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diff --git a/buch/chapters/040-rekursion/gamma.tex b/buch/chapters/040-rekursion/gamma.tex index 7d4453b..7f19637 100644 --- a/buch/chapters/040-rekursion/gamma.tex +++ b/buch/chapters/040-rekursion/gamma.tex @@ -20,6 +20,8 @@ für alle natürlichen Zahlen $x\in\mathbb{N}$ definiert werden. \end{equation} Kann man eine reelle oder komplexe Funktion finden, die die Funktionalgleichung~\eqref{buch:rekursion:eqn:gammadef} +\index{Gamma-Funktion!Funktionalgleichung}% +\index{Funktionalgleichung der Gamma-Funktion}% erfüllt und damit die Fakultät auf beliebige Argumente ausdehnt? \subsection{Definition als Grenzwert} @@ -71,6 +73,9 @@ gilt. Der Plan ist, dies so umzuformen, dass man für $x$ eine beliebige komplexe Zahl einsetzen kann. +% +% Pochhammer-Symbol +% \subsubsection{Pochhammer-Symbol} Die spezielle Form des Nenners und des zweiten Faktors im Zähler von \eqref{buch:rekursion:gamma:eqn:fakultaet} @@ -113,6 +118,9 @@ x! Der erste Faktor in diesem Ausdruck enthält jetzt nur noch Dinge, die für beliebige $x\in\mathbb{C}$ definiert sind. +% +% Grenwertdefinition +% \subsubsection{Grenzwertdefinition} Der zweite Bruch in \eqref{buch:rekursion:gamma:eqn:produkt3} besteht aus Termen, die zwar nur für natürliches $x$ definiert sind, @@ -141,8 +149,13 @@ $x\in\mathbb{C}\setminus\{0,-1,-2,-3,\dots\}$ ist der Grenzwert \[ \Gamma(x) = \lim_{n\to\infty} \frac{n!\,n^{x-1}}{(x)_n}. \] +\index{Grenzwertdefinition der Gamma-Funktion}% +\index{Gamma-Funktion!Grenzwertdefinition}% \end{definition} +% +% Rekursionsgleichung für Gamma(x) +% \subsubsection{Rekursionsgleichung für $\Gamma(x)$} Es ist aus der Herleitung klar, dass $\Gamma(n)=(n-1)!$ sein muss. Wir sollten dies aber auch direkt aus der @@ -195,15 +208,85 @@ x\lim_{n\to\infty} \frac{n^{x-1}}{(n+1)^{x-1}} \\ &= +x \Gamma(x) \lim_{n\to\infty} \biggl(\frac{n}{n+1}\biggr)^{x-1} = -\Gamma(x), +x\Gamma(x), \end{align*} Weil $n/(n+1)\to 1$ ist und die Funktion $z\mapsto z^{x-1}$ für alle nach der Definition zulässigen Werte von $x$ eine stetige Funktion ist. +% +% Gamma-Funktion und Pochhammer-Symbol +% +\subsubsection{Gamma-Funktion und Pochhammer-Symbol} +Durch Iteration der Rekursionsformel für $\Gamma(x)$ folgt jetzt +\begin{align*} +\Gamma(x+n) +&= +(x+n-1) \Gamma(x+n-1) +\\ +&= +(x+n-1)(x+n-2)\Gamma(x+n-2) +\\ +&= +\underbrace{ +(x+n-1)(x+n-2)\cdots(x-1)(x) +}_{\text{$n$ Faktoren}} \Gamma(x) +\\ +&=(x)_n \Gamma(x). +\end{align*} +Damit folgt + +\begin{satz} +\index{Satz!Pochhammer-Symbol@Pochhammer-Symbol und $\Gamma(x)$}% +\label{buch:rekursion:gamma:satz:gamma-pochhammer} +Die Rekursionsformel für die Gamma-Funktion kann geschrieben werden als +\[ +\Gamma(x+n) = (x)_n \Gamma(x). +\] +Das Pochhammer-Symbol $(x)_n$ ist für alle natürlichen $n$ gegeben durch +\[ +(x)_n = \frac{\Gamma(x+n)}{\Gamma(x)}. +\] +\end{satz} + +% +% Numerische Unzulänglichkeit der Grenzwertdefinition +% \subsubsection{Numerische Unzulänglichkeiten der Grenzwertdefinition} +\begin{table} +\centering +%\renewcommand{\arraystretch}{1.1} +\begin{tabular}{|>{$}c<{$}|>{$}r<{$}|>{$}l<{$}|>{$}l<{$}|} +\hline +\log_{10} n& n&n!n^{x-1}/(x)_n\mathstrut & \text{Fehler% +\vrule height12pt depth6pt width0pt} \\ +\hline +\text{\vrule height12pt depth0pt width0pt} + 1& 10&1.