Gamma函數(shù)推導(dǎo)

一虐唠、Wallis公式

\lim_{n\to+\infty}\frac{1}{ 2n+1 }(\frac{ (2n)!! }{ (2n-1)!! })^{2}=\frac{ \pi }{2} \\ \lim_{n\to+\infty}\frac{1}{ 2n+1 }(\frac{ 2^{2n}(n!)^2 }{ (2n)! })^{2}=\frac{ \pi }{2} \\ \frac{ (2n)!! }{ (2n-1)!! }\sim\sqrt{ \pi n } \\ \frac{ (2n)!!(2n-2)!! }{ ((2n-1)!!)^2 }\sim\frac{ \pi }{2} \\ \frac{ 2\cdot4 }{ 3\cdot3 } \cdot \frac{ 4\cdot6 }{ 5\cdot5 }\cdot \frac{ 6\cdot8 }{ 7\cdot7 } \cdot \frac{ 8\cdot10 }{ 9\cdot9 } \cdots = \frac{ \pi }{4}
通常根據(jù)sin^n(x)的積分遞推性及其關(guān)于n的單調(diào)性應(yīng)用極限夾逼準(zhǔn)則推導(dǎo)出蓝晒。

I(n)=\int_{0}^{\pi}sin^{n}(x)dx
\begin{aligned} I(n) &=\int_{0}^{\pi}sin^{n}(x)dx \\ &=-\int_{0}^{\pi}sin^{n-1}(x)dcos(x) \\ &=-sin^{n-1}(x)cos(x)|_{0}^{\pi}+\int_{0}^{\pi}cos(x)dsin^{n-1}(x) \\ &=(n-1)\int_{0}^{\pi}cos^{2}(x)sin^{n-2}(x)dx \\ &=(n-1)(\int_{0}^{\pi}sin^{n-2}(x)dx-\int_{0}^{\pi}sin^{n}(x)dx) \\ &=(n-1)(I(n-2)-I(n)) \\ &=\frac{(n-1)}{n}I(n-2) \\ \end{aligned}
從而有\frac{I(n-2)}{I(n)}=\frac{n}{n-1},即
\frac{I(2n-2)}{I(2n)}=\frac{2n}{2n-1} \\ \frac{I(2n-1)}{I(2n+1)}=\frac{2n+1}{2n}
I(0)=\pi, I(1)=2
\begin{aligned} I(2n)&=\frac{(2n-1)!!}{(2n)!!}\pi \\ I(2n+1)&=\frac{2(2n)!!}{(2n+1)!! } \\ \end{aligned}
根據(jù)sin(x)的單調(diào)性sin^{2n+1}(x)\le{sin^{2n}(x)}\le{sin^{2n-1}(x)}可知
\frac{(2n)!!}{(2n+1)!!} \le \frac{(2n-1)!!}{(2n)!!}\frac{\pi}{2} \le \frac{(2n-2)!!}{(2n-1)!!}
整理為
1\le(2n+1)(\frac{(2n-1)!!}{(2n)!!})^{2}\frac{\pi}{2}\le{\frac{2n+1}{2n}}
由極限夾逼準(zhǔn)則可得出
\lim_{n\to+\infty}\frac{1}{2n+1}(\frac{(2n)!!}{(2n-1)!!})^{2}=\frac{\pi}{2}

二幻妓、(1+\frac{1}{n})^n的單調(diào)性

對于f(n) = (1 + \frac{ 1 }{ n })^{n+a}蹦误,
當(dāng)a \in (-\infty, \frac{ 1 }{ 2 })時,f為增函數(shù);
當(dāng)a \in [\frac{ 1 }{ 2 },\infty)時强胰,f為減函數(shù)舱沧。

