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§23.323.3 BB 函数与 Γ\Gamma 函数

华东师范大学数学系高等教育出版社《数学分析》大学本科 · 教材双语助读 (Alt+Y)

在计算积分或者解常微分方程时,常常遇到其解不能表示为初等函数的问题。解决这个问题的方法之一是引进一些新的函数,它们可能是函数项级数的和函数,或者是用含参变量积分表示的函数,然后研究它们的性质,甚至做出函数值表。这类函数一般称为特殊函数。这一节介绍的 Beta 函数(记为 B 函数)与 Gamma 函数(记为 Γ 函数)就属于最重要特殊函数之列。它们在数学的很多分支中都有应用。有不少重要的定积分值可以用它们表示出来。此外,Gamma 函数的一些性质的证明也是数学分析中很好的训练,在 23.3.4 小节中的部分内容可作为习题课的补充材料。这方面还可参考 [25, 55] 的 §7.4 中的内容。

B 函数也称为第一类 Euler 积分。B 函数是一个二元函数,它的定义是

B (p, q) = ∫_ 0 ^ 1 x ^ p - 1 (1 - x) ^ q - 1 d x, p, q > 0. (23.9)

它还有下列等价的积分表示

r l B (p, q) & = ∫_ 0 ^ + ∞ frac y ^ p - 1(1 + y) ^ p + q d y = ∫_ 0 ^ + ∞ frac y ^ q - 1(1 + y) ^ p + q d y & = frac 12 ∫_ 0 ^ + ∞ frac y ^ p - 1 + y ^ q - 1(1 + y) ^ p + q d y, B (p, q) = 2 ∫_ 0 ^ π / 2 cos^ 2 p - 1 θ sin^ 2 q - 1 θ d θ .

B 函数的主要性质如下:

  1. 对称性: B(p,q)=B(q,p) ;

  2. B(p, q) 在其定义域上连续,且有任意阶连续偏导数;

  3. 递推公式:

B (p, q + 1) = frac qp + q B (p, q), B (p + 1, q) = frac pp + q B (p, q).

如果 m, n 都是正整数,则

B (m, n) = frac (m - 1) ! (n - 1) !(m + n - 1) ! (text 参见上册326页例题$10.4.10$).

Γ 函数也称为第二类 Euler 积分。它是一元函数,其含参积分定义为

Γ (x) = ∫_ 0 ^ + ∞ t ^ x - 1 e ^ - t d t, x > 0. (23.10)

它有如下的 Gauss 无穷乘积分解(也称为 Euler-Gauss 公式) ①

Γ (x) = lim _ n arrow ∞ frac n ! n ^ xx (x + 1) … (x + n). (23.11)

Γ 函数的主要性质如下:

  1. Γ 函数与B函数的关系
B (p, q) = frac Γ (p) · Γ (q)Γ (p + q), p > 0, q > 0;
  1. Γ(x) 在 (0, +∞) 上为严格下凸函数,它及其任意阶导数都连续,且
Γ^ (n) (x) = ∫_ 0 ^ + ∞ t ^ x - 1 (ln t) ^ n e ^ - t d t;
  1. 递推公式(由此从 Γ(1) = 1 出发得到 Γ(n+1) = n!, ∀ n ∈ N_(+) )
Γ (x + 1) = x Γ (x), x > 0; (23.12)
  1. lnΓ(x) 在 (0,+∞) 上为严格下凸函数;

  2. Legendre 加倍公式: 对于 x > 0 有

Γ (2 x) = frac 2 ^ 2 x - 1sqrt π Γ (x) Γ (x + frac 12);
  1. 余元公式: 对于 0 < x < 1 有
图23.123.1
注 1

从积分定义(23.10)出发,利用递推公式(23.12)可以将 Γ 函数的定义域开拓如下。将(23.12)变形为

Γ (x) = frac Γ (x + 1)x. (23.13)

