10-Euler 积分
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正文部分
Euler 积分在一些定积分的计算中十分有用. 除了 Beta (贝塔) 函数和 Gamma (伽马) 函数, 让我们对所谓双 Gamma 函数和多重对数函数加以一定关注.
双 Gamma 函数
定义双 Gamma 函数 ψ 如下:
ψ(x):=(lnΓ(x))′,∀x>0.(10.1)
该函数也称为 ψ 函数 (1) .
关于双 Gamma 函数, 有如下基本性质:
- 利用 Γ(x+1)=xΓ(x) 得到
ψ(x+1)=ψ(x)+x1,x>0.(10.2)
- 设 x,y>0 , 则
ψ(x)−ψ(y)=k=0∑∞(y+k1−x+k1).(10.3)
证明
利用 (i) 可得
ψ(x+1)=x1+ψ(x),∀x>0.(10.4)
从而 ∀n⩾1,
ψ(x)−ψ(y)=ψ(x+1)−ψ(y+1)−(x1−y1)=…=ψ(x+n)−ψ(y+n)−k=0∑n−1(x+k1−y+k1).(10.5)
另一方面, 由于 ψ 单调增加, 所以当 y⩽x⩽y+1 时,
0⩽ψ(x+n)−ψ(y+n)=x+n−11+ψ(x+n−1)−ψ(y+n)⩽x+n−11,∀n⩾1.
由此得到
n→+∞lim[ψ(x+n)−ψ(y+n)]=0.(10.6)
结合 (10.4) 式知 (10.6) 式对所有 x,y>0 成立. 于是, 在 (10.5) 式中令 n→+∞ 即得 (10.3) 式.
- 对 (10.3) 式关于 x 求导即得
ψ′(x)=n=0∑∞(n+x)21,x>0.(10.7)
- 对 (10.7) 式求导得
ψ′′(x)=−n=0∑∞(n+x)32,x>0.(10.8)
- 对余元公式两边取对数后求导可得
ψ(x)−ψ(1−x)=−πcotπx,∀x∈(0,1).(10.9)
- 利用
Γ(x)Γ(x+k1)…Γ(x+kk−1)=(2π)2k−1k21−kxΓ(kx)(10.10)
直接得到: 当 k⩾2 时, 成立
j=0∑k−1ψ(x+kj)=k(ψ(kx)−lnk),∀x>0.(10.11)
- 可以由上述性质和 Γ′(1)=−γ(其中 γ:=limn→+∞(∑k=1nk1−lnn) 为 Euler 常数)得到 ψ 在 21,31,32,41,43,61,65 等点的值. 例如 ψ(21)=−2ln2−γ .
多重对数函数
对于 p>1 ,可引入多重对数函数
Lip(x):=n=1∑∞npxn,∣x∣⩽1.
当 p = 2 时, 通过两边求导容易证明以下的 Euler 公式:
Li2(x)+Li2(1−x)=6π2−lnxln(1−x),x∈(0,1).(10.12)
这是多重对数函数的余元公式.
证明
Li2(x)+Li2(1−x)=Li2(0)+Li2(1)+∫0x[Li2(t)+Li2(1−t)]′dt
=6π2+∫0xn=1∑+∞[ntn−1−n(1−t)n−1]dx
=6π2+∫0x(−tln(1−t)+1−tlnt)dt
=6π2−[lntln(1−t)]0x
=6π2−lnxln(1−x),x∈(0,1).
例 10.1
设 p>−1,q>−1 ,则
∫02πsinpxcosqxdx=∫01tp(1−t2)2q−1dt=21∫01s2p−1(1−s)2q−1ds=21Γ(2p+q+1)Γ(2p+1)Γ(2q+1).=21B(2p+1,2q+1)
例 10.2
设 p,q,r>0,qr>p+1 ,则
∫0+∞(1+xq)rxpdx=∫10(t1−1)qptr[−q1(t1−1)q1−1t21]dt
=q1∫01(t1−1)qp+1−1tr−2dt
=q1∫01(1−t)qp+1−1tr−1−qp+1dt=q1B(qp+1,r−qp+1)=qΓ(r)Γ(qp+1)Γ(r−qp+1).
