神奇的伽玛函数概要.docx

神奇的伽玛函数(上)2014/06/30数学之美伽玛函数、伽玛分布、斯特灵公式、阶乘rickjin一、开篇数学爱好者们汇集在网络论坛上的一大乐事就是对各类和数学相关的事物评头论足、论资排辈。如果要评选历史上最伟大的数学家，就会有一大堆的粉丝围绕高斯、黎曼、牛顿、欧拉、阿基米德等一流人物展开口水战；如果要讨论最奇妙的数学常数，e,π,?=5√?12?肯定在候选队列中；如果要推举最美丽的数学公式，欧拉公式?eiπ+1=0?与和式?1+122+132+142+?=π26?常常被数学爱好者们提及；如果有人追问最神奇的数学函数是什么？这个问题自然又会变得极具争议，而我相信如下这个长相有点奇特的伽玛函数Γ(x)=∫∞0tx?1e?tdt一定会出现在候选队列中。伽玛函数不是初等函数，而是用积分形式定义的超越函数，怎么看都让人觉得不如初等函数自然亲切。然而伽玛函数也被称为阶乘函数，高等数学会告诉我们一个基本结论：伽玛函数是阶乘的推广。通过分部积分的方法，容易证明这个函数具有如下的递归性质Γ(x+1)=xΓ(x)由此可以推导出，对于任意的自然数nΓ(n)=(n?1)!.由于伽玛函数在整个实数轴上都有定义，于是可以看做阶乘概念在实数集上的延拓。如果我们继续再学习一些数学，就会惊奇地发现这个具有神秘气质的伽玛函数真是才华横溢。她栖身于现代数学的各个分支，在微积分、概率论、偏微分方程、组合数学，甚至是看起来八竿子打不着的数论当中，都起着重要的作用。并且这个函数绝非数学家们凭空臆想的一个抽象玩具，它具有极高的实用价值，频繁现身于在现代科学尤其是物理学之中。笔者对数学的涉猎很有限，主要是从概率统计中频繁地接触和学习这个函数，不过这个函数多年来一直都让我心存疑惑：都说n!?和伽玛函数是近亲，可是从相貌上这两个数学公式都差了十万八千里，历史上数学家们是如何找到这个奇特的函数的？?现代数学对伽玛函数的定义使它满足?Γ(n)=(n?1)!，既然号称是n!?的推广，为何定义伽玛函数的时候不让它满足Γ(n)=n!？这看起来不是更加舒服自然吗？?伽玛函数是唯一满足阶乘特性的推广函数吗？?伽玛函数在各种概率分布的密度函数中频繁出现，伽玛函数本身是否有直观的概率解释？带着这些疑问，笔者翻阅了许多讲解伽马函数历史和应用的资料，发现伽玛函数真是一个来自异族的美女，与生俱来携带着一种神秘的色彩。你要接近她并不难，然而她魅力独特，令你无法看透。从她出生开始，就吸引着众多一流的数学家对她进行解读。历史上伽玛函数的发现，和数学家们对阶乘、插值以及积分的研究有着紧密的关系，而这最早要从著名的沃利斯公式讲起。二、无心插柳 — 沃利斯公式1655年, 英国数学家沃利斯(John Wallis, 1616-1703)写下了一个神奇的数学公式21?23?43?45?65?67?87?89??=π2.(1)π?居然可以如此齐整地表示成奇数、偶数的比值，着实令人惊讶。历史上数学家们为了寻求对π?这个迷人的常数更加深刻的理解，前赴后继倾注了无数的精力。数学家们发现，π?可以表达成许许多多奇妙的形式，而沃利斯公式是欧洲历史上发现的第二个把?π?表达成式了无穷序列的形式，由于它简洁的对称美，也成为了许多数学人经常提及的数学公式之一。为何沃利斯公式会和伽玛函数发生联系呢？实际上对沃利斯公式做一下变形整理就可以得到如下等价形式limn→∞(2n?n!)4[(2n)!]2(2n+1)=π2我们看到了阶乘，所以沃利斯公式天然和阶乘有着紧密的联系。沃利斯我们先来欣赏一下沃利斯公式的证明。利用现代数学分析的知识证明这个公式并不难，通常微积分课本对这个公式的证明是从积分式I(n)=∫π0sinnxdx出发，通过分部积分得到一个关于I(n)?的递推公式，反复使用这个递推公式就可以证明结论。不过这个证明思路有点繁琐，数学家波利亚(George P\’{o}lya, 1887-1985) 在它的名著《数学与猜想》中提到了另外一个非常简洁、符合直觉，但是不够严格的证明思路，其中用到的最重要的公式是数学家欧拉(Leonhard Euler, 1707-1783)提供的。欧拉当年研究正弦函数?sinx?的时候，发现该函数有无穷多个零点?0,±π,±2π,±3π,?。而一个多项式f(x)?如果有零点?x1,x2,?,xn(此处xi,xj?可以相同, 对应于有重根的情形), 那么?f(x)?一定可以表示为f(x)=a0(x?x1)(x?x2)?(x?xn).于是欧拉大胆地猜测?sinx?也具有多项式的这种性质，即sinx=x∏n=1∞(1–x2n2π2)=x(1?x2π2)(1?x24π2)(1?x29π2)?.(2)理工科背景的学生大都学习过?sinx?的泰勒展开式，通常只有数学背景的学生才会接触到这个?sinx?的无穷乘积展开式