注意到右边当 -1 < x < 0 时也有定义,于是我们用(23.13)的右边来定义 -1 < x < 0 时的 Γ 函数的值,以此类推, Γ 函数的定义域可以开拓到除去 0 和负整数的一切实数。当然这样的开拓结果与(13.37)的无穷乘积定义完全一致。

注 2

在所列举的 Γ 函数的性质中,前三个在一般教科书中都有。为证明 ln Γ(x) 下凸,从 §8.4 中的下凸函数的定义出发,用无穷限积分的 Hölder 不等式即可得到。最后两个性质的证明比较困难,见下面的 23.3.4 小节。

注 3

在本章末的图23.2显示了延拓后的 Γ 函数在区间[-5, 4.1]上的图像。

例 23.3.1

设平面 x = 0, y = 0, z = 0 与 x + y + z = 1 围成四面体 V,证明:

iiint_ V x ^ a - 1 y ^ b - 1 z ^ c - 1 d x d y d z = frac Γ (a) Γ (b) Γ (c)(a + b + c) Γ (a + b + c) (a, b, c > 0).
证明

作以下计算即可:

l I = iiint_ V x ^ a - 1 y ^ b - 1 z ^ c - 1 d x d y d z = ∫_ 0 ^ 1 d x ∫_ 0 ^ 1 - x d y ∫_ 0 ^ 1 - x - y x ^ a - 1 y ^ b - 1 z ^ c - 1 d z = ∫_ 0 ^ 1 x ^ a - 1 d x ∫_ 0 ^ 1 - x (y ^ b - 1 frac 1c z ^ c) | _ 0 ^ 1 - x - y d y = frac 1c ∫_ 0 ^ 1 x ^ a - 1 d x ∫_ 0 ^ 1 - x y ^ b - 1 (1 - x - y) ^ c d y.

再令 y = (1 - x)t ,则

l I = frac 1c ∫_ 0 ^ 1 x ^ a - 1 d x ∫_ 0 ^ 1 (1 - x) ^ b - 1 t ^ b - 1 (1 - x) ^ c (1 - t) ^ c (1 - x) d t = frac 1c ∫_ 0 ^ 1 x ^ a - 1 (1 - x) ^ b + c d x ∫_ 0 ^ 1 t ^ b - 1 (1 - t) ^ c d t = frac 1c B (a, b + c + 1) B (b, c + 1) = frac 1c frac Γ (a) Γ (b + c + 1)Γ (a + b + c + 1) · frac Γ (b) Γ (c + 1)Γ (b + c + 1) = frac Γ (a) Γ (b) Γ (c)(a + b + c) Γ (a + b + c).
例 23.3.2

确定 α, β, γ, 使

I = iiint_ D frac d x d y d z1 + x ^ α + y ^ β + z ^ γ < + ∞ ,

并求 I 的值,其中 D={(x,y,z)| x≥slant0,y≥slant0,z≥slant0}。

解

首先应该有 α > 0, β > 0, γ > 0。至于进一步的条件,我们将在计算中得到。令 x = u² / α, y = v² / β, z = w² / γ,则

I = frac 8α β γ iiint_ Ω frac u ^ 2 / α - 1 v ^ 2 / β - 1 w ^ 2 / γ - 11 + u ^ 2 + v ^ 2 + w ^ 2 d u d v d w,

其中 Ω = {(u,v,w) | u ≥slant 0, v ≥slant 0, w ≥slant 0}。再作球坐标变换

u = ρ sin φ cos θ , v = ρ sin φ sin θ , w = ρ cos φ ,ρ ≥slant 0, 0 ≤slant φ ≤slant frac π2, 0 ≤slant θ ≤slant frac π2,

则

l I = frac 8α β γ ∫_ 0 ^ π / 2 cos^ 2 / α - 1 θ sin^ 2 / β - 1 θ d θ · ∫_ 0 ^ π / 2 sin^ 2 (frac 1α + frac 1β) - 1 φ cos^ 2 / γ - 1 φ d φ × ∫_ 0 ^ + ∞ frac ρ^ 2 (frac 1α + frac 1β + frac 1γ) - 11 + ρ^ 2 d ρ = frac 1α β γ B (frac 1α, frac 1β) B (frac 1α + frac 1β, frac 1γ) ∫_ 0 ^ + ∞ frac t ^ frac 1α + frac 1β + frac 1γ - 11 + t d t.