例 10.3
设 a,b∈R,p>0,q>0 ,则
∫ab(b−x)p−1(x−a)q−1dx=(b−a)p+q−1∫01(1−t)p−1tq−1dt(作变量代换x=a+t(b−a))=(b−a)p+q−1B(p,q).
特别地,
∫−11(1−x)p−1(1+x)q−1dx=2p+q−1B(p,q).
例 10.4
证明
法 I 我们有
Γ′(1)=ψ(1)=ψ(n+1)−k=1∑nk1,∀n⩾1.
另一方面, 因为 lnΓ 是凸函数, 可得
ψ(x)⩽lnΓ(x+1)−lnΓ(x)⩽ψ(x+1),∀x>0.
特别地,
lnn⩽ψ(n+1)⩽ln(n+1),∀n⩾1.
因此,
lnn−k=1∑nk1⩽Γ′(1)⩽ln(n+1)−k=1∑nk1,∀n⩾1.
在上式中令 n→+∞ 即得 Γ′(1)=−γ .
法II
γ=n→+∞lim(11+21+⋯+n1−lnn)
=n→+∞lim(k=1∑n∫01xk−1dx−∫1nx1dx)=n→+∞lim(∫011−x1−xndx−∫1nx1dx)=n→+∞lim[∫0nt1−(1−nt)ndt−∫1nx1dx]=n→+∞lim[∫01x1−(1−nx)ndx−∫1nx(1−nx)ndx]=∫01x1−e−xdx−∫1+∞xe−xdx=−∫0+∞e−xlnxdx=−Γ′(1).
法III
γ=n=1∑+∞[n1−ln(1+n1)]=n=1∑+∞∫01n(n+x)xdx
=n=1∑+∞∫01dx∫01nxtn+x−1dt=−∫01dx∫01xtx−1ln(1−t)dt
=−∫01x∂y∂B(x,y)y=1dx=−∫01x∂y∂Γ(x+y)Γ(x)Γ(y)y=1dx
=−∫01[Γ′(1)−Γ(x+1)Γ′(x+1)]dx=−Γ′(1)+lnΓ(x+1)x=01
=−Γ′(1).
例 10.5
解
法 I 利用双 Gamma 函数, 由 (10.3) 式立即得到
n=1∑∞n(n+α)1=α1n=1∑∞(n1−n+α1)=α1[ψ(1+α)−ψ(1)].
法II
n=1∑∞n(n+α)1=n=1∑∞∫01ntn+α−1dt=−∫01tα−1ln(1−t)dt
=−[∂y∂∫01tα−1(1−t)y−1dt]y=1=−∂y∂B(α,y)y=1=−∂y∂Γ(α+y)Γ(α)Γ(y)y=1=−αΓ′(1)+αΓ(α+1)Γ′(α+1).
例 10.6
设 0<α<1 , 计算
n=1∑∞n(n−α)1
解
利用双 Gamma 函数, 有
n=1∑∞n(n−α)1=α1n=1∑∞(n−α1−n1)=α1[ψ(1)−ψ(1−α)].
例 10.7
设 0<α<1 ,计算
n=1∑∞n2−α21
解
n=1∑∞n2−α21=2α1n=1∑∞(n−α1−n+α1)
=2α1[ψ(1+α)−ψ(1−α)]=2α1[α1+ψ(α)−ψ(1−α)]=2α21+2α1dαdln[Γ(α)Γ(1−α)]=2α21−2απcot(απ).
注 10.1 ^zhu-10-1
另一方面,
n=1∑∞n2−α21=n=1∑∞n21k=1∑∞n2(k−1)α2(k−1)=k=1∑∞n=1∑∞n2kα2(k−1)=k=1∑∞ζ(2k)α2(k−1).
因此
απcot(απ)=1−2k=1∑∞ζ(2k)α2k,∣α∣<1.(10.13)
例 10.8
设 0<α⩽1 , 计算
n=1∑∞n2+α21
解
可以由例 10.7 的结果作如下猜想:
n=1∑∞n2+α21=2(iα)21−2iαsin(iαπ)πcos(iαπ)=−2α21+2αtanh(απ)π.
