這一期的內容不太硬核,主要是介紹,讓大家熟悉熟悉歐拉積分。不喜歡看推導過程的同學,隨便看看過程,記的話直接記結論(在最後)就好。

歐拉積分有兩類,很多與冪、階乘有關的反常積分都可以利用歐拉積分表示,而這兩類歐拉積分又可以相互表示。它的重要性也好,應用的廣泛性也好,有太多書在講了,這裡就不再拓展。

第一類歐拉積分 B函數(歐拉貝塔函數-Eulers Beta Function)

它的定義是: B(a,b)=int_{0}^{1}x^{a-1}(1-x)^{b-1}dx

沒錯,它的定義就是一個反常積分。你可以這樣記憶:底數是 x(1-x) ,對於積分區間 (0,1) 來說正好是互補的;指數就是 (a-1)(b-1) ,括弧裏的數減一。

它是關於 a、b 對稱的,令 egin{cases}  x=1-t \   xin [0,1]\ 1-tin [-1,0]  end{cases} , 則B(a,b)=int_{0}^{1}x^{a-1}(1-x)^{b-1}dx=int_{0}^{1}(1-t)^{a-1}t^{b-1}dt=B(b,a)

對它分部積分會得到:

B(a,b)=int_{0}^{1}(1-x)^{b-1}d(frac{x^a}{a})

=left[ frac{x^a(1-x)^{b-1}}{a} 
ight]_{0}^{1}+frac{b-1}{a}int_{0}^{1}x^{a}(1-x)^{b-2}dx

=frac{b-1}{a}B(a,b-1)-frac{b-1}{a}B(a,b)

所以 B(a,b)=frac{b-1}{a+b-1}B(a,b-1)

推廣得到: B(m,n)=frac{(n-1)!(m-1)!}{(m+n-1)!}

前面可以看到這個積分範圍在0到1,所以侷限性很大,下面來介紹一個0到無窮區間的歐拉積分。

第二類歐拉積分 Gamma 函數(歐拉伽馬函數-Eulers Gamma Function)

它的定義是: Gamma (a)=int_{0}^{+infty}x^{a-1}e^{-x}dx

同樣由分部積分可以得到:

aGamma (a)=aint_{0}^{+infty}x^{a-1}e^{-x}dx

=left[ x^ae^{-x} 
ight]_{0}^{+infty}+int_{0}^{+infty}x^ae^{-x}dx=Gamma (a+1)

所以 Gamma (a+1)=aGamma (a)

我們重複使用有:

Gamma (a+n)=(a+n-1)(a+n-2).....(a+1)aGamma (a)

a=1 會得到: Gamma (n+1)=n! 這說明,在0到正無窮上,伽馬函數就是階乘的推廣,將階乘函數「繪製」了出來。

我們最後來考慮: Gamma (a+b)·B(a,b)=int_{0}^{+infty}y^{a+b-1}e^{-y}dyint_{0}^{+infty}t^{a-1}e^{-ty}dt

=Gamma (a)int_{0}^{+infty}y^{b-1}e^{-y}dy=Gamma(a)Gamma(b)

於是我們有重要的轉換公式: B(a,b)=frac{Gamma(a)Gamma(b)}{Gamma(a+b)}

\餘項公式留在反常積分的文章裏再討論。

總結:

B(a,b)=int_{0}^{1}x^{a-1}(1-x)^{b-1}dxB(m,n)=frac{(n-1)!(m-1)!}{(m+n-1)!}

Gamma (a)=int_{0}^{+infty}x^{a-1}e^{-x}dxGamma (n+1)=n!

B(a,b)=frac{Gamma(a)Gamma(b)}{Gamma(a+b)}


推薦閱讀:
相關文章