsize="2.45em" minsize="2.45em">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" maxsize="2.45em" minsize="2.45em">)</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd/>
<mml:mtd>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mo>−</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" maxsize="2.45em" minsize="2.45em">(</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" maxsize="2.45em" minsize="2.45em">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mfrac linethickness="0">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mfenced>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" maxsize="2.45em" minsize="2.45em">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" maxsize="2.45em" minsize="2.45em">)</mml:mo>
<mml:mo fence="true" maxsize="2.45em" minsize="2.45em">]</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd/>
<mml:mtd>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo fence="true" maxsize="2.45em" minsize="2.45em">[</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" maxsize="2.45em" minsize="2.45em">(</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd/>
<mml:mtd>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mo>×</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" maxsize="2.45em" minsize="2.45em">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mfrac linethickness="0">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mfenced>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" maxsize="2.45em" minsize="2.45em">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" maxsize="2.45em" minsize="2.45em">)</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd/>
<mml:mtd>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mo>−</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" maxsize="2.45em" minsize="2.45em">(</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" maxsize="2.45em" minsize="2.45em">(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mfrac linethickness="0">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mfenced>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" maxsize="2.45em" minsize="2.45em">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" maxsize="2.45em" minsize="2.45em">)</mml:mo>
<mml:mo fence="true" maxsize="2.45em" minsize="2.45em">]</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" maxsize="2.45em" minsize="2.45em">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[\begin{aligned}{}{c_{k}}& ={d_{k-1}}(3{J_{k+1}}-{J_{k-1}})+{d_{k-3}}({J_{k+1}}-{J_{k-1}})\\ {} & =\frac{\sqrt{2\pi }}{2}\Bigg(\frac{1}{(k-1)!!}\Bigg[\frac{3}{k+2}\Bigg({\pi ^{2}}-4\frac{(k+1)!!}{(k+2)!!}\\ {} & \hspace{1em}\times \Bigg(1+{\sum \limits_{j=0}^{\frac{k+1}{2}-1}}\frac{1}{{2^{2j+1}}(2j+3)}\left(\genfrac{}{}{0pt}{}{2j+1}{j}\right)\Bigg)\Bigg)\\ {} & \hspace{1em}-\frac{1}{k}\Bigg({\pi ^{2}}-4\frac{(k-1)!!}{k!!}\Bigg(1+{\sum \limits_{j=0}^{\frac{k-1}{2}-1}}\frac{1}{{2^{2j+1}}(2j+3)}\left(\genfrac{}{}{0pt}{}{2j+1}{j}\right)\Bigg)\Bigg)\Bigg]\\ {} & \hspace{1em}+\frac{1}{(k-3)!!}\Bigg[\frac{1}{k+2}\Bigg({\pi ^{2}}-4\frac{(k+1)!!}{(k+2)!!}\\ {} & \hspace{1em}\times \Bigg(1+{\sum \limits_{j=0}^{\frac{k+1}{2}-1}}\frac{1}{{2^{2j+1}}(2j+3)}\left(\genfrac{}{}{0pt}{}{2j+1}{j}\right)\Bigg)\Bigg)\\ {} & \hspace{1em}-\frac{1}{k}\Bigg({\pi ^{2}}-4\frac{(k-1)!!}{k!!}\Bigg(1+{\sum \limits_{j=0}^{\frac{k-1}{2}-1}}\frac{1}{{2^{2j+1}}(2j+3)}\left(\genfrac{}{}{0pt}{}{2j+1}{j}\right)\Bigg)\Bigg)\Bigg]\Bigg),\end{aligned}\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
and after simplifying we have 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_075">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mfrac linethickness="0">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mfenced>
<mml:mo>−</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mfrac linethickness="0">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ {c_{k}}=\frac{2\sqrt{2\pi }}{(k+2)!!}\left(1+{\sum \limits_{j=0}^{\frac{k-1}{2}-1}}\frac{1}{{2^{2j+1}}(2j+3)}\left(\genfrac{}{}{0pt}{}{2j+1}{j}\right)-\frac{k+1}{{2^{k}}(k+2)}\left(\genfrac{}{}{0pt}{}{k}{\frac{k-1}{2}}\right)\right).\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
Similarly for <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_263"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">≥</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$k\ge 4$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> even we get 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_076">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true" columnalign="right left" columnspacing="0pt">
<mml:mtr>
<mml:mtd class="align-odd">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mtd>
<mml:mtd class="align-even">
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">J</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd class="align-odd"/>
<mml:mtd class="align-even">
<mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced separators="" open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>−</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd class="align-odd"/>
<mml:mtd class="align-even">
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced separators="" open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>−</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd class="align-odd">
<mml:mo>=</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd class="align-even">
<mml:mo>−</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[\begin{aligned}{}{c_{k}}& ={d_{k-1}}(3{J_{k+1}}-{J_{k-1}})+{d_{k-3}}({J_{k+1}}-{J_{k-1}})\\ {} & =\frac{{\pi ^{2}}}{(k-1)!!}\left[\frac{3}{k+2}\left(\frac{(k+1)!!}{(k+2)!!}-1\right)-\frac{1}{k}\left(\frac{(k-1)!!}{k!!}-1\right)\right]\\ {} & \hspace{1em}+\frac{{\pi ^{2}}}{(k-3)!!}\left[\frac{1}{k+2}\left(\frac{(k+1)!!}{(k+2)!!}-1\right)-\frac{1}{k}\left(\frac{(k-1)!!}{k!!}-1\right)\right]\\ {} =& -\frac{{\pi ^{2}}}{(k+2)!!}.\end{aligned}\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
This completes the proof.  □</p></statement><statement id="j_vmsta279_stat_021"><label>Lemma 3.5.</label>
<p><italic>For all</italic> <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_264"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">≥</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$k\ge 3$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>odd, set</italic> 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_077">
<label>(3.5)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mfrac linethickness="0">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mfenced>
<mml:mo>−</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mfrac linethickness="0">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ S(k)=1+{\sum \limits_{j=0}^{\frac{k-1}{2}-1}}\frac{1}{{2^{2j+1}}(2j+3)}\left(\genfrac{}{}{0pt}{}{2j+1}{j}\right)-\frac{k+1}{{2^{k}}(k+2)}\left(\genfrac{}{}{0pt}{}{k}{\frac{k-1}{2}}\right).\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
<italic>Then</italic> <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_265"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$S(k)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>is increasing and satisfies</italic> <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_266"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">≥</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$2\sqrt{2\pi }S(k)\ge \pi $]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>.</italic></p></statement><statement id="j_vmsta279_stat_022"><label>Proof.</label>
<p>First note that 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_078">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true" columnspacing="0pt" columnalign="right left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mfrac linethickness="0">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mfenced>
<mml:mo>−</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mfrac linethickness="0">
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd/>
<mml:mtd>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo>−</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd/>
<mml:mtd>
<mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>26</mml:mn>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>15</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo stretchy="false">≥</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[\begin{aligned}{}2\sqrt{2\pi }S(3)& =2\sqrt{2\pi }\left(1+\frac{1}{6}\left(\genfrac{}{}{0pt}{}{1}{0}\right)-\frac{4}{5}\frac{1}{{2^{3}}}\left(\genfrac{}{}{0pt}{}{3}{1}\right)\right)\\ {} & =2\sqrt{2\pi }\left(1+\frac{1}{6}-\frac{3}{10}\right)\\ {} & =\frac{26\sqrt{2\pi }}{15}\ge \pi .\end{aligned}\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
It remains to show that <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_267"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$S(k)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is an increasing function. We have 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_079">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true" columnspacing="0pt" columnalign="right left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mfrac linethickness="0">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mfenced>
