Gamma函数和Beta函数
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Euler积分
含参积分
Γ(s)=∫0∞xs−1e−xdx,s>0
B(p,q)=∫01xp−1(1−x)q−1dx,p>0,q>0
在应用中经常出现, 它们统称为Euler积分. 其中前者被称为Gamma函数, 后者称为 Beta函数.
Gamma函数
- Γ(s)的定义域为s>0
Gamma函数Γ(s)可以写成如下两个积分的和:
Γ(s)=∫01xs−1e−xdx+∫1∞xs−1e−xdx=Φ(s)+Ψ(s)
其中Φ(s)当s≥1时是正常积分, 当0<s<1时是收敛的无界反常积分(瑕积分), 其收敛性可以用柯西判别法推得; Ψ(s)当s>0时是收敛的无穷限反常积分(无穷积分), 收敛性用柯西判别法推得. 所以含参积分Γ(s)在s>0时是收敛的, 即Gamma函数的定义域为s>0.
- Γ(s)在定义域s>0上连续可导
先给出结果, 证明待定(需要说明一致收敛性)
Γ′(s)=一致收敛=∂s∂∫0∞xs−1e−xdx∫0∞∂s∂(xs−1e−x)dx=∫0∞xs−1e−xlnxdx
Note: 需要证明 ∫0∞xs−1e−xlnxdx 的在 s>0 上的一致收敛性, 而 Γ(s) 本身的收敛性已经在定义域中讨论了.
任意阶导数
Γ(n)(s)=∫0∞xs−1e−x(lnx)ndx,s>0
- 递推公式Γ(s+1)=sΓ(s)
对下述积分应用分部积分法, 有
∫0Axse−xdx=−xse−x0A+s∫0Axs−1e−xdx=−Ase−A+s∫0Axs−1e−xdx
令A→+∞就得到Gamma函数的递推公式:
Γ(s+1)=sΓ(s)
Note: A→+∞lim−Ase−A=L′Hospital0
- Γ(1)和Γ(21)
Γ(1)=∫0∞e−xdx=−e−x0∞=1
Γ(21)=∫0∞x−21e−xdx=令x=t22∫0∞e−t2dt=∫−∞∞e−t2dt=π
Note: 令 I=∫−∞∞e−x2dx , 有
I2=∫−∞∞e−x2dx⋅∫−∞∞e−y2dx=∫−∞∞∫−∞∞e−(x2+y2)dxdy=极坐标变换∫02πdθ∫0∞e−r2rdr=π
- Γ(n)和Γ(n+21),n=1,2,⋯
特别的, 当 s 取 n 和 n+21 时有
Γ(n)=(n−1)×⋯×2×1×Γ(1)=(n−1)!
Γ(n+21)=(n−21)×(n−23)×⋯×21×Γ(21)=2n(2n−1)!!π
Note: (2n−1)!!=(2n−1)×(2n−3)×⋯×3×1.