伽玛函数

伽玛函数

阶乘函数在实数与复数上的扩展
伽玛函数(Gamma函数),也叫欧拉第二积分,是阶乘函数在实数与复数上扩展的一类函数。该函数在分析学、概率论、偏微分方程和组合数学中有重要的应用。伽玛函数对数的导数称为Digamma函数。与之有密切联系的函数是贝塔函数,也叫第一类欧拉积分。利用EXCEL中的GAMMALN函数,再用EXP[GAMMALN(X)],即可求得任意数的伽玛函数的值。
    中文名:伽玛函数 外文名:Gamma Function 适用领域: 所属学科:数学 别名:欧拉第二积分

函数简介

伽玛函数(Gamma函数),也叫第二类欧拉积分,是阶乘函数在实数域和复数域上的拓展。

,此定义可以用解析开拓原理拓展到整个复数域上,非正整数除外。

历史背景

1728年,哥德巴赫在考虑数列插值的问题,通俗的说就是把数列的通项公式定义从整数集合延拓到实数集合,例如数列1,4,9,16.....可以用通项公式

自然的表达,即便 n 为实数的时候,这个通项公式也是良好定义的。直观的说也就是可以找到一条平滑的曲线

通过所有的整数点,从而可以把定义在整数集上的公式延拓到实数集合。一天哥德巴赫开始处理阶乘序列,我们可以计算

是否可以计算呢?我们把最初的一些的点画在坐标轴上,确实可以看到,容易画出一条通过这些点的平滑曲线。

但是哥德巴赫无法解决阶乘往实数集上延拓的这个问题,于是写信请教尼古拉斯·伯努利和他的弟弟丹尼尔·伯努利,由于欧拉当时和丹尼尔·伯努利在一块,他也因此得知了这个问题。而欧拉于1729 年完美的解决了这个问题,由此导致了伽玛 函数的诞生,当时欧拉只有22岁。

公式介绍

伽玛函数表达式:Γ(x)=∫e^(-t)*t^(x-1)dt (积分的下限是0,上限是+∞) 利用分部积分法(integration by parts)我们可以得到

Γ(x)=(x-1)*Γ(x-1) ,而容易计算得出Γ⑴=1,

由此可得,在正整数范围有:Γ(n+1)=n!

在概率的研究中有一个重要的分布叫做伽玛分布:

f(x)=λe^(-λx)(λx)^(x-1)/Γ(x) x>=0

=0 x<0

Stirling公式

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、魏尔斯特拉斯、刘维尔等等。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

Digamma函数

伽玛函数的对数的导数称为Digamma函数,记为

Digamma函数同调和级数相关,其中

,其中

是欧拉常数。而对于任意x有

在复数范围内,Digamma函数可以写成

。而Digamma函数的泰勒展开式为

,其中函数

为黎曼zeta函数,是关于黎曼猜想的一个重要函数。

类似伽玛函数,Digamma函数可以有渐进式:

应用

在Matlab中的应用

其表示N在在N-1到0范围内的整数阶乘。

公式为:gamma(N)=(N-1)*(N-2)*...*2*1

例如:

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

ans=120

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