Gamma-toiminto

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 23.5.2021 tarkistetusta versiosta . tarkastukset vaativat 9 muokkausta .

Gammafunktio  on matemaattinen funktio . Sen esitteli Leonhard Euler , ja gammafunktio on nimetty Legendrelle [1] .

Gammafunktio on erittäin laajalti tieteessä käytössä. Sen tärkeimpiä sovellusalueita ovat matemaattinen analyysi , todennäköisyysteoria , kombinatoriikka , tilastotiede , atomifysiikka , astrofysiikka , hydrodynamiikka , seismologia ja taloustiede . Erityisesti gamma-funktiota käytetään yleistämään faktoriaalin käsite todellisten ja kompleksisten argumenttien arvojen joukoiksi .

Määritelmät

Integraalimäärittely

Jos kompleksiluvun reaaliosa on positiivinen, niin gammafunktio määritellään absoluuttisen konvergentin integraalin kautta

Legendre johti tämän määritelmän Eulerin alkuperäisestä määritelmästä (1730)

muuttujan muutoksen kautta , ja nykyään se on Legendren määritelmä, joka tunnetaan klassisena gammafunktion määritelmänä. Integroimalla osittain klassinen määritelmä, on helppo nähdä, että .

Gammafunktion arvojen likimääräiseen laskemiseen on kätevämpi kolmas kaava, joka saadaan myös Eulerin määritelmästä soveltamalla tasa-arvoa ja muuttamalla muuttujaa :

.

Tämän kaavan integraali konvergoi arvoon , vaikka sitä käytetään yleensä argumentin positiivisille reaaliarvoille (noin 1 arvot ovat suositeltavia). Kun kyseessä on todellinen argumentti, integrandilla on yksi piste - epäjatkuva epäjatkuvuus kohdassa , ja jos sitä laajennetaan tässä kohdassa arvolla , siitä tulee jatkuva koko välissä . Siten integraali on ominaisarvo, mikä yksinkertaistaa numeerista integrointia .

Alkuperäiselle kaavalle on suora analyyttinen jatko koko kompleksitasolle lukuun ottamatta kokonaislukuja, joita kutsutaan Riemann- Hankel - integraaliksi:

Tässä ääriviiva  on mikä tahansa kompleksitason ääriviiva, joka kiertää pisteen vastapäivään ja jonka päät menevät äärettömyyteen positiivista reaaliakselia pitkin.

Seuraavat lausekkeet ovat vaihtoehtoisia määritelmiä gammafunktiolle.

Gaussin määritelmä

Se pätee kaikkiin kompleksilukuihin lukuun ottamatta nollaa ja negatiivisia kokonaislukuja.

Eulerin määritelmä

Määritelmä Weierstrassin mukaan

missä  on Euler-Mascheronin vakio [1] .

Huomaa: joskus käytetään vaihtoehtoa, ns. pi-funktiota , joka on faktoraalin yleistys ja liittyy gammafunktioon suhteella . Tätä funktiota (eikä -funktiota) käytti Gauss, Riemann ja monet muut 1800-luvun saksalaiset matemaatikot.

Ominaisuudet

Jokaiselle positiiviselle n:lle seuraava on totta:

.

Gammafunktion pääominaisuus on sen rekursiivinen yhtälö

joka kiinteässä alkuehdossa määrittelee yksiselitteisesti logaritmisesti kuperan ratkaisun eli itse gammafunktion ( yleisyyslause ) [2] .

Gammafunktiolle Eulerin komplementtikaava pätee:

.

Gaussin kertolasku on myös voimassa:

Legendre sai tämän kaavan erikoistapauksen arvolle n=2:

Gammafunktiolla ei ole nollia koko kompleksitasossa. on meromorfinen kompleksitasolla ja sen pisteissä on yksinkertaisia ​​napoja [1]

Gammafunktiossa on ensimmäisen kertaluvun napa jokaiselle luonnolliselle ja nollalle; vähennys tässä vaiheessa annetaan seuraavasti:

.

Hyödyllinen ominaisuus, joka voidaan saada rajan määritelmästä:

.