\underline{7}947392559855804&0.0222854050800643\\ + 2& 100&1.\underline{77}46707942830697&0.0022169433775536\\ + 3& 1000&1.\underline{772}6754214755178&0.0002215705700017\\ + 4& 10000&1.\underline{7724}760067171375&0.0000221558116213\\ + 5& 100000&1.\underline{77245}60664742375&0.0000022155687214\\ + 6& 1000000&1.\underline{77245}40724623101&0.0000002215567940\\ + 7& 10000000&1.\underline{7724538}730613721&0.0000000221558560\\ + 8& 100000000&1.\underline{77245385}31233258&0.0000000022178097\\ + 9& 1000000000&1.\underline{77245385}11320680&0.0000000002265519\\ + 10& 10000000000&1.\underline{772453850}9261316&0.0000000000206155\\ + 11&100000000000&1.\underline{77245385}14549788&0.0000000005494627\\ + & \infty&1.\underline{7724538509055161}& +\text{\vrule height12pt depth6pt width0pt} \\ +\hline +\end{tabular} +\caption{Numerische Berechnung mit der Grenzwertdefinition +und rekursiver Berechnung von $n!/(x)_n$ mit Hilfe der Folge +\eqref{buch:rekursion:gamma:pnfolge}. +Die Konvergenz ist sehr langsam, die Anzahl korrekter Stellen +wächst logarithmisch mit $n$. +\label{buch:rekursion:gamma:produktberechnung}} +\end{table} Die Grenzwertdefinition~\ref{buch:rekursion:gamma:def:definition} ist zwar zweifellos richtig, kann aber nicht für die numerische Berechnung der Gamma-Funktion verwendet werden. @@ -237,6 +320,24 @@ ist. Die Approximation mit Hilfe der Grenzwertdefinition kann also grundsätzlich nicht mehr als zwei korrekte Nachkommastellen liefern. +Den Quotienten $n!/(x)_n$ kann man mit Hilfe der Rekursionsformel +\begin{equation} +p_n = p_{n-1}\cdot \frac{n}{x+n-1},\qquad +p_0 = 0 +\label{buch:rekursion:gamma:pnfolge} +\end{equation} +etwas effizienter berechnen. +Insbesondere umgeht man damit das Problem, dass $n!$ den Wertebereich +des \texttt{double} Datentyps sprengt. +Der Wert der Gamma-Funktion kann dann durch $p_nn^{x-1}$ approximiert +werden. +Die Tabelle~\ref{buch:rekursion:gamma:produktberechnung} fasst die +Resultate zusammen und zeigt, dass die Konvergenz logarithmisch ist: +die Anzahl korrekter Nachkommastellen ist $\log_{10}n$. + +% +% Produktformel +% \subsection{Produktformel} Ein möglicher Ausweg aus den numerischen Schwierigkeiten mit der Grenzwertdefinition ist, den schnell wachsenden Faktor $n!