Gamma függvény

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2021. május 23-án felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 9 szerkesztést igényelnek .

A gamma függvény  egy matematikai függvény . Leonhard Euler vezette be , és a gamma függvény elnevezését Legendre -nek köszönheti [1] .

A gamma-függvényt rendkívül széles körben használják a tudományban. Fő alkalmazási területei közé tartozik a matematikai elemzés , a valószínűségszámítás , a kombinatorika , a statisztika , az atomfizika , az asztrofizika , a hidrodinamika , a szeizmológia és a közgazdaságtan . A gammafüggvényt különösen a faktoriális fogalmának valós és összetett argumentumértékek halmazaira való általánosítására használják.

Definíciók

Integráldefiníció

Ha a komplex szám valós része pozitív, akkor a gammafüggvényt az abszolút konvergens integrálon keresztül definiáljuk

Ezt a meghatározást Legendre származtatta Euler eredeti definíciójából (1730)

változó változásán keresztül , és ma Legendre definíciója az, amely a gamma-függvény klasszikus definíciójaként ismert. A klasszikus definíciót részenként integrálva könnyen belátható, hogy .

A gamma-függvény értékeinek hozzávetőleges kiszámításához kényelmesebb a harmadik képlet, amely szintén az Euler-féle definícióból származik az egyenlőség alkalmazásával és a változó megváltoztatásával :

.

Az integrál ebben a képletben konvergál , bár általában az argumentum pozitív valós értékeihez használják (az 1 körüli értékeket részesítjük előnyben). Valós argumentum esetén az integrandusnak egyetlen szinguláris pontja van - egy nem folytonos szakadása -ban, és ha ezen a ponton kibővítjük az értékkel , akkor folytonossá válik a teljes intervallumon . Így az integrál sajátérték, ami leegyszerűsíti a numerikus integrációt .

Az eredeti képletnek van egy közvetlen analitikus folytatása a teljes komplex síkra , kivéve az egész számokat, amelyeket Riemann- Hankel integrálnak neveznek:

Itt kontúrnak  nevezzük a komplex síkon lévő bármely olyan körvonalat, amely az óramutató járásával ellentétes irányban megy egy pont körül, és amelynek végei a pozitív valós tengely mentén a végtelenbe mennek.

A következő kifejezések a gamma-függvény alternatív definícióiként szolgálnak.

Gauss definíció

Ez minden komplex számra igaz, kivéve a 0-t és a negatív egészeket.

Euler definíciója

Definíció Weierstrass szerint

hol  van az Euler-Mascheroni állandó [1] .

Megjegyzés: néha egy alternatívát használnak, az úgynevezett pi függvényt , amely a faktoriális általánosítása, és a reláción keresztül kapcsolódik a gammafüggvényhez . Ezt a függvényt (és nem a -függvényt) használta Gauss, Riemann és sok más 19. századi német matematikus.

Tulajdonságok

Bármely pozitív n-re a következő igaz:

.

A gamma-függvény fő tulajdonsága a rekurzív egyenlete

amely rögzített kezdeti feltétel mellett egyedileg definiál egy logaritmikusan konvex megoldást, azaz magát a gamma-függvényt ( egyediségtétel ) [2] .

A gamma-függvényre az Euler-komplementer képlet érvényes:

.

A Gauss-szorzási képlet is érvényes:

Ennek a képletnek egy speciális esetét n=2 esetén Legendre találta meg:

A gamma-függvénynek nincs nullája a teljes komplex síkban. az összetett síkon meromorf , és a pontokban egyszerű pólusokkal rendelkezik [1]

A gamma-függvénynek van egy elsőrendű pólusa bármely természetes és nulla értékhez; a levonás ezen a ponton a következő:

.

Hasznos tulajdonság, amely a határdefinícióból nyerhető:

.

A gamma-függvény végtelen számú alkalommal differenciálható , és ahol , gyakran "psy függvénynek" vagy digamma függvénynek nevezik . A gamma-függvény és a béta-függvény a következő összefüggéssel függ össze:

.