Gammafunktio on differentioitavissa äärettömän monta kertaa, ja , jossa , kutsutaan usein "psy-funktioksi" tai digammafunktioksi . Gammafunktio ja beetafunktio liittyvät toisiinsa seuraavalla suhteella:

.

Gammafunktion logaritmi

Useista syistä, gammafunktion ohella, gammafunktion logaritmia pidetään usein - digammafunktion antiderivaattana . Siinä on seuraavat kiinteät esitykset:

ja

antoi Jacques Binet vuonna 1839 (näitä kaavoja kutsutaan usein ensimmäiseksi ja toiseksi Binet-kaavaksi gammafunktion logaritmille) [3] . Jonkin verran erilaisia ​​integraalikaavoja gammafunktion logaritmille esiintyi myös Malmstenin , Lerchin ja useiden muiden töissä. Siten Malmsten sai samanlaisen kaavan kuin Binet'n ensimmäinen kaava [3]

ja Lerkh osoittaa, että kaikki muodon integraalit

pelkistää myös gammafunktion logaritmeihin. Erityisesti kaava, joka on samanlainen kuin Binet'n toinen kaava, jossa on "konjugaatti"-nimittäjä, on seuraavanlainen:

(katso harjoitus 40 kohdasta [4] )

Lisäksi Malmsten sai myös joukon integraalikaavoja gammafunktion logaritmille, jotka sisältävät hyperbolisia funktioita , joiden logaritmi on integrandissa (tai vastaavasti logaritmin logaritmin polynomien kanssa). Erityisesti,

(katso harjoitus 2, 29-h, 30 in [4] )

Jaroslav Blagushin osoitti, että rationaaliselle argumentille , jossa ja ovat positiivisia kokonaislukuja, jotka eivät ylitä , seuraava esitys pätee:

(katso liite C [5] ja myös harjoitukset 60 ja 58 [4] )

Lisäksi ja yleisemmissä tapauksissa integraalit, jotka sisältävät hyperbolisia funktioita, joiden integrandissa on logaritmi (tai arktangentti), pelkistyvät usein gammafunktion logaritmeiksi ja sen johdannaisiksi , mukaan lukien kompleksinen argumentti, katso esim. esim. 4-b, 7-a ja 13-b kohdassa [4] .

Gammafunktion logaritmi liittyy myös läheisesti yleistyneen zeeta-funktion analyyttiseen jatkoon.

Tämä tärkein Lerkhin johtama suhde mahdollistaa suuren joukon integraaliesityksiä gammafunktion logaritmille yleisen Zeta-funktion tunnettujen kaavojen avulla .

Fourier -sarja gammafunktion logaritmille on seuraavanlainen

Tämä kaava liitetään yleensä Ernst Kummerin ansioksi , joka johti sen vuonna 1847 (arvovaltaisessa kirjallisuudessa [3] [6] [7] tätä sarjaa kutsutaan jopa Kummer-sarjaksi gammafunktion logaritmille). Äskettäin on kuitenkin havaittu, että Carl Malmsten sai tämän kaavan jo vuonna 1842 (katso Yaroslav Blagushin [4] [8] ).

Fourier-sarjan laajennusten lisäksi sarjassa on myös muita laajennuksia. Yksi tunnetuimmista on Stirling -sarja.

Standardiversiossaan

jossa kertoimet tarkoittavat Bernoullin lukuja .

Weierstrassin gammafunktion määritelmästä seuraa toinen tärkeä esitys [9]

.

Yksityiset arvot

Kokonaisluvun ja puolikokonaisluvun argumenttien gammafunktio ilmaistaan ​​perusfunktioina . Erityisesti

Gammafunktion arvon etsiminen pisteistä 1/4 ja 1/3 oli Eulerin, Gaussin ja Legendren yksityiskohtaisen tutkimuksen kohteena, mutta he eivät pystyneet laskemaan näitä arvoja suljetussa muodossa [1] .

On olemassa seuraavat esitykset suljetussa muodossa Γ(1/4)

missä AGM on aritmeettis-geometrinen keskiarvofunktio , G on katalaanivakio ja A on Glaisher-Kinkelin-vakio .

