Gamma函數(shù)的Stirling公式

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Stirling公式最早是對(duì)正整數(shù)的階乘的一個(gè)漸進(jìn)公式,由亞伯拉罕·棣莫弗發(fā)現(xiàn),形式為:
而Stirling計(jì)算出了其中的常數(shù)? ,因此我們現(xiàn)在才稱(chēng)它為Stirling公式,它也可以利用Gamma函數(shù)推廣到復(fù)數(shù),這也正是本文的內(nèi)容
經(jīng)典的Stirling公式
從階乘對(duì)數(shù)來(lái)考慮
用Euler-Maclaurin求和公式可將右式寫(xiě)為
其中? ,
?為第k個(gè)伯努利多項(xiàng)式,令?
,用一次分部積分,可得
故當(dāng)??時(shí)式中的積分收斂,由此不妨設(shè)
則
代回到式中,得
再根據(jù)? ,得
令??就是Stirling公式的雛形了,下面就來(lái)計(jì)算其中常數(shù)的值了

根據(jù)正弦函數(shù)的無(wú)窮乘積展開(kāi),
取??,可得大名鼎鼎的Wallis乘積:
用雙階乘符號(hào):
可將乘積公式寫(xiě)為
又不難注意到
由此可得
將之前得到的漸進(jìn)公式代入,可得
即? ,于是便得到:
(經(jīng)典Stirling公式)對(duì)足夠大的正整數(shù) N
或者

復(fù)Stirling公式
從Gamma函數(shù)的Weierstrass公式來(lái)考慮
對(duì)它取對(duì)數(shù)
再次用Euler-Maclaurin公式,有
其中積分項(xiàng)當(dāng)??時(shí)收斂。由經(jīng)典的估計(jì)
將他們相減并再減去經(jīng)典的Stirling公式,有
令? ,可得
代回Weierstrass公式的對(duì)數(shù)中,得
即
(復(fù)Stirling公式)對(duì)??
也可以將它取導(dǎo)數(shù),即
且由? 可得

帶型區(qū)域上的估階
接下來(lái)考慮Gamma函數(shù)在復(fù)平面上的帶型區(qū)域中的狀態(tài),之所以要這樣考慮,是因?yàn)樵谟懻揜iemann?zeta函數(shù)的函數(shù)方程時(shí),?的實(shí)部并不會(huì)太大,反而虛部有可能會(huì)很大.?那么就假定有?
?,對(duì)?
?的情況,我們來(lái)對(duì)?
?的復(fù)Stirling公式一項(xiàng)一項(xiàng)看,
因此當(dāng)??時(shí),有
并且
因此
從而
其中
然后因??,所以積分
由此將它們代入Stirling公式中,得
最后取個(gè)冪,得
好了,差不多了,溜了溜了