階乘的進(jìn)步一延拓——Gamma函數(shù)幾個公式

上一期:實數(shù)的階乘——歐拉積分中介紹了歐拉兩類積分,
本期主要討論歐拉第二類積分,即Gamma函數(shù)

歐拉-馬歇羅尼常數(shù)
這個十分重要的常數(shù)是在調(diào)和級數(shù)中產(chǎn)生的,我們都知道
將積分區(qū)間切開,寫成以下形式:
因為在正半軸上單調(diào)遞減,根據(jù)微積分中值定理
令,得到
即它倆極限的差收斂到一個0到1之間的常數(shù),此外還可以由此輕松得到調(diào)和級數(shù)成對數(shù)狀發(fā)散,而這個常數(shù)就是歐拉-馬歇羅尼常數(shù)(Euler—Mascheroni constant),有時也叫歐拉常數(shù),記為
由于它是在極限中產(chǎn)生的常數(shù),所以它的超越性是尚不好確定的,并且事實上這個常數(shù)的無理性的證明都是十分棘手的,但我們可以通過一下方法計算它的近似值,令
則它的極限就是Euler常數(shù)
由此可以計算該常數(shù)約為
復(fù)平面上的解析延拓
我們先前規(guī)定了在Gamma函數(shù)的積分中s為一大于零的實數(shù),因為這樣右邊的積分才收斂
如果我們把s換成一個復(fù)數(shù),那么該積分在的平面上是收斂的,但是這并不能讓我們滿足,不妨試著將Gamma函數(shù)延拓到整個復(fù)平面,
對此,我們希望它在復(fù)平面上滿足以下條件:
對于第二個遞推條件,取s=0,得到
發(fā)現(xiàn)它在s=0處出現(xiàn)了極點,再根據(jù)該遞推公式,可知都是它的極點,這可不是好事,但是又注意到滿足上述兩個條件的
在復(fù)平面上是沒有零點的,那我們就可以取它的倒數(shù)了,這樣一來
就是復(fù)平面上的全純函數(shù)了,并且
是它的零點,而這個序列是趨向無窮的,又有
剛好這些條件滿足Weierstrass分解定理,因此它可以展開為以下乘積:
對它取對數(shù),得到
又根據(jù)Gauss公式,可得:
代入到上式中,可得
于是就得到了Gamma函數(shù)的Weierstrass公式:
至此就完成了Gamma函數(shù)在復(fù)平面上的解析延拓
對上面的公式作變換
取倒數(shù)就又可以得到Gauss公式了,并且它還了告訴我們該乘積公式在復(fù)平面上除了外都收斂到解析函數(shù)
又有:
由此便可得

余元和倍元公式
余元公式
根據(jù)上面第二個公式,有
????
觀察發(fā)現(xiàn)藍(lán)色部分就是我們前幾期推導(dǎo)過的的無窮乘積展開,因此
最后根據(jù)遞推公式,可得
這就是Gamma函數(shù)的余元公式了,代入,可得
又根據(jù)它的積分表式,可得Euler-Poisson積分:
倍元公式
(溫馨提示:下面的推理可能會"吵"到您的眼睛)
根據(jù)Gauss公式,有
拎出紅色部分
再把綠色部分拎出來,
代回上式中,即可得
或者

一個積分
最后本期專欄就以一個積分來收尾吧
其中的根號看起來十分不友好,那我們不妨設(shè)
看到這個東西,就不難聯(lián)想到beta函數(shù)了,作代換,
再根據(jù)余元公式,可得
所以就能得到上面的積分了:
?
此外還可以得到
根據(jù)它們就來可以整一些奇怪的積分了,比如