A gamma-függvény logaritmusa

Számos okból a gamma-függvény mellett gyakran a gamma-függvény logaritmusát is figyelembe veszik - a digamma-függvény antideriváltját . Ennek a következő integrált ábrázolásai vannak:

és

Jacques Binet adta meg 1839-ben (ezeket a képleteket gyakran nevezik a gamma-függvény logaritmusának első és második Binet-képletének) [3] . A gamma-függvény logaritmusának némileg eltérő integrálképlete Malmsten , Lerch és több más munkájában is megjelent. Így Malmsten Binet első képletéhez hasonló képletet kapott [3]

és Lerkh megmutatja, hogy a forma összes integrálja

redukáljuk a gammafüggvény logaritmusára is. Konkrétan a Binet második képletéhez hasonló képlet „konjugált” nevezővel a következő formájú:

(lásd a 40. gyakorlatot a [4]-ben )

Ezenkívül Malmsten számos olyan integrálképletet is kapott a gamma-függvény logaritmusához, amelyek hiperbolikus függvényeket tartalmaztak az integrandusban lévő logaritmussal (vagy ennek megfelelően a logaritmus logaritmusával polinomokkal). Különösen,

(lásd a 2. gyakorlatot, 29 óra, 30 in [4] )

Yaroslav Blagushin megmutatta, hogy egy racionális érvre , ahol és olyan pozitív egészek, amelyek nem haladják meg a -t , a következő ábrázolás teljesül:

(lásd a C. függeléket [5] , valamint a 60. és 58. gyakorlatot [4] )

Ezen túlmenően és általánosabb esetekben a hiperbolikus függvényeket tartalmazó integrálok logaritmussal (vagy arctangenssel) az integrandusban gyakran redukálódnak a gamma-függvény logaritmusaira és származékaira , beleértve a komplex argumentumot is, lásd pl. volt. 4-b, 7-a és 13-b a [4]-ben .

A gamma-függvény logaritmusa szintén szorosan összefügg az általánosított zéta-függvény analitikus folytatásával.

Ez a Lerkh által levezetett legfontosabb összefüggés lehetővé teszi, hogy a gamma-függvény logaritmusához nagyszámú integrál reprezentációt kapjon az általánosított zéta-függvény ismert képleteivel .

A gamma-függvény logaritmusának Fourier-sorának alakja a következő

Ezt a képletet általában Ernst Kummernek tulajdonítják , aki 1847-ben vezette le (a mérvadó irodalomban [3] [6] [7] ezt a sorozatot a gamma-függvény logaritmusának Kummer-sorának is nevezik). Nemrég azonban felfedezték, hogy ezt a képletet már 1842-ben megszerezte Carl Malmsten (lásd Yaroslav Blagushin [4] [8] ).

A Fourier sorozat bővítésein kívül vannak más sorozatbővítések is. Az egyik leghíresebb a Stirling sorozat.

Normál változatában

ahol az együtthatók a Bernoulli-számokat jelentik .

A gamma-függvény Weierstrass szerinti definíciójából egy másik fontos reprezentáció következik [9]

.

Privát értékek

Az egész és fél egész argumentumok gammafüggvényét elemi függvényekkel fejezzük ki . Különösen

A gammafüggvény értékének keresése az 1/4 és 1/3 pontokban Euler, Gauss és Legendre részletes kutatásának tárgya volt, de nem sikerült ezeket az értékeket zárt formában kiszámítani [1] .

A következő ábrázolások vannak nem zárt formában a Γ(1/4) számára

ahol AGM az aritmetikai-geometriai középfüggvény , G a katalán konstans , és A a Glaisher-Kinkelin állandó .

