.原載於數學傳播第20卷第一期 .作者當時任教於東海大學數學系 | |||
從尤拉數 e 到 Stirling 常數
沈淵源 |
摘要
我們從尤拉數e談起, 試著以電腦為我們實驗的工具, 利用數學軟體
Mathematica 計算繪圖的功能, 來激發我們自由而又豐富的想像力。
這提供了我們兩個強有力的猜測。對每一個猜測, 我們先分析它的結構,
然後試圖予以證明。第二個猜測, 就是所謂的 Stirling 公式。
我們由此談到 Gamma 函數及其三種不同的界定方法。
利用第三種界定的方法, 我們證明了 Stirling 公式。
最後, 我們用這些結果來決定 Stirling 公式中的常數
尤拉數
![]() 的和, 我們也可以定義 e 為數列 ![]() ![]()
第三種定義的方法不是太好, 因為連你要估計一下它的大小也不是那麼顯然。
級數表示法遠比極限表示法好, 此處所謂的好, 是比較其趨近於 e 的速度。
前者遠比後者快, 而且快很多。且看下面的計算:
![]() 當 n=10, 級數表示法可精確到小數點後第7位; 而 n=22, 卻可精確到小數點後第22位。但極限表示法, 當 n大到107 時, 才精確到小數點後第 6位。實際上, 估計 ![]() ![]() 所以我們有 e-S10<1/10!10<10-7, 以及 e-S20<1/22!22<10-22; 如上面的計算所表明者。
雖然如此, 極限表示法並非一無是處! 我們且看下面的數據:
![]() 這告訴我們 ![]() 這樣的不等式是不是只有 n=10 的時候才對呢? 最簡捷快速的辦法就是畫一下圖形。 Mathematica 提供了我們下面的圖形(由上到下分別為下面三個函數的圖形): ![]()
所以我們有很好的理由, 作下面的猜測:
讓我們來分析一下這個不等式。我們所面臨的這三個數,
從某個角度來說是挺抽象的。然而, 當我們引進自然對數, 則全然改觀。請看:
![]() 現在這三個數 1/(n+1), ![]() ![]() ![]() 因為 1/x 在區間 [1,1+1/n] 是遞減的, 所以可得如下的不等式: ![]() 這證明了我們的第一個猜測是對的, 而且證明非常簡單。 如果我們從幾何的角度來看這個不等式, 那更是不言而喻。 令 R1 及 R2 分別為上述區域 R 的內接及外接長方形區域, 則 R1 的面積就是 1/(n+1), 而 R2 的面積就是 1/n。 當然區域 R 的面積 ![]()
除了上面這個簡單的證明之外, 我們還可找到兩個非常有趣的證明方法。
第一個是與尤拉常數
![]() 有關, 請參閱 [3]。第二個與極大化正整數之乘積有關 (當這些正整數有固定和時), 請參閱 [6]。
這個不等式本身也是挺有趣的。我們先寫成下面的形式:
![]() 然後將對應於 k 從 1 到 n-1 的那些不等式相乘在一起。化簡後可得: ![]() 很自然的, 我們想從這不等式來估計 n! 的大小。 當 n 很大時, 可能 n! 與 ![]() ![]() ![]() 是不是會趨向某一個定數呢? 我們再一次的使用 Mathematica 來幫助我們建立下面的圖形:
仔細的觀察這些圖形我們可作以下的結論:
![]() ![]()
下面我們試著要來證明這個猜測是對的, 同時我們也想決定常數 s
到底是那個數。首先, 讓我們從分析的觀點來研究一下 n!。
在初等微積分中, 我們處理過無限積分, 像
![]() 這個 n! 的積分表示法建議我們考慮無限積分 ![]() ![]() 眾所周知, Gamma 函數 ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]()
第二個界定 Gamma 函數的公式乃是由 Laugwitz 及 Rodewald [7]
所提出。他們說, ![]() 然而, 他們並沒有證明性質 (L) 與 ![]()
如果我們仔細分析一下性質 (L), 我們會察覺到自然對數的引進與否,
無關緊要。沒有自然對數的話, 上面的式子, 和變成積; 反而更簡捷
而且更有希望接近 Gamma 函數的積的表示法。基於此種考慮,
我們可得到下面的性質, 稱之為性質 (P):
![]() 如上所期望, 這給了我們第三個界定 Gamma 函數的公式。
定理:
詳細的證明請參閱 [9], 在此我們來看看唯一性的證明。
為了討論上的方便, 我們採用下面的術語。
現在我們可以重述到目前為止 Gamma 函數的界定方法, 如下:
顯而易見的, 在這三個不同的界定當中, 常數 c 均為 f(1)。 換句話說, 任何 PG 函數 f 具有 f(1)=1 且滿足性質 (C), 或性質 (L), 或性質 (P) 的, 必定就是 Gamma 函數。 事實上, 對一個 PG 函數而言, 性質 (C), 性質 (L), 性質 (P) 是對等的; 詳細的證明請參閱 [9]。 所以前面證明唯一性時, 在引理中的那個函數(亦即 (3)式) 就是 Gamma 函數本身。
現在我們回到前面的猜測二。因為
如果這個猜測是對的, 令
![]() 則 ![]() ![]() 我們所面臨的問題變為:尋找函數 ![]() ![]() ![]() 令 ![]() ![]() ![]() ![]() 就是其中一個。也許你會指控說: 「你連級數的收斂性都還不知道, 怎可如此大膽呢? 」 但萬事總有一個起頭嘛! 忍耐一下, 姑且假設它是收斂的。 好啦! 那這樣的 μ 是不是使得 f 滿足性質 (P)呢? 我們先看看再說吧! 且看: ![]() 我們知道 ![]() 所以只要能證明 ![]() 那麼性質 (P) 就沒問題。事實上, ![]() 及 ![]() 都是上面那個無窮級數的尾巴。所以當 n 趨近於無窮大時, 這兩個無窮級數當然都會趨近於 0。
現在我們回頭討論上面那個無窮級數
![]() 令 ![]() ![]() 所以, 我們有下面的展開式 ![]() 與上面 (5) 式合在一起, 我們得到 ![]() 因此, 我們有 ![]() 所以我們的無窮級數 ![]() ![]() 界定三告訴我們 ![]() ![]() 此處 s=1/c=1/f(1) 為一常數。 這就證明了猜測三是對的, 此即一般所謂的 Stirling 公式。 因此我們就把這個常數 s 稱之為 Stirling 常數。
最後, 讓我們將上面所得到的結果用來決定 Stirling 常數,
做為這篇文章的結束。我們會用到
![]() 所以我們有等式 ![]() ![]()
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編輯:石莉君 / 校對:楊佳芳 / 繪圖:張琇惠 | 最後修改日期:4/26/2002 |