这是我的第一篇文章

Γ(x)=0tx1etdt\Gamma(x)=\int_{0}^{\infty}t^{x-1}e^{-t}dt

被定义为Gamma函数

Gamma函数的几种形式
做代换t=r2t=r^2,得

Γ(x)=2r2x1er2dr\Gamma(x)=2\int r^{2x-1}e^{-r^2}dr

而由分部积分公式

0tx1etdt=(ettx10(x1)0tx2etdt)=(x1)0tx2etdt \int_{0}^{\infty}t^{x-1}e^{-t}dt =-(e^{-t}t^{x-1}\bigg|_{0}^{\infty}-(x-1)\int_{0}^{\infty}t^{x-2}e^{-t}dt)=(x-1)\int_{0}^{\infty}t^{x-2}e^{-t}dt

Γ(x)=(x1)Γ(x1)\Gamma(x)=(x-1)\Gamma(x-1)

那我们可以得到n为正整数时

Γ(n)=(n1)!\Gamma(n)=(n-1)!

Beta函数是由两个参变量p,q所决定得瑕积分定义的函数

B(p,q)=01xp1(1x)q1dxB(p,q)=\int_{0}^{1}x^{p-1}(1-x)^{q-1}dx

Beta函数有以下性质

B(p,q)=B(q,p)B(p,q)=B(q,p)

B(p,q)=p1p+q1B(p1,q)B(p,q)=\frac{p-1}{p+q-1}B(p-1,q)

第一个等式是明显的,对于第二个等式,利用分部积分公式我们有

B(p,q)=B(q,p)=1qxq(1x)p101+p1qxq(1x)p2dx=p1q(B(q,p1)B(q,p))B(p,q)=B(q,p)=\frac{1}{q}x^q(1-x)^{p-1}\bigg|_{0}^{1}+\frac{p-1}{q}\int x^q(1-x)^{p-2}dx\\ =\frac{p-1}{q}(B(q,p-1)-B(q,p))

则命题得证!

B函数的其他形式
做代换x=sin2θx=sin^2\theta,有

B(p,q)=20π2cos2p1θsin2q1θdθB(p,q)=2\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\cos^{2p-1}\theta\sin^{2q-1}\theta d\theta

做代换x=t1+tx=\frac{t}{1+t},有

B(p,q)=0xq1(1+x)p+qdxB(p,q)=\int_{0}^{\infty}\frac{x^{q-1}}{(1+x)^{p+q}}dx

Gamma函数和Beta函数之间的关系,我们有下面的等式成立

B(p,q)=Γ(p)Γ(q)Γ(p+q)B(p,q)=\frac{\Gamma(p)\Gamma(q)}{\Gamma(p+q)}

等式的证明

Γ(p)Γ(q)=4Dx2p1y2q1ex2y2dxdy\Gamma(p)\Gamma(q)=4\int_{D}x^{2p-1}y^{2q-1}e^{-x^2-y^2}dxdy

其中D=((x,y):0x<,0y<)D={((x,y):0\le x < \infty,0\le y < \infty)}
利用极坐标代换x=rcosθ,y=rsinθx=r\cos\theta,y=r\sin\theta

Γ(p)Γ(q)=4D1r2p+2q1er2cos2p1θsin2q1θdθdr=(20π2cos2p1θsin2q1θdθ)(20r2p+2q1er2dr)=B(p,q)Γ(p+q)\Gamma(p)\Gamma(q)=4\int_{D_{1}}r^{2p+2q-1}e^{-r^2}\cos^{2p-1}\theta\sin^{2q-1}\theta d\theta dr \\=(2\int_0^{\frac{\pi}{2}}\cos^{2p-1}\theta\sin^{2q-1}\theta d\theta)(2\int_{0}^{\infty}r^{2p+2q-1}e^{-r^2}dr) \\=B(p,q)\Gamma(p+q)

则命题得证

余元公式

B(p,1p)=Γ(p)Γ(1p)=πsinπB(p,1-p)=\Gamma(p)\Gamma(1-p)=\frac{\pi}{\sin\pi}

证明如下
考虑围道积分
f57c26def25445fe03fc13b2e0db28e
我们有

C=Cϵ+CR+ϵRxp11+xdx+Rϵ(xe2πi)p11+xdx\oint_{C}=\oint_{C_{\epsilon}}+\oint_{C_R}+\int_{\epsilon}^{R}\frac{x^{p-1}}{1+x}dx+\int_{R}^{\epsilon}\frac{(xe^{2\pi i})^{p-1}}{1+x}dx

ϵ0,R\epsilon\rightarrow0,R\rightarrow\infty

Cϵxp11+xdxmaxCϵxp11+x2πCRxp11+xdxmaxCRxp11+x2π \oint_{C_{\epsilon}}\frac{x^{p-1}}{1+x}dx\le\max_{C_{\epsilon}}|\frac{x^{p-1}}{1+x}|2\pi\\ \oint_{C_{R}}\frac{x^{p-1}}{1+x}dx\le\max_{C_{R}}|\frac{x^{p-1}}{1+x}|2\pi

Cϵ=CR=0\oint_{C_{\epsilon}}=\oint_{C_R}=0

由留数定理知

C=2πiRes(zx11+z,1) \oint_{C}=2\pi iRes(\frac{z^{x-1}}{1+z},-1)

由上式得

0xs1+xdx=πsinpπ \int_{0}^{\infty}\frac{x^s}{1+x}dx=\frac{\pi}{\sin p\pi}