可见当且仅当 (1)/(α) +(1)/(β) +(1)/(γ) < 1 时后一个积分收敛,并且有

∫_ 0 ^ + ∞ frac t ^ frac 1α + frac 1β + frac 1γ - 11 + t d t = B (frac 1α + frac 1β + frac 1γ, 1 - (frac 1α + frac 1β + frac 1γ)),

这样便得到

I = frac 1α β γ Γ (frac 1α) Γ (frac 1β) Γ (frac 1γ) Γ (1 - (frac 1α + frac 1β + frac 1γ)).
例 23.3.3

求积分(见上册 395 页练习题 6(2))

I (t) = ∫_ 0 ^ + ∞ e ^ - (x ^ 2 + frac t ^ 2x ^ 2) d x, t > 0.
解 1

由 M‑判别法,I(t) 关于 t > 0 是一致收敛的,形式上求导得

I ^ prime (t) = ∫_ 0 ^ + ∞ e ^ - (x ^ 2 + frac t ^ 2x ^ 2) (- frac 2 tx ^ 2) d x.

∀ t₀ > 0,上述积分在 t₀ 的邻域上一致收敛,所以上面的求导可行。令 x = 1/y,则

I ^ prime (t) = ∫_ + ∞ ^ 0 e ^ - (frac 1y ^ 2 + y ^ 2 t ^ 2) 2 t d y.

再令 yt = z,则

I ^ prime (t) = - 2 ∫_ 0 ^ + ∞ e ^ - (z ^ 2 + frac t ^ 2z ^ 2) d z = - 2 I (t).

所以

c ln I (t) = - 2 t + C, I (t) = C e ^ - 2 t.

考虑到 I(0)=∫₀⁺∞e⁻x²dx=(√(π))/(2),所以

I (t) = frac sqrt π2 e ^ - 2 t.
解 2

下面的方法需要的工具不多,但不容易想到: 令 y = t/x,则

I (t) = ∫_ 0 ^ + ∞ e ^ - (frac t ^ 2y ^ 2 + y ^ 2) frac ty ^ 2 d y.

与原表达式相加得

r l 2 I (t) & = ∫_ 0 ^ + ∞ e ^ - (x ^ 2 + frac t ^ 2x ^ 2) (1 + frac tx ^ 2) d x = e ^ - 2 t ∫_ 0 ^ + ∞ e ^ - (x - frac tx) ^ 2 d (x - frac tx) & = e ^ - 2 t ∫_ - ∞ ^ + ∞ e ^ - u ^ 2 d u = sqrt π e ^ - 2 t.
例 23.3.4

证明 Riemann 的 zeta 函数的积分形式

ζ (s) = ∑_ n = 1 ^ ∞ frac 1n ^ s = frac 1Γ (s) ∫_ 0 ^ + ∞ frac x ^ s - 1e ^ x - 1 d x, s > 1.
证明

对于 x > 0 有展开式

r l frac 1e ^ x - 1 & = frac e ^ - x1 - e ^ - x & = e ^ - x (1 + e ^ - x + e ^ - 2 x + …) = ∑_ n = 1 ^ ∞ e ^ - n x.

于是 ∀ A > 0 有

∫_ 0 ^ A frac x ^ s - 1e ^ x - 1 d x = ∫_ 0 ^ A x ^ s - 1 (∑_ n = 1 ^ ∞ e ^ - n x) d x.