<mml:mo>−</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mfrac linethickness="0">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd/>
<mml:mtd>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mfrac linethickness="0">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mfenced>
<mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mfrac linethickness="0">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd/>
<mml:mtd>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mo>−</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mfrac linethickness="0">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd/>
<mml:mtd>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mfrac linethickness="0">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mfenced>
<mml:mo>−</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mfrac linethickness="0">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd/>
<mml:mtd>
<mml:mo stretchy="false">≥</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mfrac linethickness="0">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mfenced>
<mml:mo>−</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mfrac linethickness="0">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd/>
<mml:mtd>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd/>
<mml:mtd>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[\begin{aligned}{}S(k+2)& =1+{\sum \limits_{j=0}^{\frac{k-1}{2}}}\frac{1}{{2^{2j+1}}(2j+3)}\left(\genfrac{}{}{0pt}{}{2j+1}{j}\right)-\frac{k+3}{{2^{k+2}}(k+4)}\left(\genfrac{}{}{0pt}{}{k+2}{\frac{k+1}{2}}\right)\\ {} & =S(k)+\frac{k+1}{{2^{k}}(k+2)}\left(\genfrac{}{}{0pt}{}{k}{\frac{k-1}{2}}\right)+\frac{1}{{2^{k}}(k+2)}\left(\genfrac{}{}{0pt}{}{k}{\frac{k-1}{2}}\right)\\ {} & \hspace{1em}-\frac{k+3}{{2^{k+2}}(k+4)}\left(\genfrac{}{}{0pt}{}{k+2}{\frac{k+1}{2}}\right)\\ {} & =S(k)+\frac{1}{{2^{k}}}\left(\genfrac{}{}{0pt}{}{k}{\frac{k-1}{2}}\right)-\frac{k+3}{{2^{k+2}}(k+4)}\left(\genfrac{}{}{0pt}{}{k+2}{\frac{k+1}{2}}\right)\\ {} & \ge S(k)+\frac{1}{{2^{k}}}\left(\genfrac{}{}{0pt}{}{k}{\frac{k-1}{2}}\right)-\frac{1}{{2^{k+2}}}\left(\genfrac{}{}{0pt}{}{k+2}{\frac{k+1}{2}}\right)\\ {} & =S(k)+\frac{(k+1)!}{{2^{k+2}}\left(\frac{k+1}{2}\right)!\left(\frac{k+3}{2}\right)!}\left(k+3-(k+2)\right)\\ {} & =S(k)+\frac{(k+1)!}{{2^{k+2}}\left(\frac{k+1}{2}\right)!\left(\frac{k+3}{2}\right)!}\end{aligned}\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
and hence <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_268"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">≥</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$S(k+2)\ge S(k)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. This completes the proof.  □</p></statement><statement id="j_vmsta279_stat_023"><label>Corollary 3.6.</label>
<p><italic>For</italic> <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_269"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$x\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>the series</italic> 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_080">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>∞</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ {\sum \limits_{k=0}^{\infty }}{c_{k}}{x^{k}},\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
<italic>where the coefficients</italic> <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_270"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${c_{k}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>are determined by</italic> (<xref rid="j_vmsta279_eq_068">3.4</xref>)<italic>, is alternating.</italic></p></statement><statement id="j_vmsta279_stat_024"><label>Proof.</label>
<p>For <italic>k</italic> even we clearly have <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_271"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${c_{k}}\lt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. On the other hand, for <italic>k</italic> odd <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_272"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${c_{k}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is positive since 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_081">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">≥</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ {c_{k}}\ge \frac{\pi }{(k+2)!!}\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
by Lemma <xref rid="j_vmsta279_stat_021">3.5</xref>.  □</p></statement>
<p>The following result shows that the sum in Lemma <xref rid="j_vmsta279_stat_021">3.5</xref> can also be bounded from above.</p><statement id="j_vmsta279_stat_025"><label>Lemma 3.7.</label>
<p><italic>For all</italic> <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_273"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">≥</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$k\ge 3$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>odd,</italic> <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_274"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$S(k)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>defined by</italic> (<xref rid="j_vmsta279_eq_077">3.5</xref>) <italic>satisfies</italic> <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_275"><alternatives><mml:math>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">≤</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[$2\sqrt{2\pi }S(k)\le {\pi ^{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>.</italic></p></statement><statement id="j_vmsta279_stat_026"><label>Proof.</label>
<p>By elementary manipulations as in the proof of Lemma <xref rid="j_vmsta279_stat_021">3.5</xref> we obtain 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_082">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mfrac linethickness="0">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ S(k+2)=S(k)+\frac{2\sqrt{2\pi }(k+3)}{{2^{k+2}}(k+2)(k+4)}\left(\genfrac{}{}{0pt}{}{k+2}{\frac{k+1}{2}}\right).\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
From the Stirling approximation we infer 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_083">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mfrac linethickness="0">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mfenced>
<mml:mo stretchy="false">≤</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:msqrt><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ \left(\genfrac{}{}{0pt}{}{k+2}{\frac{k+1}{2}}\right)\le \sqrt{\frac{2}{\pi }}\frac{{2^{k+2}}}{\sqrt{(k+2)}},\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
and hence 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_084">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">≤</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ S(k+2)\le S(k)+\frac{\sqrt{2}}{\sqrt{\pi }{(k+2)^{3/2}}}.\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
Moreover, 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_085">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo>−</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo stretchy="false">≤</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ S(3)=1+\frac{1}{6}-\frac{3}{10}\le 1+\frac{1}{{3^{3/2}}}\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
allows us to get the estimates 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_086">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">lim</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">→</mml:mo>
<mml:mi>∞</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">≤</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>∞</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo stretchy="false">≤</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ \underset{k\to \infty }{\lim }2\sqrt{2\pi }S(k)\le 4{\sum \limits_{k=0}^{\infty }}\frac{1}{{(2k+1)^{3/2}}}\le {\pi ^{2}}.\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
Since <italic>S</italic> is increasing by Lemma <xref rid="j_vmsta279_stat_021">3.5</xref>, it follows that <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_276"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">S</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">≤</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[$S(k)\le {\pi ^{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> for all <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_277"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">≥</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$k\ge 3$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> odd. This completes the proof.  □</p></statement><statement id="j_vmsta279_stat_027"><label>Lemma 3.8.</label>
<p><italic>Let the coefficients</italic> <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_278"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${c_{k}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>,</italic> <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_279"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mo>…</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$k=1,2,\dots $]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>, be given by</italic> (<xref rid="j_vmsta279_eq_068">3.4</xref>) <italic>and let</italic> <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_280"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">&gt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$x\gt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> <italic>be fixed. Then the terms in the series</italic> 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_087">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>∞</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ {\sum \limits_{k=M}^{\infty }}{c_{k}}{x^{k}}\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
