神奇的Gamma函数 (上)

中文原文：http://www.mysanco.com/index.php?class=wenku&action=wenku_item&id=110

关键词： 特殊函数, 欧拉

Gamma 函数诞生记

学高等数学的时候，我们都学习过如下一个长相有点奇特的Gamma函数

Γ(x)=∫∞0tx−1e−tdt

通过分部积分的方法，可以推导出这个函数有如下的递归性质

Γ(x+1)=xΓ(x)

于是很容易证明，Γ(x) 函数可以当成是阶乘在实数集上的延拓，具有如下性质

Γ(n)=(n−1)!

学习了Gamma 函数之后，多年以来我一直有两个疑问：

• 1.这个长得这么怪异的一个函数，数学家是如何找到的；
• 2.为何定义 Γ 函数的时候，不使得这个函数的定义满足Γ(n)=n! 而是 Γ(n)=(n−1)!

最近翻了一些资料，发现有不少文献资料介绍 Gamma 函数发现的历史，要说清楚它需要一定的数学推导，这儿只是简要的说一些主线。

1728年，哥德巴赫在考虑数列插值的问题，通俗的说就是把数列的通项公式定义从整数集合延拓到实数集合，例如数列 1,4,9,16,⋯ 可以用通项公式 n2 自然的表达，即便 n 为实数的时候，这个通项公式也是良好定义的。直观的说也就是可以找到一条平滑的曲线y=x2通过所有的整数点(n,n2)，从而可以把定义在整数集上的公式延拓到实数集合。一天哥德巴赫开始处理阶乘序列 1,2,6,24,120,720,⋯,我们可以计算 2!,3!, 是否可以计算 2.5!呢？我们把最初的一些 (n,n!)的点画在坐标轴上，确实可以看到，容易画出一条通过这些点的平滑曲线。

但是哥德巴赫无法解决阶乘往实数集上延拓的这个问题，于是写信请教尼古拉斯.贝努利和他的弟弟丹尼尔.贝努利，由于欧拉当时和丹尼尔.贝努利在一块，他也因此得知了这个问题。而欧拉于1729 年完美的解决了这个问题，由此导致了Γ 函数的诞生，当时欧拉只有22岁。

事实上首先解决n!的插值计算问题的是丹尼尔.贝努利，他发现，

如果 m,n都是正整数，如果 m→∞，有

1⋅2⋅3⋯m(1+n)(2+n)⋯(m−1+n)(m+n2)n−1→n!

于是用这个无穷乘积的方式可以把n!的定义延拓到实数集合。例如，取 n=2.5, m 足够大，基于上式就可以近似计算出 2.5!。

欧拉也偶然的发现 n! 可以用如下的一个无穷乘积表达

[(21)n1n+1][(32)n2n+2][(43)n3n+3]⋯=n!(∗)

用极限形式，这个式子整理后可以写为

limm→∞1⋅2⋅3⋯m(1+n)(2+n)⋯(m+n)(m+1)n=n!(∗∗)

左边可以整理为

===1⋅2⋅3⋯m(1+n)(2+n)⋯(m+n)(m+1)n1⋅2⋅3⋯n⋅(n+1)(n+2)⋯m(1+n)(2+n)⋯m⋅(m+1)n(m+1)(m+2)⋯(m+n)n!(m+1)n(m+1)(m+2)⋯(m+n)n!∏k=1nm+1m+k→n!(m→∞)

所以 (*)、(**)式都成立。

欧拉开始尝试从一些简单的例子开始做一些计算，看看是否有规律可循，欧拉极其擅长数学的观察与归纳。当 n=1/2 的时候，带入(*)式计算，整理后可以得到

(12)!=2⋅43⋅3⋅4⋅65⋅5⋅6⋅87⋅7⋅8⋅109⋅9⋯−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−√

然而右边正好和著名的 Wallis 公式关联。Wallis 在1665年使用插值方法计算半圆曲线 y=x(1−x)−−−−−−−√ 下的面积(也就是直径为1的半圆面积)的时候，得到关于π的如下结果，

