.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 做為這篇文章的結束。
尤拉數
是個很漂亮的無理數。到底漂亮到什麼程度呢?
首先, 以此數為底的指數函數 ex 其導數就是它自己。
其次, 這個數有多種不同的定義方法或表示法:
我們可以定義 e 為無窮級數
的和, 我們也可以定義 e 為數列 的極限值。為了方便起見, 我們稱前者為級數表示法, 後者為極限表示法。 最後, 在初等微積分中, 我們定義 e 就是那唯一的正數使得定積分 的值等於 1。
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 與 e 之間的差距, 是非常容易的。且看下面的不等式: 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), 及 1/n, 比前面那三個好多了。怎麼說呢? 首先, 這個數代表函數 f(x)=1/x 圖形底下從 x=1 到 x=1+1/n 所包圍區域 R 的面積, 也就是下面這個定積分的值: 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 是介於這兩個數之間。
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 差不多大 或是一個常數倍, 此處 θ 為介於 0 與 1 之間的常數。 以應用的觀點來說, 處理 遠比處理 n! 來得容易, 因為前者是個指數。所以我們就來看一下, 當 n 趨近於無窮大時, 這兩個數相比的比值 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
,
,
, … 等。
由數學歸納法, 我們得到
這個 n! 的積分表示法建議我們考慮無限積分 。 這就開啟了我們對Gamma 函數的研究。傳統上, 我們習慣定義 Gamma 函數為 眾所周知, Gamma 函數 為定義在 的正函數而且滿足函數方程式 以及起始條件 。 然而, 僅僅這兩個性質還是無法界定 Gamma 函數。 我們很容易看出, 起始條件在整個界定上是無關緊要的。 因為如果 f(x) 是定義在 的正函數且滿足 函數方程式 f(x+1)=xf(x), 則 g(x)=f(x)/f(1) 也是定義在 的正函數, 滿足同一函數方程式而且 g(1)=1。 令人驚訝的是, 函數的凸性就足以界定 Gamma 函數。 這是由 H. Bohr 與 J. Mollerup 所發現的事實, 詳情請參閱 [4]。 換句話說, 上述兩性質加上 函數的凸性就可以界定 Gamma 函數。其證明可參閱 Emil Artin 漂亮的小書 [1,2] 或是 Walter Rudin 的名作 [8]。
第二個界定 Gamma 函數的公式乃是由 Laugwitz 及 Rodewald [7]
所提出。他們說, 函數的凸性可取代為性質 (L) :
令
, 則 L 滿足下式
然而, 他們並沒有證明性質 (L) 與 函數的凸性之間是怎麼個連結起來而且對等的問題。這個界定 Gamma 函數的概念可追溯到尤拉, 請參閱[5]。
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 以及 , 所以我們將猜測二改寫為
如果這個猜測是對的, 令
則 。 所以這個猜測建議我們考慮上式右方的函數 我們所面臨的問題變為:尋找函數 , 使得 f 滿足界定三的條件。 怎麼樣的 才能使 f 是一個 PG 函數呢? 且看: 令 。 所以 f 是一個 PG 函數的充要條件為 。 怎麼樣的 才滿足這條件呢? 很簡單, 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
的收斂性。
首先我們將 g 寫成下面的形式:
令 , 則 0<y<1, 此乃因為 x>0。 眾所皆知 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 是正項級數, 而且其部份和是有上限的。結論是它是收斂的, 所以我們得到 界定三告訴我們 , 或者寫成下式 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
,
第 (3) 式, 以及上面剛得到的結果
。 且看:
所以我們有等式 , 因此 , 這就是 Stirling 常數。
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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 |