对于固定的 s > 1,级数 ∑ₙ = 1^(∞)x^(s - 1)e⁻nx 关于 x∈ [0, + ∞) 是一致收敛的,所以

r l ∫_ 0 ^ A frac x ^ s - 1e ^ x - 1 d x & = ∑_ n = 1 ^ ∞ ∫_ 0 ^ A x ^ s - 1 e ^ - n x d x = ∑_ n = 1 ^ ∞ ∫_ 0 ^ n A (frac yn) ^ s - 1 (frac e ^ - yn) d y & = ∑_ n = 1 ^ ∞ frac 1n ^ s ∫_ 0 ^ n A y ^ s - 1 e ^ - y d y.

这个级数对于 A ∈ [0, +∞) 是一致收敛的,于是令 A → +∞,得

∫_ 0 ^ + ∞ frac x ^ s - 1e ^ x - 1 d x = Γ (s) ∑_ n = 1 ^ ∞ frac 1n ^ s.
例 23.3.5

求 ∫₀¹(ln x)/(1 - x)dx.

解

令 x = e⁻t,则

∫_ 0 ^ 1 frac ln x1 - x d x = ∫_ + ∞ ^ 0 frac - t1 - e ^ - t e ^ - t (- d t) = - ∫_ 0 ^ + ∞ frac te ^ t - 1 d t.

在上题的结论中取 s = 2,则

∫_ 0 ^ 1 frac ln x1 - x d x = - Γ (2) ∑_ n = 1 ^ ∞ frac 1n ^ 2 = - frac π^ 26.
例 23.3.6

求 I = iiint_(Ω) (√(a² - x² - y²))^p dx dy dz, 其中 a > 0, p ≥slant 0, Ω 是球体 x² + y² + z² ≤slant a² 被圆柱面 x² + y² = ay 割下的区域(即 Viviani 体)。

解

见图 22.11(现在 x, y 轴的位置有变化)。用柱坐标系,则

Ω = {(r, θ , z) | 0 ≤slant θ ≤slant π , 0 ≤slant r ≤slant a sin θ , - sqrt a ^ 2 - r ^ 2 ≤slant z ≤slant sqrt a ^ 2 - r ^ 2 }.

于是

l I = ∫_ 0 ^ π d θ ∫_ 0 ^ a sin θ d r ∫_ - sqrt a ^ 2 - r ^ 2 ^ sqrt a ^ 2 - r ^ 2 (sqrt a ^ 2 - r ^ 2) ^ p r d z = ∫_ 0 ^ π d θ ∫_ 0 ^ a sin θ 2 r (a ^ 2 - r ^ 2) ^ frac p + 12 d r = - ∫_ 0 ^ π (frac 2p + 3 (a ^ 2 - r ^ 2) ^ frac p + 32) g | _ 0 ^ a sin θ d θ = frac 4 a ^ p + 3p + 3 ∫_ 0 ^ π / 2 (1 - cos^ p + 3 θ) d θ = frac 4 a ^ p + 3p + 3 (frac π2 - frac Γ (frac p + 42) Γ (frac 12)2 Γ (frac p + 52)).

23.3.4 Γ 函数的特征刻画和几个重要公式的证明

Section titled “23.3.423.3.4 ΓΓ 函数的特征刻画和几个重要公式的证明”

前面已介绍过 Γ 函数满足如下三条性质:

  1. 当 x > 0 时,Γ(x) > 0,且 Γ(1) = 1;

  2. Γ(x+1)=xΓ(x);

  3. lnΓ(x) 在 (0,+∞) 上为下凸函数.

关于 Γ 函数的一个非常漂亮的结果是 Bohr 与 Mollerup 定理(1922 年),即上面的三条性质完全刻画了 Γ 函数.

