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 .
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.
Se pätee kaikkiin kompleksilukuihin lukuun ottamatta nollaa ja negatiivisia kokonaislukuja.
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.
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:
.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]
.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 .
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] :
.Tärkeä gamma-funktion sovellus on seuraavan muodon integraalien pelkistys siihen, missä ovat vakioparametrit
TodisteParametrin asettamisen jälkeen:
Differentiaaliset injektiot:
Ja muuttujan vaihdot:
Erityisesti Gaussin tyyppisille integraaleille, joita tavataan laajalti fysiikan sovelluksissa:
Ja Eulerin integraalit:
Sanakirjat ja tietosanakirjat |
|
---|---|
Bibliografisissa luetteloissa |