Gammafunktionen er en matematisk funktion . Den blev introduceret af Leonhard Euler , og gammafunktionen skylder sin betegnelse Legendre [1] .
Gammafunktionen er ekstremt udbredt i videnskaben. Blandt dets vigtigste anvendelsesområder er matematisk analyse , sandsynlighedsteori , kombinatorik , statistik , atomfysik , astrofysik , hydrodynamik , seismologi og økonomi . Især bruges gammafunktionen til at generalisere begrebet faktorial til sæt af reelle og komplekse argumentværdier.
Hvis den reelle del af det komplekse tal er positiv, er gammafunktionen defineret gennem det absolut konvergerende integral
Denne definition blev afledt af Legendre fra Eulers oprindelige definition (1730)
gennem en ændring af variabel , og i dag er det Legendres definition, der er kendt som den klassiske definition af gammafunktionen. Ved at integrere den klassiske definition i dele er det let at se, at .
For en omtrentlig beregning af værdierne af gammafunktionen er den tredje formel mere bekvem, også opnået fra Eulers definition ved at anvende lighed og ændre variablen :
.Integralet i denne formel konvergerer ved , selvom det normalt bruges til positive reelle værdier af argumentet (værdier omkring 1 foretrækkes). I tilfælde af et reelt argument har integranden et enkelt ental punkt - en diskontinuerlig diskontinuitet ved , og hvis den forlænges på dette tidspunkt med værdien , bliver den kontinuerlig over hele intervallet . Således er integralet egenværdi, hvilket forenkler numerisk integration .
Der er en direkte analytisk fortsættelse af den oprindelige formel til hele det komplekse plan , undtagen heltal, kaldet Riemann- Hankel integralet:
Her er en kontur enhver kontur på det komplekse plan, der går rundt om et punkt mod uret, hvis ender går til det uendelige langs den positive reelle akse.
Følgende udtryk tjener som alternative definitioner for gammafunktionen.
Det gælder for alle komplekse tal undtagen 0 og negative heltal.
hvor er Euler-Mascheroni-konstanten [1] .
Bemærk: nogle gange bruges et alternativ, den såkaldte pi-funktion , som er en generalisering af fakulteten og er relateret til gammafunktionen ved relationen . Det var denne funktion (og ikke -funktionen), som Gauss, Riemann og mange andre tyske matematikere fra det 19. århundrede brugte.
For enhver positiv n gælder følgende:
.Gammafunktionens hovedegenskab er dens rekursive ligning
som under en fast startbetingelse entydigt definerer en logaritmisk konveks løsning, det vil sige selve gammafunktionen ( entydighedssætning ) [2] .
For gammafunktionen er Euler-komplementformlen gyldig:
.Gauss multiplikationsformlen er også gyldig:
Et særligt tilfælde af denne formel for n=2 blev opnået af Legendre:
Gammafunktionen har ingen nuller i hele det komplekse plan. er meromorf på det komplekse plan og har simple poler ved punkter [1]
Gamma-funktionen har en første-ordens pol i for enhver naturlig og nul; fradraget på dette tidspunkt gives som følger:
.En nyttig egenskab, der kan opnås fra grænsedefinitionen:
.Gammafunktionen kan differentieres et uendeligt antal gange, og , hvor , omtales ofte som "psy-funktionen" eller digamma-funktionen . Gammafunktionen og betafunktionen er relateret til følgende forhold:
.Af en række årsager, sammen med gamma-funktionen, betragtes logaritmen af gamma-funktionen ofte - antiderivatet af digamma-funktionen . Det har følgende integrerede repræsentationer:
og
givet af Jacques Binet i 1839 (disse formler kaldes ofte henholdsvis den første og anden Binet-formel for logaritmen af gammafunktionen) [3] . Noget forskellige integralformler for logaritmen af gammafunktionen dukkede også op i Malmstens , Lerchs og flere andres arbejde. Således opnåede Malmsten en formel svarende til Binets første formel [3]
og Lerkh viser, at alle integraler af formen
også reducere til logaritmerne af gammafunktionen. Især en formel, der ligner Binets anden formel med en "konjugeret" nævner, har følgende form:
(se øvelse 40 i [4] )Derudover opnåede Malmsten også en række integralformler for logaritmen af gammafunktionen indeholdende hyperbolske funktioner med logaritmen i integranden (eller tilsvarende logaritmen af logaritmen med polynomier). I særdeleshed,
(se øvelse 2, 29-t, 30 tommer [4] )Yaroslav Blagushin viste, at for et rationelt argument , hvor og er positive heltal, som ikke overstiger , gælder følgende repræsentation:
(se bilag C [5] og også øvelse 60 og 58 [4] )Desuden, og i mere generelle tilfælde, reducerer integraler, der indeholder hyperbolske funktioner med en logaritme (eller arctangens) i integranden, ofte til logaritmerne af gammafunktionen og dens afledte , inklusive det komplekse argument, se f.eks. eks. 4-b, 7-a og 13-b i [4] .
Logaritmen af gammafunktionen er også tæt forbundet med den analytiske fortsættelse af den generaliserede zetafunktion
Dette vigtigste forhold, afledt af Lerkh , giver dig mulighed for at få et stort antal integralrepræsentationer for logaritmen af gammafunktionen gennem de kendte formler for den generaliserede zetafunktion .
Fourierrækken for logaritmen af gammafunktionen har følgende form
Denne formel tilskrives normalt Ernst Kummer , som udledte den i 1847 (i den autoritative litteratur [3] [6] [7] kaldes denne serie endda Kummer-serien for logaritmen af gammafunktionen). Det er dog for nylig blevet opdaget, at denne formel blev opnået allerede i 1842 af Carl Malmsten (se Yaroslav Blagushin [4] [8] ).
Ud over Fourier-serieudvidelser er der andre serieudvidelser. En af de mest kendte er Stirling -serien.
I sin standardversion
hvor koefficienterne betyder Bernoulli-tallene .
Fra definitionen af gammafunktionen ifølge Weierstrass følger en anden vigtig repræsentation [9]
.Heltals- og halvheltalsargumenternes gammafunktion udtrykkes i form af elementære funktioner . I særdeleshed
Søgningen efter værdien af gammafunktionen i punkterne 1/4 og 1/3 var genstand for detaljeret forskning af Euler, Gauss og Legendre, men de formåede ikke at beregne disse værdier i en lukket form [1] .
Der er følgende repræsentationer i ikke-lukket form for Γ(1/4)
hvor AGM er den aritmetisk-geometriske middelværdifunktion , G er den catalanske konstant , og A er Glaisher-Kinkelin-konstanten .
I den klassiske integraldefinition af gammafunktionen er grænserne for integration fastlagt. Den ufuldstændige gammafunktion betragtes også , som er defineret af et lignende integral med en variabel øvre eller nedre integrationsgrænse. Der skelnes mellem den øverste ufuldstændige gammafunktion, ofte betegnet som gammafunktionen af to argumenter:
og den nederste ufuldstændige gammafunktion, på samme måde betegnet med det lille bogstav "gamma":
.Nogle gange er den ufuldstændige gammafunktion defineret som [10] :
.En vigtig anvendelse af gamma-funktionen er reduktionen til den af integraler af følgende form, hvor er konstante parametre
BevisEfter indstilling af parameteren:
Differentielle injektioner:
Og variable substitutioner:
Især for integraler af den gaussiske type, der er almindeligt forekommende i fysikanvendelser:
Og Euler-integraler:
Ordbøger og encyklopædier |
|
---|---|
I bibliografiske kataloger |