  1. 不等式法
    a_n=(1+\frac{1}{n})^nb_n=(1+\frac{1}{n})^{n+1}偶洋,利用均值不等式(a_1 a_2 ... a_n)^{\frac{1}{n}}\le\frac{a_1+a_2+...+a_n}{n}可得:
    \begin{aligned} a_n&=(1+\frac{1}{n})^n\cdot1 \le (\frac{n(1+\frac{1}{n})+1}{n+1})^{n+1}=a_{n+1} \\ \frac{1}{b_n}&=(\frac{n}{n+1})^{n+1}\cdot1\le(\frac{n+1}{n+2})^{n+2}=\frac{1}{b_{n+1}} \end{aligned}
    因而熟吏,a_n=(1+\frac{1}{n})^n單調(diào)遞增,b_n=(1+\frac{1}{n})^{n+1}單調(diào)遞減涡真;又2 \le a_n \le b_n \le 4a_n分俯,b_n均有極限,取對數(shù)后用L'Hospital法則可得極限為e哆料。
  2. 函數(shù)法
    還可以用f(x)=(x+a)\ln(1+\frac{1}{x})的導(dǎo)數(shù)來判斷單調(diào)性:
    \begin{split} f'(x)&=\ln(1+\frac{1}{x})-\frac{1}{1+x}-a(\frac{1}{x}-\frac{1}{1+x}) \\ f''(x)&=\frac{(2a-1)x+a}{x^2(1+x)^2} \end{split}
    當(dāng)f''>0f'為增函數(shù)缸剪,由\lim_{x\to\infty}f'=0f'<0,即f為減函數(shù)东亦;反之杏节,當(dāng)f''<0時,f為增函數(shù)典阵。
    當(dāng)a\in (-\infty,\frac{1}{2})時奋渔,f''<0f為增函數(shù)壮啊;當(dāng)a\in[\frac{1}{2},\infty)時嫉鲸,f''>0f為減函數(shù)歹啼。

三玄渗、Stirling公式

n!=\sqrt{2 \pi n}(\frac{n}{e})^n
直接帶入Wallis公式即可驗證。以下為啟發(fā)式尋找方法狸眼。

尋找n!的漸進(jìn)等式藤树,即尋找滿足條件\lim_{ n \to +\infty }\frac{ n! }{ a_n } = 1的數(shù)列{a_n}

  1. 當(dāng)a_n=n^n時拓萌,\lim_{n\to+\infty}\frac{n!}{a_n}=0岁钓,a_n過大;

  2. 當(dāng)a_n=(\frac{n}{2})^n時微王,令b_n=\frac{n!}{(\frac{n}{2})^n}屡限,則由
    \lim_{n\to+\infty}\frac{b_{n+1}}{b_n}=\lim_{n\to+\infty}\frac{2}{(1+\frac{1}{n})^n}=\frac{2}{e}<1 \tag{2.1}知級數(shù)\sum{b_n}收斂,從而\lim_{n\to\infty}b_n=0炕倘,a_n過大钧大;

  3. 受(2.1)式啟發(fā),令a_n = (\frac{n}{e})^n激才,b_n=\frac{n!}{(\frac{n}{e})^n},利用(1+\frac{1}{n})^n單調(diào)遞增趨于e的結(jié)論,可得
    \frac{b_{n+1}}{b_n}=\frac{e}{(1+\frac{1}{n})^n}>1{b_n}嚴(yán)格單調(diào)遞增瘸恼,\lim_{n\to\infty}b_n=\infty劣挫,a_n過小东帅;

  4. a_n=n(\frac{n}{e})^n压固,b_n=\frac{n!}{ n(\frac{n}{e})^n },利用(1+\frac{1}{n})^{n+1}單調(diào)遞減趨于e的結(jié)論靠闭,可得
    \frac{b_{n+1}}{b_n}= \frac{e}{(1+\frac{1}{n})^{n+1}}< 1正項級數(shù)單調(diào)遞減帐我,b_n極限存在。將數(shù)列整理為n!=b_nn^{n+1}e^{-n}愧膀,帶入Wallis公式:\lim_{n\to+\infty}\frac{2^{2n}(n!)^2}{(2n)!\sqrt{n}} =\lim_{n\to+\infty}\frac{2^{2n}b_n^2n^{2n+2}e^{-2n}}{b_{2n}(2n)^{2n+1}e^{-2n}\sqrt{n}} =\lim_{n\to+\infty}\frac{b_n^2\sqrt{n}}{b_{2n}2} =\sqrt{ \pi } \tag{4.1}
    此時b_n極限不能為大于0的常數(shù)拦键,否則上式無法成立¢萘埽可知芬为,\lim_{n\to\infty}b_n=0a_n過大蟀悦;