命题 23.3.1 (Bohr−MollerupBohr-Mollerup 定理)

如果定义在 (0, +∞) 上的函数 f 满足下列三个条件:

(1) f(x)>0,且 f(1)=1,

(2) f(x+1)=xf(x),

(3) ln f(x) 是 (0,+∞) 上的下凸函数,

则 f(x) ≡ Γ(x),x ∈ (0, +∞)。

证明

已知 Γ 函数满足上述三条,故只要证明 f 是由 (1),(2),(3) 惟一确定的函数就可以了。而由 (2) 只要对 x ∈ (0,1) 进行证明。令 φ(x) = ln f(x),则

φ (x + 1) = φ (x) + ln x, 0 < x < + ∞ , (23.14)

φ (1) = 0,且 φ 是下凸函数。设 0 < x < 1,考虑 φ 在

[ n, n + 1 ], [ n + 1, n + 1 + x ], [ n + 1, n + 2 ]

三个闭区间上的差商,有

r l ln n & = φ (n + 1) - φ (n) ≤slant frac φ (n + 1 + x) - φ (n + 1)x & ≤slant φ (n + 2) - φ (n + 1) = ln (n + 1). (23.15)

另一方面,重复(23.14)可得

φ (n + 1 + x) = φ (x) + ln [ x (x + 1) … (x + n) ].

代入 (23.15) 并整理得

0 ≤slant φ (x) - ln (frac n ! n ^ xx (x + 1) … (x + n)) ≤slant x ln (1 + frac 1n).

由对数函数的连续性,令 n → ∞,得

φ (x) = ln (lim _ n arrow ∞ frac n ! n ^ xx (x + 1) … (x + n)).

因此

f (x) = lim _ n arrow ∞ frac n ! n ^ xx (x + 1) … (x + n).

利用例题 16.1.4 的结论知 f(x)=Γ(x).

命题23.3.2 (LegendreLegendre 加倍公式)

对于 x > 0 成立

Γ (2 x) = frac 2 ^ 2 x - 1sqrt π Γ (x) Γ (x + frac 12).
证明

设 g(x) = frac2ˣ - 1√(π)Γ (x/2)Γ ((x + 1)/(2)),利用 Γ (1/2) = √(π),容易检验 g(x) 满足 Bohr-Mollerup 定理中的条件 (1)-(3),可见有

Γ (x) = frac 2 ^ x - 1sqrt π Γ (frac x2) Γ (frac x + 12),

将其中 x 换为 2x 就得到所要的加倍公式。

命题23.3.3(余元公式)

对于 0 < x < 1 成立

Γ (x) Γ (1 - x) = frac πsin π x.
证1

利用 Γ 函数的 Euler-Gauss 无穷乘积表达式(23.11)(即(13.38))与正弦函数的无穷乘积表达式(13.30)。具体细节见例题13.4.4以及(13.40)。

证2

首先利用 Γ 函数与 B 函数的关系得到

Γ (x) Γ (1 - x) = B (x, 1 - x) = ∫_ 0 ^ + ∞ frac 1y ^ x (1 + y) d y,

然后利用例题 16.1.3 的 Euler 积分公式。

证3

利用上册 402 页参考题 8(2) 的结果:当 2m + 1 < 2n 时,有

∫_ - ∞ ^ + ∞ frac x ^ 2 m1 + x ^ 2 n d x = frac πn csc frac (2 m + 1) π2 n,

于是有

r l Γ (frac 2 m + 12 n) Γ (1 - frac 2 m + 12 n) & = B (frac 2 m + 12 n, 1 - frac 2 m + 12 n) & = ∫_ 0 ^ + ∞ frac y ^ frac 2 m + 12 n - 11 + y d y & = 2 n ∫_ 0 ^ + ∞ frac x ^ 2 m1 + x ^ 2 n d x & = π csc frac (2 m + 1) π2 n,

当 x 为无理数时,通过形如 (2m + 1)/(2n) 的有理数取极限。

命题23.3.4 (Γ\Gamma 函数的 StirlingStirling 公式)

关于 Γ 函数有渐近公式 ①:

Γ (x + 1) ∼ sqrt 2 π x (frac xe) ^ x (x arrow + ∞). (23.16)
证明(此证明取自[46])

在 Γ (x) = ∫₀⁺∞tˣ - 1e⁻tdt 中令 t = x(1 + u),得到

Γ (x + 1) = x ^ x + 1 e ^ - x ∫_ - 1 ^ + ∞ [ (1 + u) e ^ - u ] ^ x d u. (23.17)

令

h (u) = { l l frac 2u ^ 2 [ u - ln (1 + u) ], & - 1 < u < + ∞ , u ≠ 0, 1, & u = 0, .

