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.
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.
Ez minden komplex számra igaz, kivéve a 0-t és a negatív egészeket.
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.
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:
.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]
.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 .
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 :
.A Gamma függvény fontos alkalmazása a következő formájú integrálok redukálása rá, ahol állandó paraméterek vannak
BizonyítékA paraméter beállítása után:
Differenciális injekciók:
És változó helyettesítések:
Különösen a fizika alkalmazásaiban széles körben előforduló Gauss típusú integrálok esetében:
És az Euler integrálok:
![]() |
|
---|---|
Bibliográfiai katalógusokban |