由解析函数理论即可直接得到上述结果, 在实数范围内则可作如下解答:
对于 0<α<1 ,有
n=1∑∞n2+α21=n=1∑∞n21k=1∑∞n2(k−1)(−1)k−1α2(k−1)=k=1∑∞n=1∑∞n2k(−1)k−1α2(k−1)=k=1∑∞(−1)k−1ζ(2k)α2(k−1)=2απ[coth(απ)−απ1]=−2α21+2απcoth(απ).
利用连续性, 上式对于 α=1 也成立. 利用 (实) 解析性, 可以说明上式对所有 α>0 成立 (详细讨论请见 [10]).
例 10.9
对于 α>−1 ,有
\begin{aligned}
\int_ {0} ^ {1} \frac {x ^ {\alpha} - 1}{1 - x} \mathrm{d} x &= \int_ {0} ^ {1} \sum_ {n \\[6pt]
&= 0} ^ {\infty} (x ^ {\alpha} - 1) x ^ {n} \mathrm{d} x \\[6pt]
&= \sum_ {n = 0} ^ {\infty} \left(\frac {1}{n + 1 + \alpha} - \frac {1}{n + 1}\right) \\[6pt]
&= \psi (1) - \psi (1 + \alpha).
\end{aligned}
例 10.10
对于 α>0 , 有
∫011−xxα−1lnxdx=dαd(∫011−xxα−1−1dx)=dαd[ψ(1)−ψ(α)]=−ψ′(α).
例 10.11
计算
I=∫02πxln(sinx)ln(cosx)dx.
解
易见
I=∫02πxln(sinx)ln(cosx)dx=4π∫02πln(sinx)ln(cosx)dx.
法I
I=4π∫011−t2lntln1−t2dt=32π∫01s1−slnsln(1−s)ds
=32π[∂α∂β∂2∫01s−21+α(1−s)−21+βds]α=0,β=0=32π[∂α∂β∂2Γ(1+α+β)Γ(21+α)Γ(21+β)]α=0,β=0=32πΓ2(21){[ψ(21)−ψ(1)]2−ψ′(1)}=32π2[(−2ln2)2−6π2]=8π2ln22−192π4.
法II
利用
ln(2sin2x)=−n=1∑∞ncosnx,∀x∈(0,2π).
我们有
I=8π∫02π{[ln(sinx)+ln(cosx)]2−ln2(sinx)−ln2(cosx)}dx
=8π∫02π[ln22sin2x−2ln2(sinx)]dx
=8π∫02π⎩⎨⎧[2ln2+n=1∑∞ncos(4nx)]2−2[ln2+n=1∑∞ncos(2nx)]2⎭⎬⎫dx
=8π(πln22−4πn=1∑∞n21)
=8π2ln22−192π4.
例 10.12
解
∫012−xlnx1dx=−∫0121n=1∑∞(2x)n−1lnxdx
=n=1∑∞2nn21=Li2(21)=12π2−21ln22.
例 10.13
法 I
∫0+∞x2−1lnxdx=∫1+∞x2−1lnxdx+∫01x2−1lnxdx=2∫01x2−1lnxdx=−∫012x(1−x)lnxdx=−21α→21limβ→0+lim∂α∂∫01xα−1(1−x)β−1dx=−21α→21limβ→0+lim∂α∂Γ(α+β)Γ(α)Γ(β)=−21α→21limβ→0+limΓ(α+β)Γ(α)Γ(β)[ψ(α)−ψ(β+α)]=−21α→21limβ→0+limβ1[ψ(α)−ψ(β+α)]=21ψ′(21).
另一方面,对
ln[Γ(21−s)Γ(21+s)]=lnsin(21−s)ππ,s∈(−21,21)
求导两次得到 ψ′(21)=2π2 . 所以
∫0+∞x2−1lnxdx=4π2.
法II
∫0+∞x2−1lnxdx=2∫01x2−1lnxdx
=−2∫01n=0∑∞x2nlnxdx=−2n=0∑∞∫01x2nlnxdx
=2n=0∑∞(2n+1)21=4π2.
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