<italic>decreases monotonically for M large enough.</italic></p></statement><statement id="j_vmsta279_stat_028"><label>Proof.</label>
<p>Consider first the case when <italic>k</italic> is odd. Then, using the upper bound of Lemma <xref rid="j_vmsta279_stat_025">3.7</xref> yields 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_088">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mfenced separators="" open="|" close="|">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo stretchy="false">≤</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ \left|\frac{{c_{k+1}}{x^{k+1}}}{{c_{k}}{x^{k}}}\right|\le \frac{\frac{{\pi ^{2}}}{(k+3)!!}}{\frac{{\pi ^{2}}}{(k+2)!!}}x=\frac{(k+2)!!}{(k+3)!!}x\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
which is less than one for sufficiently large <italic>k</italic> (depending on <italic>x</italic>). Similarly for <italic>k</italic> even we can use the lower bound from Lemma <xref rid="j_vmsta279_stat_021">3.5</xref> to obtain 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_089">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mfenced separators="" open="|" close="|">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo stretchy="false">≤</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ \left|\frac{{c_{k+1}}{x^{k+1}}}{{c_{k}}{x^{k}}}\right|\le \frac{\frac{{\pi ^{2}}}{(k+3)!!}}{\frac{\pi }{(k+2)!!}}x=\frac{(k+2)!!}{(k+3)!!}\pi x\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
which again is less than one for large enough <italic>k</italic>. This yields the claim.  □</p></statement><statement id="j_vmsta279_stat_029"><label>Lemma 3.9.</label>
<p><italic>Denote</italic> 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_090">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>∞</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ M(x)={\sum \limits_{k=0}^{\infty }}\frac{{x^{2k}}}{(2k+2)!!}\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
<italic>and</italic> 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_091">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>∞</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ N(x)={\sum \limits_{k=0}^{\infty }}\frac{{x^{2k+1}}}{(2k+3)!!}.\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
<italic>Then</italic> 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_092">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal">&gt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ M(x)\gt N(x)\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
<italic>for all</italic> <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_281"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">≥</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$x\ge 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula><italic>.</italic></p></statement><statement id="j_vmsta279_stat_030"><label>Proof.</label>
<p>By differentiating, we get 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_093">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true" columnspacing="0pt" columnalign="right left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>′</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>∞</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>∞</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mfrac linethickness="0">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[\begin{aligned}{}{M^{\prime }}(x)& ={\sum \limits_{k=0}^{\infty }}\frac{(2k+2){x^{2k+1}}}{(2k+4)!!}={\sum \limits_{k=0}^{\infty }}\frac{{x^{2k+1}}}{(2k+3)!!}\frac{(k+1)}{{2^{2k+2}}}\left(\genfrac{}{}{0pt}{}{2k+3}{k+1}\right).\end{aligned}\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
Now using 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_094">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mfrac linethickness="0">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mfenced>
<mml:mo stretchy="false">≥</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ \left(\genfrac{}{}{0pt}{}{2k+3}{k+1}\right)\ge \frac{{2^{2k+2}}}{\sqrt{k+1}}\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
gives 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_095">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>′</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">≥</mml:mo>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>∞</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false">≥</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ {M^{\prime }}(x)\ge {\sum \limits_{k=0}^{\infty }}\frac{\sqrt{k+1}}{(2k+3)!!}{x^{2k+1}}\ge N(x).\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
Similarly, it holds that 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_096">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>′</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>∞</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>∞</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mfrac linethickness="0">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ {N^{\prime }}(x)={\sum \limits_{k=0}^{\infty }}\frac{(2k+1){x^{2k}}}{(2k+3)!!}={\sum \limits_{k=0}^{\infty }}\frac{{x^{2k}}}{(2k+2)!!}\frac{(2k+1){2^{2k+2}}}{(k+2)\left(\genfrac{}{}{0pt}{}{2k+3}{k+1}\right)}.\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
In this case we can use 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_097">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mfrac linethickness="0">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mfenced>
<mml:mo stretchy="false">≥</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ \left(\genfrac{}{}{0pt}{}{2k+3}{k+1}\right)\ge \frac{{2^{2k+3}}}{2k+3}\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
leading to 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_098">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>′</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">≤</mml:mo>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>∞</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo stretchy="false">≤</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ {N^{\prime }}(x)\le {\sum \limits_{k=0}^{\infty }}\frac{{x^{2k}}}{(2k+2)!!}\frac{k+\frac{1}{2}}{(k+2)(2k+3)}\le M(x).\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
Combining the two bounds above gives us 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_099">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true" columnspacing="0pt" columnalign="right left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow/>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow/>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced separators="" open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>′</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>′</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd/>
<mml:mtd>
<mml:mo stretchy="false">≥</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[\begin{aligned}{}\frac{{\mathrm{d}^{}}}{\mathrm{d}{x^{}}}\left({M^{2}}(x)-{N^{2}}(x)\right)& =2M(x){M^{\prime }}(x)-2N(x){N^{\prime }}(x)\\ {} & \ge M(x)N(x)-M(x)N(x)=0.\end{aligned}\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
Consequently, <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_282"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${M^{2}}-{N^{2}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is an increasing function for <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_283"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">≥</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$x\ge 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, which leads to 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_100">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">≥</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ {M^{2}}(x)-{N^{2}}(x)\ge {M^{2}}(0)-{N^{2}}(0)=1.\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
It follows that 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_101">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">≥</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mo mathvariant="normal">&gt;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ M(x)\ge \sqrt{1+{N^{2}}(x)}\gt N(x),\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
and the proof is complete.  □</p></statement>
<p>We are finally in the position to prove Proposition <xref rid="j_vmsta279_stat_011">2.7</xref>.</p><statement id="j_vmsta279_stat_031"><label>Proof of Proposition 2.7..</label>