2⋅43⋅3⋅4⋅65⋅5⋅6⋅87⋅7⋅8⋅109⋅9⋯=π4

于是，欧拉利用 Wallis 公式得到了如下一个很漂亮的结果

(12)!=π−√2

大数学家欧拉

欧拉和高斯都是具有超凡直觉的数学家，但是欧拉和高斯的风格迥异。高斯是个老狐狸，数学上非常严谨，发表结果的时候却都把思考的痕迹抹去，只留下漂亮的结果，这招致了一些数学家对高斯的批评；而欧拉的风格不同，经常通过经验直觉做大胆的猜测，而他的文章中往往留下他如何做数学猜想的痕迹，而文章有的时候论证不够严谨。 拉普拉斯曾说过：”读读欧拉,他是所有人的老师。”波利亚在他的名著《数学与猜想》中也对欧拉做数学归纳和猜想的方式推崇备至。

欧拉看到 (12)! 中居然有 π, 对数学家而言，有π 的地方必然有和圆相关的积分。由此欧拉猜测 n! 一定可以表达为某种积分形式，于是欧拉开始尝试把 n! 表达为积分形式。虽然Wallis 的时代微积分还没有发明出来，Wallis 是使用插值的方式做推导计算的，但是Wallis 公式的推导过程基本上就是在处理积分 ∫10x12(1−x)12dx，受 Wallis 的启发，欧拉开始考虑如下的一般形式的积分

J(e,n)=∫10xe(1−x)ndx

此处n 为正整数，e 为正实数。利用分部积分方法，容易得到

J(e,n)=ne+1J(e+1,n−1)

重复使用上述迭代公式，最终可以得到

J(e,n)=1⋅2⋯n(e+1)(e+2)⋯(e+n+1)

于是欧拉得到如下一个重要的式子

n!=(e+1)(e+2)⋯(e+n+1)∫10xe(1−x)ndx

接下来，欧拉使用了一点计算技巧，取 e=f/g 并且令 f→1,g→0,

然后对上式右边计算极限(极限计算的过程此处略去，推导不难，有兴趣的同学看后面的参考文献吧)，于是欧拉得到如下简洁漂亮的结果：

n!=∫10(−logt)ndt

欧拉成功的把n!表达为了积分形式！如果我们做一个变换 t=e−u,就可以得到我们常见的Gamma 函数形式

n!=∫∞0une−udu

于是,利用上式把阶乘延拓到实数集上，我们就得到 Gamma 函数的一般形式

Γ(x)=∫10(−logt)x−1dt=∫∞0tx−1e−tdt

Gamma 函数找到了，我们来看看第二个问题，为何 Gamma 函数被定义为 Γ(n)=(n−1)!, 这看起来挺别扭的。如果我们稍微修正一下，把Gamma 函数定义中的 tx−1 替换为tx

Γ(x)=∫∞0txe−tdt

 

这不就可以使得 Γ(n)=n!了嘛。欧拉最早的Gamma函数定义还真是如上所示，选择了Γ(n)=n!，可是欧拉不知出于什么原因，后续修改了 Gamma 函数的定义，使得Γ(n)=(n−1)!。 而随后勒让德等数学家对Gamma 函数的进一步深入研究中，认可了这个定义，于是这个定义就成为了既成事实。有数学家猜测，一个可能的原因是欧拉研究了如下积分

B(m,n)=∫10xm−1(1−x)n−1dx

这个函数现在称为Beta 函数。如果Gamma 函数的定义选取满足 Γ(n)=(n−1)!, 那么有

B(m,n)=Γ(m)Γ(n)Γ(m+n)

非常漂亮的对称形式。可是如果选取Γ(n)=n! 的定义，令

E(m,n)=∫10xm(1−x)ndx

则有

E(m,n)=Γ(m)Γ(n)Γ(m+n+1)

这个形式显然不如 B(m,n)优美，而数学家总是很在乎数学公式的美感的。

要了解更多的 Gamma 函数的历史，推荐阅读

• Philip J. Davis, Leonhard Euler’s Integral: A Historical Profile of the Gamma Function
• Jacques Dutka, The Early History of the Factorial Function
• Detlef Gronnau, Why is the gamma function so as it is?

原文来源:	http://www.52nlp.cn/lda-math-神奇的gamma函数(1)
作  者:	rickjin(靳志辉“Ÿ)
校  对: