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 如下:

该函数也称为 函数 .

关于双 Gamma 函数, 有如下基本性质:

  1. 利用 得到
  1. , 则

证明 利用 (i) 可得

从而

另一方面, 由于 单调增加, 所以当 时,

由此得到

结合 (10.4) 式知 (10.6) 式对所有 成立. 于是, 在 (10.5) 式中令 即得 (10.3) 式.

  1. 对 (10.3) 式关于 求导即得
  1. 对 (10.7) 式求导得
  1. 对余元公式两边取对数后求导可得
  1. 利用

直接得到: 当 时, 成立

  1. 可以由上述性质和 (其中 为 Euler 常数)得到 等点的值. 例如 .

多重对数函数

对于 ,可引入多重对数函数

当 p = 2 时, 通过两边求导容易证明以下的 Euler 公式:

这是多重对数函数的余元公式.

证明

例 10.1

例 10.1

,则

例 10.2

例 10.2

,则

例 10.3

例 10.3

,则

特别地,

例 10.4

例 10.4

证明:

证明 法 I 我们有

另一方面, 因为 是凸函数, 可得

特别地,

因此,

在上式中令 即得 .

法II

法III

例 10.5

例 10.5

计算

法 I 利用双 Gamma 函数, 由 (10.3) 式立即得到

法II

例 10.6

例 10.6

, 计算

利用双 Gamma 函数, 有

例 10.7

例 10.7

,计算

注 10.1 ^zhu-10-1 另一方面,

因此

例 10.8

例 10.8

, 计算

可以由例 10.7 的结果作如下猜想:

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 ,有

利用连续性, 上式对于 也成立. 利用 (实) 解析性, 可以说明上式对所有 成立 (详细讨论请见 [10]).

例 10.9

例 10.9

对于 ,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

例 10.10

对于 , 有

例 10.11

例 10.11

计算

易见

法I

法II 利用

我们有

例 10.12

例 10.12

计算

例 10.13

例 10.13

计算

法 I

另一方面,对

求导两次得到 . 所以

法II