Általánosítások

A gamma-függvény klasszikus integráldefiníciójában az integráció határai rögzítettek. A nem teljes gammafüggvényt is figyelembe kell venni , amelyet egy hasonló integrál definiál, változó felső vagy alsó integrációs korláttal. Különbséget teszünk a felső, nem teljes gammafüggvény között, amelyet gyakran két argumentum gammafüggvényeként jelölnek:

és az alsó hiányos gamma-függvény, amelyet hasonlóan a kisbetűs "gamma" betűvel jelölünk:

.

Néha a hiányos gammafüggvényt [10] -ként határozzák meg :

.

Integrálok számítása

A Gamma függvény fontos alkalmazása a következő formájú integrálok redukálása rá, ahol állandó paraméterek vannak

Bizonyíték

A paraméter beállítása után:

Differenciális injekciók:

És változó helyettesítések:

Különösen a fizika alkalmazásaiban széles körben előforduló Gauss típusú integrálok esetében:

És az Euler integrálok:


Lásd még

Jegyzetek

  1. 1 2 3 4 Davis, PJ Leonhard Euler integrálja: A gammafüggvény történeti profilja  // American Mathematical Monthly  : folyóirat  . - 1959. - 1. évf. 66 , sz. 10 . - P. 849-869 . - doi : 10.2307/2309786 . — .
  2. Kingman, JFC A pozitív mátrixok konvexitási tulajdonsága  //  The Quarterly Journal of Mathematics : folyóirat. - 1961. - 1. évf. 12 , sz. 1 . - P. 283-284 . - doi : 10.1093/qmath/12.1.283 . - .
  3. 1 2 3 Harry Bateman és Erdélyi Arthur Magasabb transzcendentális funkciók [3 kötetben] . Mc Graw-Hill Book Company, 1955.
  4. 1 2 3 4 5 Iaroslav V. Blagouchine A Malmsten-féle integrálok újrafelfedezése, kiértékelésük kontúrintegrációs módszerekkel és néhány kapcsolódó eredmény. The Ramanujan Journal, vol. 35, sz. 1, pp. 21-110, 2014. Archivált 2017. december 12-én a Wayback Machine -nél PDF Archivált : 2021. május 7-én a Wayback Machine -nél
  5. Iaroslav V. Blagouchine Tétel az első általánosított Stieltjes-konstans zárt formájú kiértékeléséhez racionális érvek mellett és néhány kapcsolódó összegzés Journal of Number Theory (Elsevier), vol. 148, pp. 537-592, 2015 . Letöltve: 2018. február 1. Az eredetiből archiválva : 2015. szeptember 24..
  6. ET Whittaker és GN Watson A modern elemzés tanfolyama. Bevezetés a végtelen folyamatok és az analitikus függvények általános elméletébe, a főbb transzcendentális függvények bemutatásával (harmadik kiadás). Cambridge az Egyetemi Kiadónál, 1920.
  7. HM Srivastava és J. Choi sorozat a Zétával és a kapcsolódó funkciókkal kapcsolatban . Kluwer Academic Publishers. Hollandia, 2001
  8. Blagouchine, Iaroslav V. Erratum és Addendum a "Malmsten-integrálok újrafelfedezése, kontúrintegrációs módszerekkel történő kiértékelése és néhány kapcsolódó eredmény"  -hez //  Ramanujan J. : folyóirat. - 2016. - Kt. 42 , sz. 3 . - P. 777-781 . - doi : 10.1007/s11139-015-9763-z .
  9. D.S. Kuznyecov. Különleges jellemzők (2. kiadás). Felsőiskola, Moszkva, 1965.
  10. Hiányos gammafüggvény - cikk az Encyclopedia of Mathematics -ból

Irodalom és hivatkozások

  1. L. N. Bolsev, „V. I. Pagurova. A hiányos gamma-függvény táblázatai. Szemle”, Zh. Vychisl. matematika. és mat. Fiz., 4:5 (1964), 977–978// http://www.mathnet.ru/php/archive.phtml?wshow=paper&jrnid=zvmmf&paperid=9070&option_lang=rus Archiválva : 2021. augusztus 9. a Wayback Machine -nél