则 h 在 (-1, +∞) 上为单调减少的连续函数,并满足

(1 + u) e ^ - u = exp (- frac u ^ 22 h (u)).

于是,对 (23.17) 作代换 u = s√(2/x),得

Γ (x + 1) = x ^ x e ^ - x sqrt 2 x ∫_ - ∞ ^ + ∞ ψ_ x (s) d s,

其中

ψ_ x (s) = { l l exp [ - s ^ 2 h (s sqrt frac 2x) ], & - sqrt frac x2 < s < + ∞ , 0, & s ≤slant - sqrt frac x2. .

可以验证:

(1) 对每个 s 而言,当 x → +∞ 时,ψₓ(s) → e⁻s²;

(2) 当 x ≥slant 1 时,对 s > 0,有 0 < ψₓ(s) < ψ₁(s);

(3) 对 s < 0,有 0 < ψₓ(s) < e⁻s²;

(4) 对任意 A > 0,含参变量 x 的广义积分 ∫_(-∞)⁺∞ψₓ(s) ds 在闭区间 [-A,A] 上一致收敛;

(5) ∫₀⁺∞ψ₁(s)ds 收敛.

因而,就可以得到

lim _ x arrow + ∞ ∫_ - ∞ ^ + ∞ ψ_ x (s) d s = ∫_ - ∞ ^ + ∞ e ^ - s ^ 2 d s = sqrt π,

即

lim _ x arrow + ∞ frac Γ (x + 1)sqrt 2 π x x ^ x e ^ - x = 1,

这就是关于 Γ 函数的 Stirling 公式 (23.16).

注

这只是关于 Γ 函数的 Stirling 公式的最简单形式。与上册 363 页(11.31)类似的关于 Γ 函数的一般 Stirling 公式见[18](第二卷的 540 小节)等参考书。

  1. 计算

(1) ∫₀¹(dx)/(√(xln1/x)); (2)∫₀⁺∞frac4√(x)(1+x)²dx.

  1. 试用 Γ 函数或 B 函数表示
∫_ 0 ^ π / 2 tan^ α x d x (| α | < 1); tag 1 (2) ∫_ - 1 ^ 1 (1 + x) ^ a (1 - x) ^ b d x (a, b > 0).
  1. n 为正整数,p > 0,证明:
B (p, n) = frac (n - 1) !p (p + 1) … (p + n - 1).
  1. 证明: ln Γ(x) 是下凸函数.

  2. 按照下列步骤证明公式 B(p,q)=(Γ(p)Γ(q))/(Γ(p+q)).

(1) Γ(p) = 2∫₀⁺∞u²p - 1e⁻u²du;

c Γ (p) Γ (q) = lim _ A → + ∞ 4 iint_ G (A) f (u, v) d u d v, text 其中 f (u, v) = u ^ 2 p - 1 v ^ 2 q - 1 e ^ - (u ^ 2 + v ^ 2), G (A) = {(u, v) | 0 ≤slant u ≤slant A, 0 ≤slant v ≤slant A }; (2) r l (3) text 令 D (R) = {(r, θ) | 0 ≤slant r ≤slant R, 0 ≤slant θ ≤slant frac π2 }, text 则 & lim _ A → + ∞ iint_ D (A) f (u, v) d u d v = frac 14 B (p, q) Γ (p + q), & lim _ A → + ∞ iint_ D (sqrt 2 A) f (u, v) d u d v = frac 14 B (p, q) Γ (p + q);

(4) B(p, q) = (Γ(p) Γ(q))/(Γ(p + q)).

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