欧拉积分
作变量替换 易知 也就是说第一型欧拉积分具有对称性。
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\specialtrue \specialchapter{欧拉积分}
第一型欧拉积分 #
定义
我们称 为第一型欧拉积分.
下面我们给出几个它的简单性质.
性质
作变量替换 易知 也就是说第一型欧拉积分具有对称性.
性质
当 时,由分部积分可得
其中第三个等号用到了 .
由此
那么由对称性, 我们也能得到 .
而当 均为正整数时, 我们有
性质
我们作变量替换 可将 转化为无穷积分, 这种形式也有很好的性质.
而如果令 我们就得到
而这个积分的值是可以计算的,就是
第二型欧拉积分 #
定义 #
定义
我们称
为第二型欧拉积分.
其实这个 函数在我们之前的课程中也定义过, 不过当时我们是用阶乘函数, 用无穷乘积的形式来定义的.
下面我们先来探究这两个证明是否等价.
证明
当 时有
注意到极限中的内容和我们之前推导的 函数的递推式相似, 不难发现, 当我们取 时, 我们有
又由
我们可以得到
接着我们做变量替换
下面我们考虑证明
由伯努利不等式 时, 有 .
和不等式 , 把 带入得到 即 .
我们可以得到
进而有
易知 收敛, 故当 时, .
进而可知
即 .
故这两种定义方式等价.
除此之外, 函数, 还有两种定义方式.
第一种是上述证明过程中出现过的极限定义, 也称欧拉-高斯公式.
第二种则引入了欧拉常数 .
设 , 则称 .
那么我们就有 函数的 Weierstrass 积形式.
性质 #
从我们证明两种定义方式等价的过程中, 不难发现这两类欧拉积分并不是孤立的, 下面我们就来探究这两类欧拉积分的关系.
接下来, 我们证明
性质
证明
对 用 换元得到
对 用 换元得到
我们考虑
下面我们进行极坐标变换, 令 则有
又由 函数的连续性, 我们可以对积分符号进行交换, 进而得到.
进而得到
推论
在上述证明过程中, 我们取 , 则 对于 我们有
性质 余元公式
为了证明这个事情, 我们先证明一个引理.
引理
证明
通过二倍角公式, 我们可以将 不断升幂, 可以将其表示为形如 的式子, 其中 表示关于 的 次多项式.
因为 , 所以 的常数项为 .
同时我们有, 的根为 , 所以 恰为 的 个根.
所以
即
故我们有
带入
有
当 时, 左边为
对于右边, 我们考虑下列不等式, 当 充分大时. [leftmargin=2cm]
- (1)
- (2)
- (3)
- (4)
其中由 可得 , 进而可知 .
于是我们有
所以 时,
由 收敛,
可知 时
所以由夹逼定理, 我们可以得到
下面由 函数的极限定义来证明余元公式
证明
由引理 \ref{lemma:sin} 可知
故
性质 倍元公式, 也称勒让德公式
在之前的作业中, 我们已经用无穷乘积的定义方式证明过该公式, 下面我们用另一种方式再次证明这个问题.
证明
由前面给出的性质
带入之后, 我们只需证明
接下来通过若干次变量替换可得
这样我们就证明了
即
应用 #
在之前的作业中, 我们已经证明过了斯特林 (Stirling) 公式. 下面我们用另外的两种方式进行证明.
引理
对于任意给定的 有,
证明
先假定 ,
下面我们分别对 和 进行估计.
当 充分大时, 在 附近, 我们有,
作换元
由 函数收敛,
而
故
因此
对于 的情况, 我们取 使得
可以得到
进而通过 函数的递推公式可以得到相应的结论.
定理 斯特林公式
证明
我们先对 为正整数的情形进行估计
下面我们将这个结论推广到任意实数上, 令
由引理可知
从而
下面我们来确定常数 的值.
考虑倍元公式
对两边取对数得
再带入我们得到的估计式, 并整理可得
当 时,
故
下面我们来求
由余元公式
我们取 , 则有
故
综上, 我们就得到了斯特林公式
以书本例题为例 #
除了这种方式之外, 下面再通过书本习题 中的一组题来证明这件事.
- 设 , 利用 (14.17) 以及变量替换证明
证明
做变量替换 则有
- 设 , 并记 , 利用 证明
证明
因为当 时
$
$
所以 , 进而有
$
$
其中 [leftmargin=1.5cm]
- (1) \begin{equation*}
\end{equation*}
- (2) \begin{equation}
\end{equation}
- (3) 是奇函数积分是 .
- (4) \begin{equation*}
\end{equation*}
所以有
- 通过考察被积函数的单调性证明
证明
一方面, 因为 在 上单调递增, 故而
另一方面, 由 在 上单调递减, 以及在 上有 知
所以有
- 对 证明斯特林公式
证明
有了前几题的铺垫, 我们可以得到
至此, 我们已经重新证明了斯特林公式. 但在此之中我们取 这个值并不是唯一的, 下面我们在来观察一下 的取值. 我们设 .
首先我们先关注所有用到 取值的等式,(\ref{欧拉积分1}),(\ref{欧拉积分2})(\ref{欧拉积分3}).
其中 (\ref{欧拉积分1}) 最后一步要成立就得满足
(\ref{欧拉积分2}) 最后一步要满足
(\ref{欧拉积分3}) 要求与 (\ref{欧拉积分2}) 相同
综上 的取值范围为 .
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