實數(shù)的階乘——歐拉積分:Beta、Gamma函數(shù)

歐拉積分是跟一個序列插值問題密切相關(guān)的:即階乘序列
所謂序列插值,就是將通項公式的定義從整數(shù)集延拓到實數(shù)集
1728年,哥德巴赫在考慮序列插值的問題,當(dāng)他開始處理階乘時,被這玩意給難住了,

可以發(fā)現(xiàn)似乎確實存在一條光滑的曲線能將階乘對應(yīng)的點連接起來,但是哥德巴赫無法解決階乘這個問題,于是寫信給了尼古拉一世·伯努利(NikolausI?Bernoulli)和他的弟弟丹尼爾(Daniel?Bernoulli),而當(dāng)時歐拉(Leonhard?Euler)他倆在一塊,因此他也得知了這個問題,最后他在1729年完美地解決了這個問題
這便是今天要說到的歐拉積分了:(勒讓德的提法)
第一個積分也稱為beta函數(shù),第二個特別特別常用的積分也稱為Gamma函數(shù)
(ps:本文中的beta,Gamma函數(shù)的變量都是實數(shù),但是需要注意的是它們更廣泛的應(yīng)用都一定會涉及到變量為復(fù)數(shù)的情況)

歐拉第一類積分
這個積分下限是0,因此收斂的充要條件是p>0,類似地,上限是1收斂的充要條件是q>0,
所以beta函數(shù)是在p,q都>0時才有定義,
在beta函數(shù)的積分中作變量代換
,可得其對成性:
又作代換
,可得它另一種積分表達(dá)式:
又又作代換
,又得到了:
根據(jù)第二個積分表達(dá)式,利用分部積分法可得一下遞推公式
當(dāng)n為整數(shù)時,由遞推公式,有
令,可得高斯公式(Gauss Formula):
我們來驗證當(dāng)是非負(fù)整數(shù)時它其實就是階乘:
首先有
又有(α>0):
因此
而當(dāng)把變量換成正實數(shù)時,仍然滿足遞推性質(zhì),所以它作為階乘的延拓是良好定義的

第二類歐拉積分
在下面的公式中作代換,根據(jù)beta函數(shù)的遞推公式,有
以我們熟知的藍(lán)色部分當(dāng)時一致收斂到
,而最下面的乘積則收斂到
,又不難驗證該函數(shù)到Gamma函數(shù),于是
因此,有以下性質(zhì)
在積分中作代換,有Gamma函數(shù)的另一積分表達(dá)式為:
又作代換,又有積分表式為:
也許有的人看到積分中減了個1會有些疑惑,為什么不直接定義
呢?這樣既好看了些,還能在s是整數(shù)時直接有
我說如果這樣想的話那你就格局小了(被打),其實不難發(fā)現(xiàn)上面這個積分右邊僅僅在s>-1時才收斂,數(shù)學(xué)家們不太喜歡這樣的收斂域,而正好-1這種用法十九世紀(jì)末期在法國十分流行,于是當(dāng)時由勒讓德(Legendre)介紹了Gamma(s)=(s-1)!,這樣收斂范圍變成了s>0,這樣的收斂域既省事又挺美觀
beta函數(shù)與Gamma之間函數(shù)的聯(lián)系
設(shè),通過變量代換
,有以下等式:
令,則有
用上式和beta函數(shù)的第二積分表式,有
可以互換積分次序是由于時上述積分處處收斂

本期就先到此結(jié)束了,稍微氵了點hhh,下一期就是有關(guān)Gamma函數(shù)的幾個公式了