<p>By Corollary <xref rid="j_vmsta279_stat_023">3.6</xref> and Lemma <xref rid="j_vmsta279_stat_027">3.8</xref> the series expansion (<xref rid="j_vmsta279_eq_068">3.4</xref>) for <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_284"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>′</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">exp</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${f^{\prime }}(x)\exp ({x^{2}}/2)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is convergent by the Leibniz alternating series test. Since the radius of convergence is unbounded, it is analytic, and thus we may split the series into its positive part and negative part, given by 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_102">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>∞</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">Q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mspace width="2em"/>
<mml:munderover accentunder="false" accent="false">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∑</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>∞</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">P</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ {\sum \limits_{k=0}^{\infty }}{c_{2k}}{x^{2k}}=:Q(x),\hspace{2em}{\sum \limits_{k=0}^{\infty }}{c_{2k+1}}{x^{2k+1}}=:P(x).\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
By Lemma <xref rid="j_vmsta279_stat_019">3.4</xref> it holds that <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_285"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">Q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$Q(x)=-{\pi ^{2}}M(x)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> where <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_286"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$M(x)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is as in Lemma <xref rid="j_vmsta279_stat_029">3.9</xref>. Now Lemma <xref rid="j_vmsta279_stat_025">3.7</xref> gives 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_103">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">c</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">≤</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
<mml:mo>!</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ {c_{2k}}\le \frac{{\pi ^{2}}}{(k+2)!!},\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
and hence 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_104">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi mathvariant="italic">Q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">≤</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ Q(x)\le {\pi ^{2}}N(x),\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
where <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_287"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$N(x)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is as in Lemma <xref rid="j_vmsta279_stat_029">3.9</xref>. Therefore 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_105">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>′</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">exp</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" stretchy="false">/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">Q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">P</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">≤</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">π</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="italic">N</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ {f^{\prime }}(x)\exp ({x^{2}}/2)=Q(x)+P(X)\le -{\pi ^{2}}M(x)+{\pi ^{2}}N(x).\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
Applying Lemma <xref rid="j_vmsta279_stat_029">3.9</xref> to the above inequality now gives 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_106">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>′</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">exp</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ {f^{\prime }}(x)\exp (\frac{{x^{2}}}{2})\lt 0,\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
and thus <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_288"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>′</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal">&lt;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[${f^{\prime }}(x)\lt 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> for all <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_289"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">≥</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn></mml:math><tex-math><![CDATA[$x\ge 0$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, where <italic>f</italic> is given by (<xref rid="j_vmsta279_eq_043">3.2</xref>). The claim follows from this.  □</p></statement>
</sec>
</sec>
</body>
<back>
<app-group>
<app id="j_vmsta279_app_001"><label>A</label>
<title>Some results from differential geometry</title>
<p>Here we introduce some classical concepts about manifolds and their properties used in the paper.</p>
<p>Let <italic>M</italic> be a smooth and compact <italic>n</italic>-dimensional manifold embedded in <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_290"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${\mathbb{R}^{k}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. At each point, the tangent space, <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_291"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[${T_{x}}M$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, is equipt with the Euclidean inner product (Riemannian metric), inherited from the ambient space <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_292"><alternatives><mml:math>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup></mml:math><tex-math><![CDATA[${\mathbb{R}^{k}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> making <italic>M</italic> an isometrically embedded manifold as a <italic>Riemannian manifold</italic>. The Riemannian metric, denoted <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_293"><alternatives><mml:math>
<mml:mfenced separators="" open="⟨" close="⟩">
<mml:mrow>
<mml:mo>·</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mo>·</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math><tex-math><![CDATA[$\left\langle \cdot ,\cdot \right\rangle $]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, induces a notion of length along smooth curves, <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_294"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo fence="true" stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi>
<mml:mo fence="true" stretchy="false">]</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">→</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$\gamma :[a,b]\to M$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, by the formula 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_107">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi mathvariant="italic">L</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo largeop="true" movablelimits="false">∫</mml:mo></mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced separators="" open="‖" close="‖">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ L(\gamma )={\int _{a}^{b}}\left\| \dot{\gamma }(t)\right\| \mathrm{d}t.\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
Given two points, or equivalently a starting point and starting velocity, the curve which minimizes this distance is called a <italic>geodesic</italic>. Centered at a point <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_295"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">∈</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$x\in M$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, the map <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_296"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">exp</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">→</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[${\exp _{x}}:{T_{x}}M\to M$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is called the Riemannian exponential map centered at <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_297"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">∈</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$x\in M$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Given a tangent vector <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_298"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo stretchy="false">∈</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[${v_{x}}\in {T_{x}}M$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, let <italic>γ</italic> be the unit speed geodesic such that <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_299"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$\gamma (0)=x$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_300"><alternatives><mml:math><mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced separators="" open="‖" close="‖">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mstyle></mml:math><tex-math><![CDATA[$\dot{\gamma }(0)=\frac{{v_{x}}}{\left\| {v_{x}}\right\| }$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, then 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_108">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mo movablelimits="false">exp</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mfenced separators="" open="‖" close="‖">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ \exp ({v_{x}})=\gamma (\left\| {v_{x}}\right\| ).\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
