复平面上gamma函数_神奇的Gamma函数 (中)
Gamma 函数欣赏
Each generation has found something of interest to say about the gamma function. Perhaps the next generation will also.
—Philip J.Davis
Gamma 函数从它诞生开始就被许多数学家进行研究,包括高斯、勒让德、威尔斯特拉斯、柳维尔等等。这个函数在现代数学分析中被深入研究,在概率论中也是无处不在,很多统计分布都和这个函数相关。Gamma 函数作为阶乘的推广,首先它也有和 Stirling 公式类似的一个结论
Γ(x)∼2π−−√e−xxx−12
另外, Gamma 函数不仅可以定义在实数集上,还可以延拓到整个复平面上。
复平面上的Gamma 函数
frist derivative
nxn−1,
second derivative
n(n−1)xn−2,
third derivative
n(n−1(n−2)xn−3,
⋯
k-th derivative
n(n−1(n−2)⋯(n−k+1)xn−k=n!(n−k)!xn−k,
由于k阶导数可以用阶乘表达,于是我们用Gamma 函数表达为
Γ(n+1)Γ(n−k+1)xn−k
于是基于上式,我们可以把导数的阶从整数延拓到实数集。例如,取n=1,k=12我们可以计算 x 的 12阶导数为
Γ(1+1)Γ(1−1/2+1)x1−1/2=2x√π−√
很容易想到对于一般的函数 f(x) 通过 Taylor 级数展开可以表达为幂级数,于是借用 xn 的分数阶导数,我们可以尝试定义出任意函数的分数阶导数。不过有点遗憾的是这种定义方法并非良定义的,不是对所有函数都适用,但是这个思想却是被数学家广泛采纳了,并由此发展了数学分析中的一个研究课题:Fractional Calculus,在这种微积分中,分数阶的导数和积分都具有良定义,而这都依赖于 Gamma 函数。
Gamma 函数和欧拉常数γ 有密切关系,可以发现
γ=−dΓ(x)dx|x=1=limn→∞(1+12+13+⋯+1n–logn)
进一步还可以发现 Gamma 函数和黎曼函数ζ(s)有密切联系,
ζ(s)=1+12s+12s+⋯
而ζ 函数涉及了数学中著名的黎曼猜想和素数的分布定理。希尔伯特曾说,如果他在沉睡1000年后醒来,他将问的第一个问题便是:黎曼猜想得到证明了吗?
logΓ(x)
从Gamma 函数的图像我们可以看到它是一个凸函数, 不仅如此, logΓ(x) 也是一个凸函数,数学上可以证明如下定理:
[Bohr-Mullerup定理] 如果 f:(0,∞)→(0,∞),且满足
f(1)=1
f(x+1)=xf(x)
logf(x) 是凸函数
那么 f(x)=Γ(x), 也就是 Γ(x)是唯一满足以上条件的函数。
如下函数被称为 Digamma 函数,
Ψ(x)=dlogΓ(x)dx
这也是一个很重要的函数,在涉及求Dirichlet 分布相关的参数的极大似然估计时,往往需要使用到这个函数。Digamma 函数具有如下一个漂亮的性质
Ψ(x+1)=Ψ(x)+1x
函数Ψ(x)和欧拉常数γ 以及 ζ 函数都有密切关系,令
Ψn(x)=dn+1logΓ(x)dxn+1
则 Ψ0(x)=Ψ(x),可以证明
Ψ(1)=−γ,Ψ(2)=1−γΨ1(1)=ζ(2)=π26,Ψ2(1)=−2ζ(3)
所以Gamma 函数在数学上是很有魅力的,它在数学上应用广泛,不仅能够被一个理科本科生很好的理解,本身又足够的深刻,具有很多漂亮的数学性质,历史上吸引了众多一流的数学家对它进行研究。美国数学家 Philip J.Davis 写了篇很有名的介绍 Gamma 函数的文章:“Leonhard Euler’s Integral:A Historical Profile of the Gamma Function”,文中对 Gamma 函数一些特性发现的历史进行了很详细的描述,这篇文章获得了 Chauvenet Prize(美国数学会颁发的数学科普最高奖)。
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