$ @@ -244,6 +345,7 @@ in den Zähler zu bringen, so dass er der Konvergenz etwas nachhilft. Wir berechnen daher den Kehrwert $1/\Gamma(x)$. \begin{satz} +\index{Satz!Produktformel@Produktformel für $\Gamma(x)$}% \label{buch:rekursion:gamma:satz:produktformel} Der Kehrwert der Gamma-Funktion kann geschrieben werden als \begin{equation} @@ -253,8 +355,10 @@ xe^{\gamma x} \prod_{k=1}^\infty \biggl(1+\frac{x}k\biggr)\,e^{-\frac{x}{k}}, \label{buch:rekursion:gamma:eqn:produktformel} +\index{Gamma-Funktion!Produktformel}% \end{equation} wobei $\gamma$ die Euler-Mascheronische Konstante +\index{Euler-Mascheronische Konstante}% \[ \gamma = @@ -262,6 +366,8 @@ wobei $\gamma$ die Euler-Mascheronische Konstante \biggl(\sum_{k=1}^n\frac{1}{k}-\log n\biggr) \] ist. +\index{Gamma-Funktion!Produktformel}% +\index{Produktformel für die Gamma-Funkion}% \end{satz} \begin{proof}[Beweis] @@ -368,16 +474,20 @@ vollständig bewiesen. \begin{table} \centering -\begin{tabular}{|>{$}c<{$}|>{$}c<{$}|>{$}c<{$}|} +\begin{tabular}{|>{$}c<{$}|>{$}r<{$}|>{$}c<{$}|>{$}c<{$}|} \hline -k & \Gamma(\frac12,n) & \Gamma(\frac12) - \Gamma(\frac12,n) \\ +k & n & \Gamma(\frac12,n) & \Gamma(\frac12) - \Gamma(\frac12,n)% +\text{\vrule height12pt depth6pt width0pt} \\ \hline -1 & 1.\underline{7}518166478 & -0.0206372031 \\ -2 & 1.\underline{77}02543372 & -0.0021995137 \\ -3 & 1.\underline{772}2324556 & -0.0002213953 \\ -4 & 1.\underline{7724}316968 & -0.0000221541 \\ -5 & 1.\underline{77245}16354 & -0.0000022156 \\ -6 & 1.\underline{772453}6293 & -0.0000002216 \\ +\text{\vrule height12pt depth0pt width0pt} + 1& 10& 1.\underline{7}518166478& -0.0206372031 \\ + 2& 100& 1.\underline{77}02543372& -0.0021995137 \\ + 3& 1000& 1.\underline{772}2324556& -0.0002213953 \\ + 4& 10000& 1.\underline{7724}316968& -0.0000221541 \\ + 5& 100000& 1.\underline{77245}16354& -0.0000022156 \\ + 6&1000000& 1.\underline{772453}6293& -0.0000002216 \\ +\infty& & 1.\underline{7724538509}& +\text{\vrule height12pt depth6pt width0pt} \\ \hline \end{tabular} \caption{Werte $\Gamma(\frac12,n)$ von $\Gamma(\frac12)$ berechnet mit @@ -385,6 +495,9 @@ $n=10^k$ Faktoren der Produktformel~\eqref{buch:rekursion:gamma:eqn:produktformel} und der zugehörige Fehler. Die korrekten Nachkommastellen sind unterstrichen. +Die Konvergenz ist genau gleich langsam wie in der Berechnung mit +Hilfe der Grenzwert-Definition in +Tabelle~\ref{buch:rekursion:gamma:produktberechnung}. \label{buch:rekursion:gamma:gammatabelle}} \end{table} @@ -422,6 +535,8 @@ z \mapsto \Gamma(z) = \int_0^\infty t^{z-1}e^{-t}\,dt \] +\index{Gamma-Funktion!Integraldefinition}% +\index{Integraldefinition der Gamma-Funktion}% \end{definition} Man beachte, dass das Integral für $x=0$ nicht definiert ist, eine @@ -436,6 +551,9 @@ die richtigen Werte für natürliche Argumente hat, es wird aber auch gezeigt, dass dies nicht ausreicht um zu schliessen, dass die Integralformel mit der früher definierten Gamma-Funktion übereinstimmt. +% +% Funktionalgleichung für die Integraldefinition +% \subsubsection{Funktionalgleichung für die Integraldefinition} Tatsächlich ist es einfach nachzuprüfen, dass die Funktionalgleichung der Gamma-Funktion auch für die Definition~\ref{buch:rekursion:def:gamma} @@ -480,8 +598,8 @@ ganzzahlige Argumente übereinstimmen. Der folgende Abschnitt macht deutlich, dass es sehr viele Funktionen gibt, die ebenfalls die Funktionalgleichung erfüllen. Eine