  5. 由(4.1)式中有\sqrt{n}媚朦,調(diào)整a_n = \sqrt{n}(\frac{n}{e})^nb_n = \frac{n!}{\sqrt{n}(\frac{n}{e})^n}日戈,
    驗證單調(diào)性:\frac{b_{n+1}}{b_n} = \frac{e}{(1+\frac{1}{n})^{n+1}}(1+\frac{1}{n})^{\frac{1}{2}}<1求取極限值:將數(shù)列整理為n! = b_nn^{n+\frac{1}{2}}e^{-n}询张,帶入Wallis公式:
    \begin{aligned} \lim_{n\to+\infty}\frac{2^{2n}(n!)^2}{(2n)!\sqrt{n}} = \lim_{n\to+\infty}\frac{b_n^2}{b_{2n} \sqrt{2} } = \sqrt{ \pi } \end{aligned}
    從而,\lim_{n\to+\infty}b_n= \sqrt{2\pi }浙炼。
    調(diào)整a_n= \sqrt{2 \pi n}(\frac{n}{e})^n后份氧,就能滿足條件\lim_{n\to+\infty}b_n=1,從而
    n! \sim \sqrt{2 \pi n} (\frac{n}{e}) ^n

第4鼓拧、5兩步也可以設(shè)a_n=n^x(\frac{n}{e})^n,x\in(0,1)半火,則b_n=\frac{ n! }{ n^x(\frac{ n }{ e })^n }
1.斂散性條件\frac{ b_{n+1} }{ b_n } = \frac{ e }{ ( 1+\frac{ 1 }{ n } )^{ n+x } } < 1滿足時,需x \in [\frac{1}{2},1)
2.帶入Wallis公式:\lim_{n\to+\infty}\frac{2^{2n}(n!)^2}{(2n)!\sqrt{n}} =\lim_{n\to+\infty}\frac{b_n^2 n^{ x-\frac{1}{2} } }{b_{2n} 2^{x} } =\sqrt{ \pi }從而x=\frac{1}{2}時季俩,b_n的極限為非零常數(shù)钮糖。

四、Euler常數(shù)

\gamma=\lim_{n \to \infty}(\sum_{k=1}^{n}{\frac{1}{k}}-\ln(n))= \int_{1}^{\infty}(\frac{1}{\lfloor x \rfloor}-\frac{1}{x})dx

  1. 級數(shù)\sum_{k=1}^{\infty}{\frac{1}{k}}發(fā)散酌住,因為S_i= \sum_{2^{i-1}}^{2^i-1}{\frac{1}{k}}\ge\frac{1}{2}店归,由比較判別法可證得。
  2. 積分縮放法可得\int_1^{n+1}\frac{1}{x}dx<\sum_{k=1}^{n}{\frac{1}{k}}<1+\int_1^{n}\frac{1}{x}dx酪我,得0<\gamma<1

或由(1+\frac{1}{n})^n < e < (1+\frac{1}{n})^{n+1}得到基本不等式\frac{1}{n+1}<\ln(\frac{n+1}{n})<\frac{1}{n}消痛,得\sum_{k=1}^{n}{\frac{1}{k}}-\ln(n)>\sum_{k=1}^{n}\ln{\frac{k+1}{k}}-\ln(n)=\ln(n+1)-\ln(n)>0,也可得到有下界的結(jié)論都哭。

  1. \gamma_{n+1}-\gamma_n=\frac{1}{n+1}-\ln(\frac{n+1}{n})<0秩伞,單調(diào)遞減逞带。
    從而極限存在。

在分析算法復(fù)雜度時常會用到O(\sum_{k=1}^{n}\frac{n}{k}) \sim O(n\ln(n))

五纱新、Gamma函數(shù)