Yleistykset

Klassisessa gammafunktion integraalimääritelmässä integroinnin rajat ovat kiinteät. Myös epätäydellinen gammafunktio otetaan huomioon , joka määritellään samanlaisella integraalilla, jolla on muuttuva ylempi tai alempi integrointiraja. Ero tehdään ylemmän epätäydellisen gammafunktion välillä, jota usein kutsutaan kahden argumentin gammafunktioksi:

ja alempi epätäydellinen gammafunktio, joka on samalla tavoin merkitty pienellä kirjaimella "gamma":

.

Joskus epätäydellinen gammafunktio määritellään [10] :

.

Integraalien laskenta

Tärkeä gamma-funktion sovellus on seuraavan muodon integraalien pelkistys siihen, missä ovat vakioparametrit

Todiste

Parametrin asettamisen jälkeen:

Differentiaaliset injektiot:

Ja muuttujan vaihdot:

Erityisesti Gaussin tyyppisille integraaleille, joita tavataan laajalti fysiikan sovelluksissa:

Ja Eulerin integraalit:


Katso myös

Muistiinpanot

  1. 1 2 3 4 Davis, PJ Leonhard Eulerin integraali: Gammafunktion historiallinen profiili  // American Mathematical Monthly  : Journal  . - 1959. - Voi. 66 , nro. 10 . - s. 849-869 . - doi : 10.2307/2309786 . — .
  2. Kingman, JFC Positiivisten matriisien konveksisuusominaisuus  //  The Quarterly Journal of Mathematics : päiväkirja. - 1961. - Voi. 12 , ei. 1 . - s. 283-284 . - doi : 10.1093/qmath/12.1.283 . - .
  3. 1 2 3 Harry Bateman ja Arthur Erdélyi Korkeammat transsendenttiset toiminnot [3 osassa] . Mc Graw-Hill Book Company, 1955.
  4. 1 2 3 4 5 Iaroslav V. Blagouchine Malmstenin integraalien uudelleenlöytö, niiden arviointi ääriviivaintegrointimenetelmillä ja joitakin asiaan liittyviä tuloksia. The Ramanujan Journal, voi. 35, ei. 1, s. 21-110, 2014. Arkistoitu 12. joulukuuta 2017 Wayback Machinessa PDF Arkistoitu 7. toukokuuta 2021 Wayback Machinessa
  5. Iaroslav V. Blagouchine Lause ensimmäisen yleistetyn Stieltjes-vakion suljetun muodon arvioimiseksi rationaalisilla argumenteilla ja joitain niihin liittyviä summauksia Journal of Number Theory (Elsevier), voi. 148, s. 537-592, 2015. . Haettu 1. helmikuuta 2018. Arkistoitu alkuperäisestä 24. syyskuuta 2015.
  6. ET Whittaker ja GN Watson Modernin analyysin kurssi. Johdatus äärettömien prosessien ja analyyttisten toimintojen yleiseen teoriaan, jossa selvitetään tärkeimmät transsendenttiset toiminnot (kolmas painos). Cambridge University Pressissä, 1920.
  7. HM Srivastava ja J. Choi -sarjat liittyvät Zetaan ja siihen liittyviin toimintoihin . Kluwer Academic Publishers. Hollanti, 2001
  8. Blagouchine, Iaroslav V. Erratum ja lisäys "Malmstenin integraalien uudelleen löytäminen, niiden arviointi ääriviivaintegrointimenetelmillä ja joitain niihin liittyviä tuloksia"  //  Ramanujan J. : päiväkirja. - 2016. - Vol. 42 , nro. 3 . - s. 777-781 . - doi : 10.1007/s11139-015-9763-z .
  9. D.S. Kuznetsov. Erikoisominaisuudet (2. painos). Korkeakoulu, Moskova, 1965.
  10. Epätäydellinen gammafunktio - artikkeli Encyclopedia of Mathematicsista

Kirjallisuus ja lähteet

  1. L. N. Bolshev, "V. I. Pagurova. Taulukot epätäydellisistä gammafunktioista. Review”, Zh. Vychisl. matematiikka. ja matto. Fiz., 4:5 (1964), 977–978// http://www.mathnet.ru/php/archive.phtml?wshow=paper&jrnid=zvmmf&paperid=9070&option_lang=rus Arkistoitu 9. elokuuta 2021 Wayback Machinessa