Hoppa till innehållet
Hem

Gammafunktionen

Gammafunktionen Γ(z) är en analytisk fortsättning av fakultetsfunktionen till komplexa tal (utom negativa heltal) med viktiga formler, egenskaper och tillämpningar inom matematik och sannolikhetsteori.

Författare: Skapad: Uppdaterad:

Översikt

Gammafunktionen är en central specialfunktion i matematiken. Den generaliserar faktorfunktionen n! till icke‑heltal och komplext värde samt används ofta i analys, kombinatorik och sannolikhetsteori. I stället för att endast definieras för heltal ger gammafunktionen ett sätt att tilldela ett meningsfullt värde åt uttryck som "(n-1)!" när n inte nödvändigtvis är ett heltal.

{\displaystyle \Gamma (n)=(n-1)!}

Bildgalleri

5 Bilder
DanielBernoulliLettreAGoldbach-1729-10-06
en.wikipedia.org · Public domain

Definition och grundegenskaper

För komplexa tal z med reell del större än noll ges gammafunktionen av Eulers integral:

Γ(z) = ∫_0^∞ t^{z-1} e^{-t} dt, vilken ger en analytisk funktion i detta område. Den uppfyller den viktiga rekursiva identiteten Γ(z+1)=z·Γ(z), vilket visar att för positiva heltal n gäller Γ(n)=(n-1)!.

Analytisk fortsatt och singulariteter

Gammafunktionen kan fortsättas analytiskt till hela det komplexa talplanet utom vid icke‑positiva heltal, där den har enkelpoler. Den är därför definierad för de flesta komplexa argument förutom z=0,-1,-2,... . En välkänd särskild värde är Γ(1/2)=√π.

Viktiga formler och approximationer

  • Reflektionsformeln: för z som inte är ett heltal finns en relation mellan Γ(z) och Γ(1−z) som kopplar ihop värden i olika delar av det komplexa planet.
  • Stirlings formel ger en asymptotisk approximation av Γ(z) för stora |z| och är användbar för beräkningar och analys.

Tillämpningar och exempel

Gammafunktionen förekommer i beräkningar av integraler, i definitioner av betafunktionen och i uttryck för kontinuerliga sannolikhetsfördelningar (till exempel gamma‑ och t‑fördelningarna). Den används också för att förenkla uttryck i teorier om specialfunktioner och inom komplicerade summor och produkter.

Noterbara särskiljande fakta

Gammafunktionen skiljer sig från enkla generaliseringar genom sin analytiska struktur: den är unik upp till multiplikativa faktorer som följer av funktionens rekursion och analytiska egenskaper. Dess förmåga att koppla diskreta och kontinuerliga fenomen gör den särskilt användbar inom både ren och tillämpad matematik. För diskussioner om definitioner i hela det komplexa planet och detaljer kring polstruktur hänvisas till källor om komplexa tal och analytisk funktionsteori.

Gammafunktionen längs en del av den reella axeln
Gammafunktionen längs en del av den reella axeln

Egenskaper

Särskilda värden

Några särskilda värden för gammafunktionen är:

Γ ( - 3 / 2 ) = 4 3 π ≈ 2.363271801207 Γ ( - 1 / 2 ) = - 2 π ≈ - 3.544907701811 Γ ( 1 / 2 ) = π ≈ 1.772453850905 Γ ( 1 ) = 0 ! = 1 Γ ( 3 / 2 ) = 1 2 π ≈ 0.88622692545 Γ ( 2 ) = 1 ! = 1 Γ ( 5 / 2 ) = 3 4 π ≈ 1.32934038818 Γ ( 3 ) = 2 ! = 2 Γ ( 7 / 2 ) = 15 8 π ≈ 3.32335097045 Γ ( 4 ) = 3 ! = 6 {\displaystyle {\begin{array}{lll}\Gamma (-3/2)&={\tfrac {4}{3}}}{\sqrt {\pi }}&\approx 2.363271801207\\\Gamma (-1/2)&=-2{\sqrt {\pi }}&\approx -3.544907701811\\\Gamma (1/2)&={\sqrt {\pi }}&\approx 1.772453850905\\\Gamma (1)&=0!&=1\\\Gamma (3/2)&={\tfrac {1}{2}}}{\sqrt {\pi }}&\approx 0.88622692545\\\Gamma (2)&=1!&=1\\\Gamma (5/2)&={\tfrac {3}{4}}}{\sqrt {\pi }}&\approx 1.32934038818\\\Gamma (3)&=2!&=2\\\\Gamma (7/2)&={\tfrac {15}{8}}}{\sqrt {\pi }}&\approx 3.32335097045\\\\Gamma (4)&=3!&=6\\end{array}}}} {\displaystyle {\begin{array}{lll}\Gamma (-3/2)&={\tfrac {4}{3}}{\sqrt {\pi }}&\approx 2.363271801207\\\Gamma (-1/2)&=-2{\sqrt {\pi }}&\approx -3.544907701811\\\Gamma (1/2)&={\sqrt {\pi }}&\approx 1.772453850905\\\Gamma (1)&=0!&=1\\\Gamma (3/2)&={\tfrac {1}{2}}{\sqrt {\pi }}&\approx 0.88622692545\\\Gamma (2)&=1!&=1\\\Gamma (5/2)&={\tfrac {3}{4}}{\sqrt {\pi }}&\approx 1.32934038818\\\Gamma (3)&=2!&=2\\\Gamma (7/2)&={\tfrac {15}{8}}{\sqrt {\pi }}&\approx 3.32335097045\\\Gamma (4)&=3!&=6\\\end{array}}}

