伽瑪函數

伽瑪函數

階乘函數在實數與複數上的擴展
伽瑪函數(Gamma函數),也叫歐拉第二積分,是階乘函數在實數與複數上擴展的一類函數。該函數在分析學、概率論、偏微分方程和組合數學中有重要的應用。伽瑪函數對數的導數稱為Digamma函數。與之有密切聯系的函數是貝塔函數,也叫第一類歐拉積分。利用EXCEL中的GAMMALN函數,再用EXP[GAMMALN(X)],即可求得任意數的伽瑪函數的值。
    中文名:伽瑪函數 外文名:Gamma Function 适用領域: 所屬學科:數學 别名:歐拉第二積分

函數簡介

伽瑪函數(Gamma函數),也叫第二類歐拉積分,是階乘函數在實數域和複數域上的拓展。

,此定義可以用解析開拓原理拓展到整個複數域上,非正整數除外。

曆史背景

1728年,哥德巴赫在考慮數列插值的問題,通俗的說就是把數列的通項公式定義從整數集合延拓到實數集合,例如數列1,4,9,16.....可以用通項公式

自然的表達,即便 n 為實數的時候,這個通項公式也是良好定義的。直觀的說也就是可以找到一條平滑的曲線

通過所有的整數點,從而可以把定義在整數集上的公式延拓到實數集合。一天哥德巴赫開始處理階乘序列,我們可以計算

是否可以計算呢?我們把最初的一些的點畫在坐标軸上,确實可以看到,容易畫出一條通過這些點的平滑曲線。

但是哥德巴赫無法解決階乘往實數集上延拓的這個問題,于是寫信請教尼古拉斯·伯努利和他的弟弟丹尼爾·伯努利,由于歐拉當時和丹尼爾·伯努利在一塊,他也因此得知了這個問題。而歐拉于1729 年完美的解決了這個問題,由此導緻了伽瑪 函數的誕生,當時歐拉隻有22歲。

公式介紹

伽瑪函數表達式:Γ(x)=∫e^(-t)*t^(x-1)dt (積分的下限是0,上限是+∞) 利用分部積分法(integration by parts)我們可以得到

Γ(x)=(x-1)*Γ(x-1) ,而容易計算得出Γ⑴=1,

由此可得,在正整數範圍有:Γ(n+1)=n!

在概率的研究中有一個重要的分布叫做伽瑪分布:

f(x)=λe^(-λx)(λx)^(x-1)/Γ(x) x>=0

=0 x<0

Stirling公式

Gamma 函數從它誕生開始就被許多數學家進行研究,包括高斯、勒讓德、魏爾斯特拉斯、劉維爾等等。這個函數在現代數學分析中被深入研究,在概率論中也是無處不在,很多統計分布都和這個函數相關。Gamma 函數作為階乘的推廣,首先它也有和 Stirling 公式類似的一個結論

Digamma函數

伽瑪函數的對數的導數稱為Digamma函數,記為

Digamma函數同調和級數相關,其中

,其中

是歐拉常數。而對于任意x有

在複數範圍内,Digamma函數可以寫成

。而Digamma函數的泰勒展開式為

,其中函數

為黎曼zeta函數,是關于黎曼猜想的一個重要函數。

類似伽瑪函數,Digamma函數可以有漸進式:

應用

在Matlab中的應用

其表示N在在N-1到0範圍内的整數階乘。

公式為:gamma(N)=(N-1)*(N-2)*...*2*1

例如:

gamma(6)=5*4*3*2*1

ans=120

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