vollständige Rechtfertigung für diese Definition wird später -in Abschnitt~\ref{buch:rekursion:gamma:subsection:beta} -\eqref{buch:rekursion:gamma:integralbeweis} +in Abschnitt~\ref{buch:rekursion:gamma:subsection:integralbeweis} +in Formel~\eqref{buch:rekursion:gamma:integralbeweis} auf Seite~\pageref{buch:rekursion:gamma:integralbeweis} gegeben. @@ -494,9 +612,13 @@ die Werte der Fakultät annimmt. \label{buch:rekursion:fig:gamma}} \end{figure} +% +% Der Wert Gamma(1/2) +% \subsubsection{Der Wert $\Gamma(\frac12)$} Die Integraldarstellung kann dazu verwendet werden, $\Gamma(\frac12)$ zu berechnen. +\index{Gamma-Funktion!WertGamma12@Wert von $\Gamma(\frac12)$}% Dazu verwendet man die Substition $t=s^2$ in der Integraldefinition der Gamma-Funktion und berechnen \begin{align} @@ -511,12 +633,16 @@ der Gamma-Funktion und berechnen \int_{-\infty}^\infty e^{-s^2}\,ds = \sqrt{\pi}. -\label{buch:rekursion:gamma:betagamma} +\label{buch:rekursion:gamma:wert12} \end{align} Der Integrand im letzten Integral ist die Wahrscheinlichkeitsdichte einer Normalverteilung, deren Integral wohlbekannt ist. -\subsubsection{Alternative Lösungen} +% +% Alternative Lösungen +% +\subsubsection{Alternative Lösungen der +Funktionalgleichung~\ref{buch:rekursion:eqn:gammadef}} Die Funktion $\Gamma(z)$ ist nicht die einzige Funktion, die natürlichen Zahlen die Werte $\Gamma(n+1) = n!$ der Fakultät annimmt. Indem man eine beliebige Funktion $f(z)$ addiert, die auf alle @@ -547,6 +673,8 @@ Von Wielandt stammt das folgende, noch etwas speziellere Resultat, welches hier nicht bewiesen wird. \begin{satz}[Wielandt] +\index{Satz!von Wielandt}% +\index{Wielandt, Satz von}% Ist $f(z)$ eine für $\operatorname{Re}z>0$ definiert Funktion mit den folgenden drei Eigenschaften \begin{enumerate} @@ -560,11 +688,16 @@ Dann ist $ f(z) = \Gamma(z) $. % XXX Gamma in the interval (1,2) %Man beachte, dass +% +% Laplace-Transformierte der Potenzfunktion +% \subsubsection{Laplace-Transformierte der Potenzfunktion} Die Integraldarstellung der Gamma-Funktion erlaubt jetzt auch, die Laplace-Transformation der Potenzfunktion zu berechnen. +\index{Laplace-Transformierte der Potenzfunktion}% \begin{satz} +\index{Satz!Laplace-Transformierte der Potenzfunktion}% Die Laplace-Transformierte der Potenzfunktion $f(t)=t^\alpha$ ist \[ (\mathscr{L}f)(s) @@ -594,7 +727,11 @@ Durch die Substitution $st = u$ oder $t=\frac{u}{s}$ wird daraus \] \end{proof} +% +% Pol erster Ordnung bei z=0 +% \subsubsection{Pol erster Ordnung bei $z=0$} +\index{Gamma-Funktion!Pol@Pol bei $z=0$}% Wir haben zu prüfen, dass sowohl der Wert $\Gamma(1)$ korrekt ist als auch die Rekursionsformel~\eqref{buch:rekursion:eqn:gammadef} gilt. Der Wert für $z=1$ ist @@ -644,7 +781,12 @@ Daraus ergibt sich für $\Gamma(z)$ der Ausdruck \] Die Gamma-Funktion hat daher an der Stelle $z=0$ einen Pol erster Ordnung. +% +% Ausdehnung auf Re(z) < 0 +% \subsubsection{Ausdehnung auf $\operatorname{Re}z<0$} +\index{Gamma-Funktion!analytische