We shall assume that <italic>M</italic> is <italic>geodesically complete</italic>, meaning that the exponential map is defined on the whole <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_301"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[${T_{x}}M$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> for all <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_302"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">∈</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$x\in M$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Denote the inverse of <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_303"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">exp</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${\exp _{p}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> (restricted to all points <italic>y</italic> for which there is a unique geodesic connecting <italic>y</italic> to <italic>p</italic>) by <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_304"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">log</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${\log _{p}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. The distance function, <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_305"><alternatives><mml:math>
<mml:mo movablelimits="false">dist</mml:mo>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi>
<mml:mo>×</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">→</mml:mo>
<mml:mo fence="true" stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mi>∞</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$\operatorname{dist}:M\times M\to [0,\infty )$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> (which is a topological metric) is then defined as <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_306"><alternatives><mml:math>
<mml:mo movablelimits="false">dist</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfenced separators="" open="‖" close="‖">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">log</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">y</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math><tex-math><![CDATA[$\operatorname{dist}(x,y)=\left\| {\log _{x}}(y)\right\| $]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. The Riemannian metric also gives a way to measure the volume (and orientation) of a parallelotope inside the tangent space, i.e. a rescaling of the determinant from linear algebra. This generalized determinant shall be referred to as <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_307"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">dVol</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[${\operatorname{dVol}_{M}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, or the Riemannian volume form, which locally looks like the Lebesgue measure. By <italic>vector field</italic>, we mean a smooth assignment of a point <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_308"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">∈</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$x\in M$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> to a tangent vector <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_309"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[${T_{x}}M$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, and the space of vector fields is denoted by <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_310"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="fraktur">X</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$\mathfrak{X}(M)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. For a given smooth function <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_311"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">∈</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>∞</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$f\in {C^{\infty }}(M)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, a vector field <italic>X</italic> acts as a derivation on <italic>f</italic> in the following sense. Take a smooth curve <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_312"><alternatives><mml:math>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ε</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ε</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">→</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$(-\varepsilon ,\varepsilon )\to M$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> such that <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_313"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$\gamma (0)=p$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_314"><alternatives><mml:math><mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$\dot{\gamma }(0)=X(p)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. Then the function <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_315"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">→</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$X(f):M\to \mathbb{R}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is point-wise defined by <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_316"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">p</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo>∘</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>′</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$X(f)(p)={(f\circ \gamma )^{\prime }}(0)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>.</p>
<p>Note that for given vector fields <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_317"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">→</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">T</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$X,Y:M\to TM$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>, the expression <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_318"><alternatives><mml:math>
<mml:mfenced separators="" open="⟨" close="⟩">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math><tex-math><![CDATA[$\left\langle X,Y\right\rangle $]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is a smooth function <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_319"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">→</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$M\to \mathbb{R}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. In order to differentiate vector fields, a notion of <italic>connection</italic> is required. Here we shall use the <italic>Levi-Civita connection</italic> <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_320"><alternatives><mml:math>
<mml:mo>∇</mml:mo>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="fraktur">X</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>×</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="fraktur">X</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">→</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="fraktur">X</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$\nabla :\mathfrak{X}(M)\times \mathfrak{X}(M)\to \mathfrak{X}(M)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> which is uniquely defined by the following identities: 
<list>
<list-item id="j_vmsta279_li_001">
<label>i)</label>
<p><inline-formula id="j_vmsta279_ineq_321"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>∇</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">g</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="italic">Z</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>∇</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="italic">Z</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">g</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>∇</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="italic">Z</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[${\nabla _{fX+gY}}Z=f{\nabla _{X}}Z+g{\nabla _{Y}}Z$]]></tex-math></alternatives></inline-formula></p>
<p>for all smooth functions <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_322"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">g</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">∈</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>∞</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$f,g\in {\mathcal{C}^{\infty }}(M)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and all smooth vector fields</p>
<p><inline-formula id="j_vmsta279_ineq_323"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">Z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">∈</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="fraktur">X</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$X,Y,Z\in \mathfrak{X}(M)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>;</p>
</list-item>
<list-item id="j_vmsta279_li_002">
<label>ii)</label>
<p><inline-formula id="j_vmsta279_ineq_324"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>∇</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">g</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">h</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">Z</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">g</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>∇</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">g</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">h</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>∇</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="italic">Z</mml:mi>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">h</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">Z</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[${\nabla _{X}}(gY+hZ)=g{\nabla _{X}}Y+X(g)Y+h{\nabla _{X}}Z+X(h)Z$]]></tex-math></alternatives></inline-formula></p>
