知识点

Γ\Gamma 函数

定义

对 s>0s>0,定义

Γ(s)=∫0+∞xs−1e−x dx.\Gamma(s)=\int_0^{+\infty}x^{s-1}e^{-x}\,\mathrm{d}x.

它把阶乘推广到实数。

主要性质:

  1. 递推公式 Γ(s+1)=sΓ(s)\Gamma(s+1)=s\Gamma(s);
  2. 阶乘关系 Γ(n+1)=n!\Gamma(n+1)=n!,nn 为非负整数;
  3. 特殊值 Γ(1)=1\Gamma(1)=1,Γ(12)=π\Gamma\left(\frac{1}{2}\right)=\sqrt{\pi}。
证明 递推公式

取 u=xsu=x^{s},dv=e−x dx\mathrm{d}v=e^{-x}\,\mathrm{d}x,则 du=sxs−1 dx\mathrm{d}u=sx^{s-1}\,\mathrm{d}x,v=−e−xv=-e^{-x}。于是

Γ(s+1)=[−xse−x]0+∞+s∫0+∞xs−1e−x dx.\Gamma(s+1)=\Bigl[-x^se^{-x}\Bigr]_0^{+\infty} +s\int_0^{+\infty}x^{s-1}e^{-x}\,\mathrm{d}x.

x→+∞x\to+\infty 时 xse−x→0x^se^{-x}\to 0;x→0+x\to 0^+ 时,因为 s>0s>0,也有 xse−x→0x^se^{-x}\to 0。所以边界项为 00,即 Γ(s+1)=sΓ(s)\Gamma(s+1)=s\Gamma(s)。

例子

用Γ函数:∫0+∞xe−x dx\displaystyle\int_0^{+\infty}xe^{-x}\,\mathrm{d}x

被积函数就是 x2−1e−xx^{2-1}e^{-x},所以积分等于 Γ(2)=1!=1\Gamma(2)=1!=1。

探索

Γ\Gamma 函数如何连接阶乘?

查看递推公式在非负整数上的结果。

正在准备演示…

题集

练习

  1. Γ(52)\Gamma\left(\frac{5}{2}\right) 等于:

    选择答案
    参考解答

    由递推公式,Γ(52)=32⋅12⋅Γ(12)=3π4\Gamma\left(\frac{5}{2}\right)=\frac{3}{2}\cdot\frac{1}{2}\cdot\Gamma\left(\frac{1}{2}\right)=\frac{3\sqrt{\pi}}{4}。