Fortsetzung}% +\index{analytische Fortsetzung der Gamma-Funktion}% Die Integralformel konvergiert nicht für $\operatorname{Re}z\le 0$. Durch analytische Fortsetzung, wie sie im Abschnitt~\ref{buch:funktionentheorie:section:fortsetzung} @@ -683,22 +825,29 @@ Somit hat $\Gamma(z)$ Pole erster Ordnung bei den negativen ganzen Zahlen und bei $0$, wie sie in Abbildung~\ref{buch:rekursion:fig:gamma} gezeigt werden. +% +% Numerische Berechnung +% \subsubsection{Numerische Berechnung} \begin{table} \centering -\begin{tabular}{|>{$}c<{$}|>{$}c<{$}>{$}c<{$}|} +\begin{tabular}{|>{$}c<{$}|>{$}r<{$}|>{$}c<{$}>{$}c<{$}|} \hline -k & y(10^k) & y(10^k) - \Gamma(\frac{5}{2}) \\ +k & n=10^k & y(n) & y(n) - \Gamma(\frac{5}{3}) +\text{\vrule height12pt depth6pt width0pt} \\ \hline -1 & 0.0000000000 & -0.9027452930 \\ -2 & 0.3319129461 & -0.5708323468 \\ -3 & 0.\underline{902}5209490 & -0.0002243440 \\ -4 & 0.\underline{902745}1207 & -0.0000001723 \\ -5 & 0.\underline{902745}0962 & -0.0000001968 \\ -6 & 0.\underline{902745}0962 & -0.0000001968 \\ +\text{\vrule height12pt depth0pt width0pt} +1 & 10 & 0.0000000000 & -0.9027452930 \\ +2 & 100 & 0.3319129461 & -0.5708323468 \\ +3 & 1000 & 0.\underline{902}5209490 & -0.0002243440 \\ +4 & 10000 & 0.\underline{902745}1207 & -0.0000001723 \\ +5 & 100000 & 0.\underline{902745}0962 & -0.0000001968 \\ +6 & 1000000 & 0.\underline{902745}0962 & -0.0000001968 \\ + & \infty & 0.\underline{9027452929} & +\text{\vrule height12pt depth6pt width0pt} \\ \hline \end{tabular} -\caption{Resultate der Berechnung von $\Gamma(\frac{5}{2})$ mit Hilfe +\caption{Resultate der Berechnung von $\Gamma(\frac{5}{3})$ mit Hilfe der Differentialgleichung \eqref{buch:rekursion:gamma:eqn:gammadgl}. Die korrekten Stellen sind unterstrichen. Es sind immerhin sechs korrekte Stellen gefunden, wobei nur 337 @@ -708,19 +857,24 @@ Auswertungen des Integranden notwendig waren. Im Prinzip könnte die Integraldefinition der numerischen Berechnung entgegenkommen. Um diese Hypothese zu prüfen, berechnen wir das Integral für -$z=\frac52$ mit Hilfe der äquivalenten Differentialgleichungen +$z=\frac53$ mit Hilfe der äquivalenten Differentialgleichungen \begin{equation} \dot{y}(t) = t^{z-1}e^{-t} -\qquad\text{mit Anfangsbedingung $y(0)=0$}. +\qquad +\text{mit Anfangsbedingung $y(0)=0$}. \label{buch:rekursion:gamma:eqn:gammadgl} \end{equation} +\index{Gamma-Funktion!Loesung@Lösung mit Differentialgleichung} Der gesuchte Wert ist der Grenzwert $\lim_{t\to\infty} y(t)$. In der Tabelle~\ref{buch:rekursion:gamma:table:gammaintegral} sind die Werte von $y(10^k)$ sowie die Differenzen -$y(10^k) - \Gamma(\frac{5}{2})$ zusammengefasst. +$y(10^k) - \Gamma(\frac{5}{3})$ zusammengefasst. Die Genauigkeit erreicht sechs korrekte Nachkommastellen mit nur 337 Auswertungen des Integranden. +Eine noch wesentlich effizientere Auswertung des $\Gamma$-Integrals +mit Hilfe der Gauss-Laguerre-Quadratur wird in Kapitel~\ref{chapter:laguerre} +von Patrick Müller dargestellt. % % |