<p>for all smooth functions <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_325"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">g</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">h</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">∈</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>∞</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$g,h\in {\mathcal{C}^{\infty }}(M)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and all smooth vector fields</p>
<p><inline-formula id="j_vmsta279_ineq_326"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">Z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">∈</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="fraktur">X</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$X,Y,Z\in \mathfrak{X}(M)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>;</p>
</list-item>
<list-item id="j_vmsta279_li_003">
<label>iii)</label>
<p><inline-formula id="j_vmsta279_ineq_327"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mfenced separators="" open="⟨" close="⟩">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mfenced separators="" open="⟨" close="⟩">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>∇</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mfenced separators="" open="⟨" close="⟩">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>∇</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">Z</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math><tex-math><![CDATA[$X(\left\langle Y,Z\right\rangle )=\left\langle {\nabla _{X}}(Y),Z\right\rangle +\left\langle Y,{\nabla _{X}}(Z)\right\rangle $]]></tex-math></alternatives></inline-formula></p>
<p>for all smooth vector fields <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_328"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">Z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">∈</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="fraktur">X</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$X,Y,Z\in \mathfrak{X}(M)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>;</p>
</list-item>
<list-item id="j_vmsta279_li_004">
<label>iv)</label>
<p><inline-formula id="j_vmsta279_ineq_329"><alternatives><mml:math>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>∇</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>∇</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>−</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$({\nabla _{X}}Y-{\nabla _{Y}}X)(f)=X(Y(f))-Y(X(f))$]]></tex-math></alternatives></inline-formula></p>
<p>as derivations for all smooth functions <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_330"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">f</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">∈</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>∞</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$f\in {\mathcal{C}^{\infty }}(M)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> and all smooth vector fields <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_331"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">X</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">Y</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">∈</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="fraktur">X</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[$X,Y\in \mathfrak{X}(M)$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>.</p>
</list-item>
</list> 
Lastly, let <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_332"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mi>ℓ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">→</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>ℓ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[${P_{q,\ell }}:{T_{q}}M\to {T_{\ell }}M$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> denote the parallel transport from <italic>q</italic> to <italic>ℓ</italic>. That is, <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_333"><alternatives><mml:math>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mi>ℓ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><tex-math><![CDATA[${P_{q,\ell }}({v_{q}})$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is the unique point <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_334"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">dist</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mi>ℓ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">∈</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>ℓ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$\tau (\operatorname{dist}(q,\ell ))\in {T_{\ell }}M$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> that satisfies the initial value problem 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_109">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>∇</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mspace width="2em"/>
<mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">v</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ {\nabla _{\dot{\gamma }}}\tau (t)=0,\hspace{2em}\tau (0)={v_{q}},\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
where <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_335"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo fence="true" stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">dist</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mi>ℓ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo fence="true" stretchy="false">]</mml:mo>
<mml:mo stretchy="false">→</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$\gamma :[0,\operatorname{dist}(q,\ell )]\to M$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> is the geodesic connecting <italic>q</italic> to <italic>ℓ</italic> and <italic>τ</italic> is a vector field along <italic>γ</italic>, i.e. <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_336"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">τ</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">t</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub></mml:math><tex-math><![CDATA[$\tau (t)={\tau _{\gamma (t)}}$]]></tex-math></alternatives></inline-formula>. It is worthwhile to consider the parallel transport of the Riemannian logarithm map 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_110">
<alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">⟼</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mi>ℓ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">log</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ q\longmapsto {P_{q,\ell }}{\log _{q}}(\nu ),\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula> 
where <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_337"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mi>ℓ</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">∈</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">M</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$\nu ,\ell \in M$]]></tex-math></alternatives></inline-formula> are fixed points. This map has the Taylor expansion around <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_338"><alternatives><mml:math>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:mi>ℓ</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[$q=\ell $]]></tex-math></alternatives></inline-formula> given by 
<disp-formula id="j_vmsta279_eq_111">
<label>(A.1)</label><alternatives><mml:math display="block">
<mml:mtable displaystyle="true">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mi>ℓ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">log</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>=</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">log</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>ℓ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>∇</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">log</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>ℓ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false">log</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>ℓ</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">ν</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>+</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mo movablelimits="false">dist</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="italic">q</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal">,</mml:mo>
<mml:mi>ℓ</mml:mi>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo mathvariant="normal" fence="true" stretchy="false">)</mml:mo>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable></mml:math><tex-math><![CDATA[\[ {P_{q,\ell }}{\log _{q}}(\nu )={\log _{\ell }}(\nu )+{\nabla _{{\log _{\ell }}(q)}}{\log _{\ell }}(\nu )+\mathcal{O}(\operatorname{dist}{(q,\ell )^{2}}).\]]]></tex-math></alternatives>
</disp-formula>
</p></app></app-group>
<ref-list id="j_vmsta279_reflist_001">
<title>References</title>
