在数理方程、概率论等学科经常遇到以下的含参变量的积分
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, ![]()
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它们依次为第一类和第二类欧拉(Euler 1707~1783 瑞士数学家)积分,或依次称为贝塔(Bata)函数和伽马(Gamma)函数,这一节主要讨论这两个函数的若干性质。
11.3.1 伽马函数![]()
显然,我们应首先考虑伽马函数
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(3.1)
的收敛问题。式(3.1)右端的积分不仅是一个无穷积分,而且当
时,
还是被积函数![]()
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的一个瑕点。为此我们把它拆成两个积分。
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和 ![]()
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注意到
是以
为瑕点的瑕积分,且注意到
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而
在
时是收敛的,所以![]()
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也收敛(
)。又因为![]()
,有 ![]()
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所以,![]()
,当
时,有
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这说明积分 ![]()
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对于![]()
都是收敛的,总之当
,积分
和
同时收敛,所以积分
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在
收敛,从而伽马函数
在
有定义。
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在任何![]()
上一致收敛。事实上,![]()
。
对
,![]()
![]()
,而
收敛,由
判别法,![]()
关于
在
一致收敛。
对
,![]()
![]()
,而
收敛,由
判别法,![]()
关于
在
一致收敛。
由![]()
的任意性及连续概念的局部性知,伽马函数
在
是连续的。
下面还可以进一步证明伽马函数的可微性,即
当
时各阶导数都存在,并且可由![]()
在积分号下求导得到,即
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(3.2)
事实上采用证明
连续性时同样的方法,可证瑕积分
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与无穷积分
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关于
在
上一致收敛,这里
且为任意正数。从而再由定理2.5和定理2.9推知式(3.2)成立。
当
时,利用分部积分公式,有
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即伽马函数
有递推关系
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(3.3)
反复运用式(3.3),得
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(3.4)
公式(3.3)、(3.4)可用于逐步减小自变量的值,直到它不超过1;即伽马函数
对任意的自变量值的计算,都可化为对
的值的计算。
在式(3.4)中,取
,并注意
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就得到
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这个式子说明伽马函数
是阶乘
的推广。这就是说,把本来只对自然数有意义的函数
推广到对一切正数
都有意义了。
11.3.2 贝塔函数![]()
对于贝塔函数
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(3.5)
采用上一小节同样方法,可证明
在区域
连续。
如果在式(3.5)的右端积分中作替换
,我们有
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即 ![]()
(3.6)
这说明贝塔函数
关于
具有对称性。
贝塔函数还有如下递推公式
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(3.7)
事实上,由分部积分
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移项解出
,便得到所要证明的式(3.7)。
如果在式(3.5)中作替换
,则得
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(3.8)
反复运用公式(3.7),有
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从而 ![]()
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可见 ![]()
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从上式可看到贝塔函数
与伽马函数
之间的联系,但上述等式仅限于
取非负的整数方能成立,限制公式的应用价值,我们当然希望把它能够推广到
和
的整个定义范围内,这正是下一节讨论的内容。
11.3.3 贝塔函数
与伽马函数
之间的联系
定理3.1 设
,则
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(3.9)
证: 在积分
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中作代换
,则有
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所以 ![]()
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(3.10)
其中
为正方形
。作半径分别为
和
,圆心在原点的
圆域
和
(图3.1),则由于式(3.10)中积分的被积函数为非负的,所以有
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但在积分
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中作极坐标替换,得
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(利用式(3.8))
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(这里
)
所以 ![]()
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同理,可求
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从而根据式(3.11),有
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代入式(3.10),得
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即 ![]()
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式(3.9)得证。
例 3.2 证明 ![]()

证: 由于 ![]()
![]()
作替换![]()
,有
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又当
时,
,当
时,
,所以
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例3.3 利用等式 ![]()
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证明 ![]()
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证: 由贝塔函数与伽马函数的关系式(3.9)及例3.1,有
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例 3.4 利用欧拉积分计算积分

解: 令
,有
,
, ![]()

并且当
时
;当
时
。从而
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=![]()
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=![]()
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=![]()

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