階乘在實數(shù)集上的延拓
\Gamma(x)=\int_0^{\infty}t^{x-1}e^{-t}dt

  1. Eular的推導(dǎo)方法
  1. 首先發(fā)現(xiàn)了式子
    \lim{S_n}=\Bigl[\Bigl(\frac{2}{1}\Bigr)^n\frac{1}{n+1}\Bigr] \Bigl[\Bigl(\frac{3}{2}\Bigr)^n\frac{2}{n+2}\Bigr] \Bigl[\Bigl(\frac{4}{3}\Bigr)^n\frac{3}{n+3}\Bigr] \cdots = n! \tag{1.1}
    證明如下:
    \begin{align} \lim{S_n}=& \frac{1\cdot 2\cdot 3 \cdots m}{(1+n)(2+n)\cdots (m+n)}(m+1)^{n} \\ = & 1\cdot 2\cdot 3 \cdots n \cdot \frac{(n+1)(n+2)\cdots m}{(1+n)(2+n)\cdots m } \cdot \frac{(m+1)^{n}}{(m+1)(m+2)\cdots (m+n)} \\ = & n! \frac{(m+1)^{n}}{(m+1)(m+2)\cdots (m+n)} \\ = & n!\prod_{k=1}^{n} \frac{m+1}{m+k} \rightarrow n! \qquad (m\rightarrow \infty) \end{align}
  2. 帶入n=\frac{1}{2}觀察
    \frac{1}{2} ! = \sqrt{\frac{ 2\cdot4 }{ 3\cdot3 } \cdot \frac{ 4\cdot6 }{ 5\cdot5 }\cdot \frac{ 6\cdot8 }{ 7\cdot7 } \cdot \frac{ 8\cdot10 }{ 9\cdot9 } \cdots }= \frac{ \sqrt{ \pi } }{2}
    其中使用了Wallis公式:\frac{2\cdot4}{3\cdot3} \cdot \frac{4\cdot6}{5\cdot5}\cdot \frac{6\cdot8}{7\cdot7} \cdot \frac{8\cdot10}{9\cdot9} \cdots = \frac{\pi}{4}
    因為Wallis公式處理了\int_0^1x^\frac{1}{2} (1-x)^\frac{1}{2}dx展氓。
  3. 處理積分式:J(e,n) = \int_0^1 x^e(1-x)^ndx
    由分部積分,得
    J(e,n) = \frac{n}{e+1}J(e+1,n-1)=\frac{1\cdot2\cdots n}{(e+1)(e+2)\cdots(e+n+1)}
    整理為:n! = (e+1)(e+2)\cdots(e+n+1)\int_0^1 x^e(1-x)^ndx
    由于e具有任意性脸爱,令e=\frac{f}{g},f\to1,g\to0遇汞,且令x=t^{\frac{g}{f+g}}dx=\frac{g}{f+g}t^{-\frac{f}{f+g}}dt簿废,帶入上式
    \begin{split} n! &= \frac{(f+g)(f+2g)\cdots(f+(n+1)g)}{g^{n+1}}\int_0^1 x^\frac{f}{g}(1-x)^ndx \\ &= \frac{(f+g)(f+2g)\cdots(f+(n+1)g)}{g^{n+1}}\int_0^1 (1-t^{\frac{g}{f+g}})^n\frac{g}{f+g}dt \\ &= \frac{(f+g)(f+2g)\cdots(f+(n+1)g)}{(f+g)^{n+1}}\int_0^1 (\frac{1-t^{\frac{g}{f+g}}}{g/(f+g)})^ndt \end{split}
    對式子\lim_{x\to0}{S}=\frac{1-t^x}{x}使用L'Hospital法則空入,得:\lim_{x\to0}{S}=\lim_{x\to0}-t^x\ln{t}=-\ln{t}
    從而有n!=\int_0^1(-lnx)^ndx
    做變化t=e^{-u}得到n! = \int_0^{\infty} u^ne^{-u}du族檬,即:
    \Gamma(x) = \int_0^1 (-\ln t)^{x-1}dt = \int_0^{\infty} t^{x-1}e^{-t}dt
  1. Gamma分布
    \int_0^{\infty}\frac{t^{\alpha-1}e^{-t}}{\Gamma(\alpha)}dt=1可定義Gamma分布為:
    Gamma(t|\alpha)=\frac{t^{\alpha-1}e^{-t}}{\Gamma(\alpha)}
    t=\beta x歪赢,得
    Gamma(x|\alpha,\beta)=\frac{\beta^{\alpha} x^{\alpha-1}e^{-\beta x}}{\Gamma(\alpha)}

3、基本性質(zhì)