<ref id="j_vmsta279_ref_001">
<label>[1]</label><mixed-citation publication-type="book"><string-name><surname>Abramowitz</surname>, <given-names>M.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Stegun</surname>, <given-names>I.A.</given-names></string-name>: <source>Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables</source> vol. <volume>55</volume>. <publisher-name>US Government printing office</publisher-name> (<year>1968</year>) <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://mathscinet.ams.org/mathscinet-getitem?mr=0415956">MR0415956</ext-link></mixed-citation>
</ref>
<ref id="j_vmsta279_ref_002">
<label>[2]</label><mixed-citation publication-type="journal"><string-name><surname>Ahidar-Coutrix</surname>, <given-names>A.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Le Gouic</surname>, <given-names>T.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Paris</surname>, <given-names>Q.</given-names></string-name>: <article-title>Convergence rates for empirical barycenters in metric spaces: curvature, convexity and extendable geodesics</article-title>. <source>Probab. Theory Relat. Fields</source> <volume>177</volume>(<issue>1</issue>), <fpage>323</fpage>–<lpage>368</lpage> (<year>2020</year>) <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://mathscinet.ams.org/mathscinet-getitem?mr=4095017">MR4095017</ext-link>. <ext-link ext-link-type="doi" xlink:href="https://doi.org/10.1007/s00440-019-00950-0" xlink:type="simple">https://doi.org/10.1007/s00440-019-00950-0</ext-link></mixed-citation>
</ref>
<ref id="j_vmsta279_ref_003">
<label>[3]</label><mixed-citation publication-type="journal"><string-name><surname>Chang</surname>, <given-names>T.</given-names></string-name>: <article-title>Spherical regression and the statistics of tectonic plate reconstructions</article-title>. <source>Int. Stat. Rev.</source>, <fpage>299</fpage>–<lpage>316</lpage> (<year>1993</year>)</mixed-citation>
</ref>
<ref id="j_vmsta279_ref_004">
<label>[4]</label><mixed-citation publication-type="journal"><string-name><surname>Dawson</surname>, <given-names>H.G.</given-names></string-name>: <article-title>On the numerical value of <inline-formula id="j_vmsta279_ineq_339"><alternatives><mml:math>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo largeop="false" movablelimits="false">∫</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">h</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">e</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="italic">d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">x</mml:mi></mml:math><tex-math><![CDATA[${\textstyle\int _{0}^{h}}{e^{{x^{2}}}}dx$]]></tex-math></alternatives></inline-formula></article-title>. <source>Proc. Lond. Math. Soc.</source> <volume>1</volume>(<issue>1</issue>), <fpage>519</fpage>–<lpage>522</lpage> (<year>1897</year>) <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://mathscinet.ams.org/mathscinet-getitem?mr=1576451">MR1576451</ext-link>. <ext-link ext-link-type="doi" xlink:href="https://doi.org/10.1112/plms/s1-29.1.519" xlink:type="simple">https://doi.org/10.1112/plms/s1-29.1.519</ext-link></mixed-citation>
</ref>
<ref id="j_vmsta279_ref_005">
<label>[5]</label><mixed-citation publication-type="book"><string-name><surname>Fisher</surname>, <given-names>N.I.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Lewis</surname>, <given-names>T.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Embleton</surname>, <given-names>B.J.J.</given-names></string-name>: <source>Statistical Analysis of Spherical Data</source>. <publisher-name>Cambridge University Press</publisher-name> (<year>1993</year>) <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://mathscinet.ams.org/mathscinet-getitem?mr=1247695">MR1247695</ext-link></mixed-citation>
</ref>
<ref id="j_vmsta279_ref_006">
<label>[6]</label><mixed-citation publication-type="journal"><string-name><surname>Gao</surname>, <given-names>F.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Chia</surname>, <given-names>K.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Machin</surname>, <given-names>D.</given-names></string-name>: <article-title>On the evidence for seasonal variation in the onset of acute lymphoblastic leukemia (all)</article-title>. <source>Leuk. Res.</source> <volume>31</volume>(<issue>10</issue>), <fpage>1327</fpage>–<lpage>1338</lpage> (<year>2007</year>)</mixed-citation>
</ref>
<ref id="j_vmsta279_ref_007">
<label>[7]</label><mixed-citation publication-type="journal"><string-name><surname>Hernandez-Stumpfhauser</surname>, <given-names>D.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Breidt</surname>, <given-names>F.J.</given-names></string-name>, <string-name><surname>van der Woerd</surname>, <given-names>M.J.</given-names></string-name>: <article-title>The general projected normal distribution of arbitrary dimension: Modeling and Bayesian inference</article-title>. <source>Bayesian Anal.</source> <volume>12</volume>(<issue>1</issue>), <fpage>113</fpage>–<lpage>133</lpage> (<year>2017</year>) <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://mathscinet.ams.org/mathscinet-getitem?mr=3597569">MR3597569</ext-link>. <ext-link ext-link-type="doi" xlink:href="https://doi.org/10.1214/15-BA989" xlink:type="simple">https://doi.org/10.1214/15-BA989</ext-link></mixed-citation>
</ref>
<ref id="j_vmsta279_ref_008">
<label>[8]</label><mixed-citation publication-type="journal"><string-name><surname>Hotz</surname>, <given-names>T.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Le</surname>, <given-names>H.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wood</surname>, <given-names>A.T.A.</given-names></string-name>: <article-title>Central limit theorem for intrinsic Frechet means in smooth compact Riemannian manifolds</article-title>. <source>Probab. Theory Relat. Fields</source> (<year>2024</year>) <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://mathscinet.ams.org/mathscinet-getitem?mr=4771114">MR4771114</ext-link>. <ext-link ext-link-type="doi" xlink:href="https://doi.org/10.1007/s00440-024-01291-3" xlink:type="simple">https://doi.org/10.1007/s00440-024-01291-3</ext-link></mixed-citation>
</ref>
<ref id="j_vmsta279_ref_009">
<label>[9]</label><mixed-citation publication-type="chapter"><string-name><surname>Hussien</surname>, <given-names>M.T.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Seddik</surname>, <given-names>K.G.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Gohary</surname>, <given-names>R.H.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Shaqfeh</surname>, <given-names>M.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Alnuweiri</surname>, <given-names>H.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Yanikomeroglu</surname>, <given-names>H.</given-names></string-name>: <chapter-title>Multi-resolution broadcasting over the Grassmann and Stiefel manifolds</chapter-title>. In: <source>2014 IEEE International Symposium on Information Theory</source>, pp. <fpage>1907</fpage>–<lpage>1911</lpage> (<year>2014</year>). <comment>IEEE</comment></mixed-citation>
</ref>
<ref id="j_vmsta279_ref_010">
<label>[10]</label><mixed-citation publication-type="book"><string-name><surname>Kells</surname>, <given-names>L.M.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Kern</surname>, <given-names>W.F.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Bland</surname>, <given-names>J.R.</given-names></string-name>: <source>Plane and Spherical Trigonometry</source>. <publisher-name>US Armed Forces Institute</publisher-name> (<year>1940</year>) <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://mathscinet.ams.org/mathscinet-getitem?mr=1524230">MR1524230</ext-link>. <ext-link ext-link-type="doi" xlink:href="https://doi.org/10.2307/2302987" xlink:type="simple">https://doi.org/10.2307/2302987</ext-link></mixed-citation>
</ref>
<ref id="j_vmsta279_ref_011">
<label>[11]</label><mixed-citation publication-type="chapter"><string-name><surname>Lang</surname>, <given-names>M.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Feiten</surname>, <given-names>W.</given-names></string-name>: <chapter-title>Mpg-fast forward reasoning on 6 dof pose uncertainty</chapter-title>. In: <source>ROBOTIK 2012; 7th German Conference on Robotics</source>, pp. <fpage>1</fpage>–<lpage>6</lpage> (<year>2012</year>). <comment>VDE</comment></mixed-citation>
</ref>
<ref id="j_vmsta279_ref_012">
<label>[12]</label><mixed-citation publication-type="journal"><string-name><surname>Levitt</surname>, <given-names>M.</given-names></string-name>: <article-title>A simplified representation of protein conformations for rapid simulation of protein folding</article-title>. <source>J. Mol. Biol.</source> <volume>104</volume>(<issue>1</issue>), <fpage>59</fpage>–<lpage>107</lpage> (<year>1976</year>)</mixed-citation>
</ref>
<ref id="j_vmsta279_ref_013">
<label>[13]</label><mixed-citation publication-type="chapter"><string-name><surname>Li</surname>, <given-names>K.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Frisch</surname>, <given-names>D.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Radtke</surname>, <given-names>S.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Noack</surname>, <given-names>B.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Hanebeck</surname>, <given-names>U.D.</given-names></string-name>: <chapter-title>Wavefront orientation estimation based on progressive Bingham filtering</chapter-title>. In: <source>2018 Sensor Data Fusion: Trends, Solutions, Applications (SDF)</source>, pp. <fpage>1</fpage>–<lpage>6</lpage> (<year>2018</year>). <comment>IEEE</comment></mixed-citation>
