Funcția gamma este o funcție matematică . A fost introdusă de Leonhard Euler , iar funcția gamma își datorează denumirea lui Legendre [1] .
Funcția gamma este extrem de utilizată în știință. Printre principalele sale domenii de aplicare se numără analiza matematică , teoria probabilității , combinatoria , statistica , fizica atomică , astrofizica , hidrodinamica , seismologia și economia . În special, funcția gamma este folosită pentru a generaliza noțiunea de factorial la seturi de valori ale argumentelor reale și complexe .
Dacă partea reală a numărului complex este pozitivă, atunci funcția gamma este definită prin integrala absolut convergentă
Această definiție a fost derivată de Legendre din definiția originală a lui Euler (1730)
printr-o schimbare a variabilei , iar astăzi definiția lui Legendre este cunoscută ca definiția clasică a funcției gamma. Integrând pe părți definiția clasică, este ușor de observat că .
Pentru un calcul aproximativ al valorilor funcției gamma, a treia formulă este mai convenabilă, obținută și din definiția lui Euler prin aplicarea egalității și schimbarea variabilei :
.Integrala din această formulă converge la , deși este de obicei folosită pentru valorile reale pozitive ale argumentului (sunt de preferat valorile în jurul valorii de 1). În cazul unui argument real, integrandul are un singur punct singular — o discontinuitate discontinuă la , iar dacă este extins în acest punct cu valoarea , devine continuu pe întreg intervalul . Astfel, integrala este valoare proprie, ceea ce simplifică integrarea numerică .
Există o continuare analitică directă a formulei originale la întregul plan complex , cu excepția numerelor întregi, numite integrală Riemann - Hankel:
Aici, un contur este orice contur de pe plan complex care se învârte în jurul unui punct în sens invers acelor de ceasornic, ale cărui capete merg la infinit de-a lungul axei reale pozitive.
Următoarele expresii servesc ca definiții alternative pentru funcția gamma.
Este valabil pentru toate numerele complexe, cu excepția 0 și a numerelor întregi negative.
unde este constanta Euler-Mascheroni [1] .
Notă: uneori se folosește o alternativă, așa-numita funcție pi , care este o generalizare a factorialului și este legată de funcția gamma prin relația . Această funcție (și nu funcția -) a fost folosită de Gauss, Riemann și mulți alți matematicieni germani ai secolului al XIX-lea.
Pentru orice n pozitiv, următorul lucru este adevărat:
.Proprietatea principală a funcției gamma este ecuația sa recursivă
care, într-o condiție inițială fixă, definește în mod unic o soluție convexă logaritmic, adică funcția gamma în sine ( teorema unicității ) [2] .
Pentru funcția gamma, formula complementului Euler este valabilă:
.Formula de multiplicare Gauss este de asemenea valabilă:
Un caz special al acestei formule pentru n=2 a fost obținut de Legendre:
Funcția gamma nu are zerouri în întregul plan complex. este meromorf pe plan complex și are poli simpli în puncte [1]
Funcția gamma are un pol de ordinul întâi pentru orice natural și zero; deducerea la acest punct este dată după cum urmează:
.O proprietate utilă care poate fi obținută din definiția limitei:
.Funcția gamma este diferențiabilă de un număr infinit de ori și , unde , este adesea denumită „funcția psy” sau funcția digamma . Funcția gamma și funcția beta sunt legate prin următoarea relație:
.Din mai multe motive, împreună cu funcția gamma, logaritmul funcției gamma este adesea considerat - antiderivatul funcției digamma . Are următoarele reprezentări integrale:
și
dat de Jacques Binet în 1839 (aceste formule sunt adesea numite prima și respectiv a doua formulă Binet pentru logaritmul funcției gamma) [3] . Formule integrale oarecum diferite pentru logaritmul funcției gamma au apărut și în lucrările lui Malmsten , Lerch și al altora. Astfel, Malmsten a obținut o formulă similară cu prima formulă a lui Binet [3]
iar Lerkh arată că toate integralele formei
reduce de asemenea la logaritmii funcției gamma. În special, o formulă similară celei de-a doua formule a lui Binet cu un numitor „conjugat” are următoarea formă:
(vezi exercițiul 40 din [4] )În plus, Malmsten a obținut și o serie de formule integrale pentru logaritmul funcției gamma care conține funcții hiperbolice cu logaritmul în integrand (sau, echivalent, logaritmul logaritmului cu polinoame). În special,
(vezi exercițiul 2, 29-h, 30 in [4] )Yaroslav Blagushin a arătat că pentru un argument rațional , unde și sunt numere întregi pozitive care nu depășesc , este valabilă următoarea reprezentare:
(vezi anexa C [5] și, de asemenea, exercițiile 60 și 58 [4] )Mai mult, și în cazuri mai generale, integralele care conțin funcții hiperbolice cu un logaritm (sau arctangent) în integrand se reduc adesea la logaritmii funcției gamma și derivatele acesteia , inclusiv argumentul complex, vezi de ex. ex. 4-b, 7-a și 13-b în [4] .
Logaritmul funcției gamma este, de asemenea, strâns legat de continuarea analitică a funcției zeta generalizate
Această relație cea mai importantă, derivată de Lerkh , vă permite să obțineți un număr mare de reprezentări integrale pentru logaritmul funcției gamma prin formulele cunoscute pentru funcția zeta generalizată .
Seria Fourier pentru logaritmul funcției gamma are următoarea formă
Această formulă este de obicei atribuită lui Ernst Kummer , care a derivat-o în 1847 (în literatura de specialitate [3] [6] [7] această serie este chiar numită seria Kummer pentru logaritmul funcției gamma). Cu toate acestea, s-a descoperit recent că această formulă a fost obținută încă din 1842 de către Carl Malmsten (vezi Yaroslav Blagushin [4] [8] ).
Pe lângă expansiunile din seria Fourier, există și alte extinderi ale seriei. Una dintre cele mai cunoscute este seria Stirling .
În versiunea sa standard
unde coeficienții înseamnă numerele Bernoulli .
Din definirea funcției gamma după Weierstrass, urmează o altă reprezentare importantă [9]
.Funcția gamma a argumentelor întreg și jumătate întreg este exprimată în termeni de funcții elementare . În special
Căutarea valorii funcției gamma la punctele 1/4 și 1/3 a făcut obiectul cercetărilor detaliate ale lui Euler, Gauss și Legendre, dar nu au reușit să calculeze aceste valori într-o formă închisă [1] .
Există următoarele reprezentări în formă neînchisă pentru Γ(1/4)
unde AGM este funcția medie aritmetică-geometrică , G este constanta catalană și A este constanta Glaisher-Kinkelin .
În definiția integrală clasică a funcției gamma, limitele de integrare sunt fixe. Se ia în considerare și funcția gamma incompletă , care este definită printr-o integrală similară cu o limită de integrare superioară sau inferioară variabilă. Se face o distincție între funcția gamma incompletă superioară, adesea denumită funcția gamma a două argumente:
și funcția gamma incompletă inferioară, notată în mod similar prin litera minusculă „gamma”:
.Uneori, funcția gamma incompletă este definită ca [10] :
.O aplicație importantă a funcției Gamma este reducerea la aceasta a integralelor de următoarea formă, unde sunt parametrii constanți
DovadaDupă setarea parametrului:
Injecții diferențiale:
Și substituții variabile:
În special, pentru integralele de tip Gaussian care sunt întâlnite pe scară largă în aplicațiile fizicii:
Și integralele lui Euler:
![]() |
|
---|---|
În cataloagele bibliografice |