  • 類似Stirling公式:\Gamma(x) \sim \sqrt{2\pi }e^{-x}x^{x-\frac{1}{2}}

六导梆、Poisson-Gamma duality

  • Poisson分布:Poisson(X=k|\lambda)= \frac{\lambda^k e^{-\lambda}}{k!}
  • Gamma分布:Gamma(x=\lambda|\alpha=k+1)= \frac{\lambda^{k}e^{-\lambda}} {\Gamma(k+1)}=\frac{\lambda^k e^{-\lambda}}{k!}轨淌,可看做Poisson分布在實數(shù)集上的延拓
  • Binomial分布:B(k|n,p)=\binom{n}{k}p^k(1-p)^{n-k} \rightarrow Poisson(X=k|np=\lambda)
  • Beta分布:Beta(x|\alpha,\beta) = \frac{\Gamma(\alpha+\beta)}{\Gamma(\alpha)\Gamma(\beta)}x^{\alpha-1}(1-x)^{\beta-1},均勻分布的順序統(tǒng)計量X_k服從Beta(x|k,n-k+1)
  • Poisson-Gamma duality性質(zhì):Poisson(X\le k|\lambda)=\int_{\lambda}^{\infty}Gamma(x|\alpha=k+1)dx

考慮B(n,p)分布下成功的次數(shù)不超過k次的概率看尼,等價于順序統(tǒng)計量X_{k+1}不成功的總概率递鹉,即
B(X \le k|n,p) = \int_{p}^{1}Beta(t|k+1,n-k)dt = \frac{n!}{k!(n-k-1)!} \int_p^1 t^k(1-t)^{n-k-1} dt \tag{5.3.1}
由于Binomial分布的極限形式為Poisson分布,Gamma分布又與Poisson分布相關(guān)藏斩,故而令t=\frac{\lambda}{n}躏结,帶入上式
\begin{split} B(X \le k|n,p) &= \frac{ (n-1)! }{ k!(n-k-1)! } \int_{np}^{n} \Big(\frac{ \lambda }{n}\Big)^k\Big(1-\frac{\lambda}{n}\Big)^{n-k-1} d\lambda \\ &=\int_{np}^{n}B(k|n-1,\frac{\lambda}{n})d\lambda \end{split}
np=\lambda, n\to\infty條件下,得到
\begin{split} Poisson(X\le k|\lambda)&=\int_{\lambda}^{\infty}Poisson(k|x)dx \\ &=\int_{\lambda}^{\infty}Gamma(x|\alpha=k+1)dx \\ &= \int_{\lambda}^{\infty}\frac{x^ke^{-x}}{k!}dx \end{split}
\lambda\to01= \int_{0}^{\infty}\frac{x^ke^{-x}}{k!}dx狰域,即k!= \int_{0}^{\infty}x^ke^{-x}dx
又得到了Gamma函數(shù)媳拴。可見由Poisson-Gamma duality性質(zhì)可以更容易推到出Gamma函數(shù)兆览。