</ref>
<ref id="j_vmsta279_ref_014">
<label>[14]</label><mixed-citation publication-type="journal"><string-name><surname>Nuñez-Antonio</surname>, <given-names>G.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Ausín</surname>, <given-names>M.C.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wiper</surname>, <given-names>M.P.</given-names></string-name>: <article-title>Bayesian nonparametric models of circular variables based on Dirichlet process mixtures of normal distributions</article-title>. <source>J. Agric. Biol. Environ. Stat.</source> <volume>20</volume>, <fpage>47</fpage>–<lpage>64</lpage> (<year>2015</year>) <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://mathscinet.ams.org/mathscinet-getitem?mr=3334466">MR3334466</ext-link>. <ext-link ext-link-type="doi" xlink:href="https://doi.org/10.1007/s13253-014-0193-y" xlink:type="simple">https://doi.org/10.1007/s13253-014-0193-y</ext-link></mixed-citation>
</ref>
<ref id="j_vmsta279_ref_015">
<label>[15]</label><mixed-citation publication-type="journal"><string-name><surname>Nuñez-Antonio</surname>, <given-names>G.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Gutiérrez-Peña</surname>, <given-names>E.</given-names></string-name>: <article-title>A Bayesian analysis of directional data using the projected normal distribution</article-title>. <source>J. Appl. Stat.</source> <volume>32</volume>, <fpage>995</fpage>–<lpage>1001</lpage> (<year>2005</year>) <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://mathscinet.ams.org/mathscinet-getitem?mr=2221902">MR2221902</ext-link>. <ext-link ext-link-type="doi" xlink:href="https://doi.org/10.1080/02664760500164886" xlink:type="simple">https://doi.org/10.1080/02664760500164886</ext-link></mixed-citation>
</ref>
<ref id="j_vmsta279_ref_016">
<label>[16]</label><mixed-citation publication-type="journal"><string-name><surname>Nuñez-Antonio</surname>, <given-names>G.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Gutiérrez-Peña</surname>, <given-names>E.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Escarela</surname>, <given-names>G.</given-names></string-name>: <article-title>A Bayesian regression model for circular data based on the projected normal distribution</article-title>. <source>Stat. Model.</source> <volume>11</volume>, <fpage>185</fpage>–<lpage>201</lpage> (<year>2011</year>) <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://mathscinet.ams.org/mathscinet-getitem?mr=2849683">MR2849683</ext-link>. <ext-link ext-link-type="doi" xlink:href="https://doi.org/10.1177/1471082X1001100301" xlink:type="simple">https://doi.org/10.1177/1471082X1001100301</ext-link></mixed-citation>
</ref>
<ref id="j_vmsta279_ref_017">
<label>[17]</label><mixed-citation publication-type="journal"><string-name><surname>Pennec</surname>, <given-names>X.</given-names></string-name>: <article-title>Intrinsic statistics on Riemannian manifolds: Basic tools for geometric measurements</article-title>. <source>J. Math. Imaging Vis.</source> <volume>25</volume>, <fpage>127</fpage>–<lpage>154</lpage> (<year>2006</year>) <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://mathscinet.ams.org/mathscinet-getitem?mr=2254442">MR2254442</ext-link>. <ext-link ext-link-type="doi" xlink:href="https://doi.org/10.1007/s10851-006-6228-4" xlink:type="simple">https://doi.org/10.1007/s10851-006-6228-4</ext-link></mixed-citation>
</ref>
<ref id="j_vmsta279_ref_018">
<label>[18]</label><mixed-citation publication-type="chapter"><string-name><surname>Pennec</surname>, <given-names>X.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Arsigny</surname>, <given-names>V.</given-names></string-name>: <chapter-title>Exponential barycenters of the canonical Cartan connection and invariant means on Lie groups</chapter-title>. In: <source>Matrix Information Geometry</source>, pp. <fpage>123</fpage>–<lpage>166</lpage>. <publisher-name>Springer</publisher-name> (<year>2012</year>) <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://mathscinet.ams.org/mathscinet-getitem?mr=2964451">MR2964451</ext-link>. <ext-link ext-link-type="doi" xlink:href="https://doi.org/10.1007/978-3-642-30232-9_7" xlink:type="simple">https://doi.org/10.1007/978-3-642-30232-9_7</ext-link></mixed-citation>
</ref>
<ref id="j_vmsta279_ref_019">
<label>[19]</label><mixed-citation publication-type="journal"><string-name><surname>Pitaval</surname>, <given-names>R.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Tirkkonen</surname>, <given-names>O.</given-names></string-name>: <article-title>Joint Grassmann-Stiefel quantization for MIMO product codebooks</article-title>. <source>IEEE Trans. Wirel. Commun.</source> <volume>13</volume>(<issue>1</issue>), <fpage>210</fpage>–<lpage>222</lpage> (<year>2013</year>)</mixed-citation>
</ref>
<ref id="j_vmsta279_ref_020">
<label>[20]</label><mixed-citation publication-type="journal"><string-name><surname>Presnell</surname>, <given-names>B.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Morrison</surname>, <given-names>S.P.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Littell</surname>, <given-names>R.C.</given-names></string-name>: <article-title>Projected multivariate linear models for directional data</article-title>. <source>J. Am. Stat. Assoc.</source> <volume>93</volume>, <fpage>1068</fpage>–<lpage>1077</lpage> (<year>1998</year>) <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://mathscinet.ams.org/mathscinet-getitem?mr=1649201">MR1649201</ext-link>. <ext-link ext-link-type="doi" xlink:href="https://doi.org/10.2307/2669850" xlink:type="simple">https://doi.org/10.2307/2669850</ext-link></mixed-citation>
</ref>
<ref id="j_vmsta279_ref_021">
<label>[21]</label><mixed-citation publication-type="journal"><string-name><surname>Seddik</surname>, <given-names>K.G.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Gohary</surname>, <given-names>R.H.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Hussien</surname>, <given-names>M.T.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Shaqfeh</surname>, <given-names>M.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Alnuweiri</surname>, <given-names>H.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Yanikomeroglu</surname>, <given-names>H.</given-names></string-name>: <article-title>Multi-resolution multicasting over the Grassmann and Stiefel manifolds</article-title>. <source>IEEE Trans. Wirel. Commun.</source> <volume>16</volume>(<issue>8</issue>), <fpage>5296</fpage>–<lpage>5310</lpage> (<year>2017</year>)</mixed-citation>
</ref>
<ref id="j_vmsta279_ref_022">
<label>[22]</label><mixed-citation publication-type="journal"><string-name><surname>Sveier</surname>, <given-names>A.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Egeland</surname>, <given-names>O.</given-names></string-name>: <article-title>Pose estimation using dual quaternions and moving horizon estimation</article-title>. <source>IFAC-PapersOnLine</source> <volume>51</volume>(<issue>13</issue>), <fpage>186</fpage>–<lpage>191</lpage> (<year>2018</year>)</mixed-citation>
</ref>
<ref id="j_vmsta279_ref_023">
<label>[23]</label><mixed-citation publication-type="journal"><string-name><surname>Tanabe</surname>, <given-names>A.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Fukumizu</surname>, <given-names>K.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Oba</surname>, <given-names>S.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Takenouchi</surname>, <given-names>T.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Ishii</surname>, <given-names>S.</given-names></string-name>: <article-title>Parameter estimation for von mises–fisher distributions</article-title>. <source>Comput. Stat.</source> <volume>22</volume>, <fpage>145</fpage>–<lpage>157</lpage> (<year>2007</year>) <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://mathscinet.ams.org/mathscinet-getitem?mr=2299252">MR2299252</ext-link>. <ext-link ext-link-type="doi" xlink:href="https://doi.org/10.1007/s00180-007-0030-7" xlink:type="simple">https://doi.org/10.1007/s00180-007-0030-7</ext-link></mixed-citation>
</ref>
<ref id="j_vmsta279_ref_024">
<label>[24]</label><mixed-citation publication-type="journal"><string-name><surname>Wang</surname>, <given-names>F.</given-names></string-name>, <string-name><surname>Gelfand</surname>, <given-names>A.E.</given-names></string-name>: <article-title>Directional data analysis under the general projected normal distribution</article-title>. <source>Stat. Methodol.</source> <volume>10</volume>(<issue>1</issue>), <fpage>113</fpage>–<lpage>127</lpage> (<year>2013</year>) <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://mathscinet.ams.org/mathscinet-getitem?mr=2974815">MR2974815</ext-link>. <ext-link ext-link-type="doi" xlink:href="https://doi.org/10.1016/j.stamet.2012.07.005" xlink:type="simple">https://doi.org/10.1016/j.stamet.2012.07.005</ext-link></mixed-citation>
</ref>
</ref-list>
</back>
</article>