Pi-funktion

Gauss introducerade Pi-funktionen. Detta är ett annat sätt att beteckna gammafunktionen. I termer av gammafunktionen är Pi-funktionen följande

Π ( z ) = Γ ( z + 1 ) = z Γ ( z ) = ∫ 0 ∞ e - t t t z + 1 d t t , {\displaystyle \Pi (z)=\Gamma (z+1)=z\;\Gamma (z)=\int _{0}^{\infty }e^{-t}t^{z+1}\,{\frac {{\rm {d}}t}{t}},} {\displaystyle \Pi (z)=\Gamma (z+1)=z\;\Gamma (z)=\int _{0}^{\infty }e^{-t}t^{z+1}\,{\frac {{\rm {d}}t}{t}},}

så att

Π ( n ) = n ! , {\displaystyle \Pi (n)=n!\,,} {\displaystyle \Pi (n)=n!\,,}

för varje icke-negativt heltal n.

Applikationer

Analytisk talteori

Gammafunktionen används för att studera Riemannzeta-funktionen. En egenskap hos Riemannzeta-funktionen är dess funktionella ekvation:

Γ ( s 2 ) ζ ( s ) π - s / 2 = Γ ( 1 - s 2 ) ζ ( 1 - s ) π - ( 1 - s ) / 2 . {\displaystyle \Gamma \left({\frac {s}{2}}\right)\zeta (s)\pi ^{-s/2}=\Gamma \left({\frac {1-s}{2}}\right)\zeta (1-s)\pi ^{-(1-s)/2}. } {\displaystyle \Gamma \left({\frac {s}{2}}\right)\zeta (s)\pi ^{-s/2}=\Gamma \left({\frac {1-s}{2}}\right)\zeta (1-s)\pi ^{-(1-s)/2}.}

Bernhard Riemann fann ett samband mellan dessa två funktioner. Detta var i 1859 års uppsats "Über die Anzahl der Primzahlen unter einer gegebenen Grösse" ("Om antalet primtal som är mindre än en given mängd").

ζ ( z ) Γ ( z ) = ∫ 0 ∞ t z e t - 1 d t t t . {\displaystyle \zeta (z)\;\Gamma (z)=\int _{0}^{\infty }{\frac {t^{z}}}{e^{t}-1}}}\;{\frac {dt}{t}}}. } {\displaystyle \zeta (z)\;\Gamma (z)=\int _{0}^{\infty }{\frac {t^{z}}{e^{t}-1}}\;{\frac {dt}{t}}.}

Frågor och svar

F: Vad är gammafunktionen inom matematiken?

S: Gammafunktionen är ett nyckelämne inom området för speciella funktioner inom matematiken.

F: Vad är utvidgningen av faktorfunktionen till alla komplexa tal utom negativa heltal?

S: Gammafunktionen är en utvidgning av faktorfunktionen till alla komplexa tal utom negativa heltal.

F: Hur definieras gammafunktionen för positiva heltal?

S: För positiva heltal är gammafunktionen definierad som Γ(n) = (n-1)!

F: Är gammafunktionen definierad för alla komplexa tal?

S: Ja, gammafunktionen är definierad för alla komplexa tal.

F: Är gammafunktionen definierad för negativa heltal och noll?

S: Nej, gammafunktionen är inte definierad för negativa heltal och noll.

F: Hur definieras gammafunktionen för ett komplext tal vars reella del inte är ett negativt heltal?

S: Gammafunktionen definieras för ett komplext tal vars reella del inte är ett negativt heltal genom en specifik formel som inte ges i texten.

F: Varför är gammafunktionen viktig inom matematiken?

S: Gammafunktionen är viktig inom matematiken eftersom den är ett nyckelämne inom området specialfunktioner och den utvidgar faktorfunktionen till alla komplexa tal utom negativa heltal.

Relaterade artiklar

Författare

AlegsaOnline.com Gammafunktionen

URL: https://sv.alegsaonline.com/art/37421

Dela

Källor