latex公式查詢

Latex手寫符號識別
Latex符號文檔

參考文章

  1. LDA-math - 神奇的 Gamma 函數(shù)
  2. Philip J. Davis屈溉,Leonhard Euler’s Integral: A Historical Profile of the Gamma Function
  3. 揭秘Stirling公式
  4. Expectation of Geometric Distribution
  5. Variance of Geometric Distribution
  6. Expectation of Binomial Distribution
  7. Variance of Binomial Distribution
  8. Binomial Distribution Approximated by Poisson Distribution
  9. LDA-math - 認(rèn)識 Beta/Dirichlet 分布
  10. Derivative of Gamma Function at 1
最后編輯于
?著作權(quán)歸作者所有,轉(zhuǎn)載或內(nèi)容合作請聯(lián)系作者
  • 序言:七十年代末,一起剝皮案震驚了整個濱河市抬探,隨后出現(xiàn)的幾起案子子巾,更是在濱河造成了極大的恐慌,老刑警劉巖小压,帶你破解...
    沈念sama閱讀 217,826評論 6 506
  • 序言:濱河連續(xù)發(fā)生了三起死亡事件线梗,死亡現(xiàn)場離奇詭異,居然都是意外死亡怠益,警方通過查閱死者的電腦和手機仪搔,發(fā)現(xiàn)死者居然都...
    沈念sama閱讀 92,968評論 3 395
  • 文/潘曉璐 我一進(jìn)店門,熙熙樓的掌柜王于貴愁眉苦臉地迎上來蜻牢,“玉大人烤咧,你說我怎么就攤上這事偏陪。” “怎么了煮嫌?”我有些...
    開封第一講書人閱讀 164,234評論 0 354
  • 文/不壞的土叔 我叫張陵竹挡,是天一觀的道長。 經(jīng)常有香客問我立膛,道長,這世上最難降的妖魔是什么梯码? 我笑而不...
    開封第一講書人閱讀 58,562評論 1 293
  • 正文 為了忘掉前任宝泵,我火速辦了婚禮,結(jié)果婚禮上轩娶,老公的妹妹穿的比我還像新娘儿奶。我一直安慰自己,他們只是感情好鳄抒,可當(dāng)我...
    茶點故事閱讀 67,611評論 6 392
  • 文/花漫 我一把揭開白布闯捎。 她就那樣靜靜地躺著,像睡著了一般许溅。 火紅的嫁衣襯著肌膚如雪瓤鼻。 梳的紋絲不亂的頭發(fā)上,一...
    開封第一講書人閱讀 51,482評論 1 302
  • 那天贤重,我揣著相機與錄音茬祷,去河邊找鬼。 笑死并蝗,一個胖子當(dāng)著我的面吹牛祭犯,可吹牛的內(nèi)容都是我干的。 我是一名探鬼主播滚停,決...
    沈念sama閱讀 40,271評論 3 418
  • 文/蒼蘭香墨 我猛地睜開眼沃粗,長吁一口氣:“原來是場噩夢啊……” “哼!你這毒婦竟也來了键畴?” 一聲冷哼從身側(cè)響起最盅,我...
    開封第一講書人閱讀 39,166評論 0 276
  • 序言:老撾萬榮一對情侶失蹤,失蹤者是張志新(化名)和其女友劉穎镰吵,沒想到半個月后檩禾,有當(dāng)?shù)厝嗽跇淞掷锇l(fā)現(xiàn)了一具尸體,經(jīng)...
    沈念sama閱讀 45,608評論 1 314
  • 正文 獨居荒郊野嶺守林人離奇死亡疤祭,尸身上長有42處帶血的膿包…… 初始之章·張勛 以下內(nèi)容為張勛視角 年9月15日...
    茶點故事閱讀 37,814評論 3 336
  • 正文 我和宋清朗相戀三年盼产,在試婚紗的時候發(fā)現(xiàn)自己被綠了。 大學(xué)時的朋友給我發(fā)了我未婚夫和他白月光在一起吃飯的照片勺馆。...
    茶點故事閱讀 39,926評論 1 348
  • 序言:一個原本活蹦亂跳的男人離奇死亡戏售,死狀恐怖侨核,靈堂內(nèi)的尸體忽然破棺而出,到底是詐尸還是另有隱情灌灾,我是刑警寧澤搓译,帶...
    沈念sama閱讀 35,644評論 5 346
  • 正文 年R本政府宣布,位于F島的核電站锋喜,受9級特大地震影響些己,放射性物質(zhì)發(fā)生泄漏。R本人自食惡果不足惜嘿般,卻給世界環(huán)境...
    茶點故事閱讀 41,249評論 3 329
  • 文/蒙蒙 一段标、第九天 我趴在偏房一處隱蔽的房頂上張望。 院中可真熱鬧炉奴,春花似錦逼庞、人聲如沸。這莊子的主人今日做“春日...
    開封第一講書人閱讀 31,866評論 0 22
  • 文/蒼蘭香墨 我抬頭看了看天上的太陽。三九已至砸逊,卻和暖如春璧南,著一層夾襖步出監(jiān)牢的瞬間,已是汗流浹背师逸。 一陣腳步聲響...
    開封第一講書人閱讀 32,991評論 1 269
  • 我被黑心中介騙來泰國打工穆咐, 沒想到剛下飛機就差點兒被人妖公主榨干…… 1. 我叫王不留,地道東北人字旭。 一個月前我還...
    沈念sama閱讀 48,063評論 3 370
  • 正文 我出身青樓对湃,卻偏偏與公主長得像,于是被迫代替她去往敵國和親遗淳。 傳聞我的和親對象是個殘疾皇子拍柒,可洞房花燭夜當(dāng)晚...
    茶點故事閱讀 44,871評論 2 354

推薦閱讀更多精彩內(nèi)容