În analiza matematică , teorema Bohr-Mollerup este o teoremă numită după matematicienii danezi Harald Bohr și Johannes Mollerup , care au dovedit-o în 1922 . Teorema caracterizează funcția Gamma , definită de {\ displaystyle x> 0} din
- {\ displaystyle \ Gamma (x) = \ int _ {0} ^ {\ infty} t ^ {x-1} e ^ {- t} \, dt}
ca singura functie {\ displaystyle f} pe interval {\ displaystyle x> 0} care, simultan, posedă următoarele trei proprietăți:
- {\ displaystyle f (1) = 1} ,
- {\ displaystyle f (x + 1) = xf (x)} pentru {\ displaystyle x> 0} ,
- {\ displaystyle f} este logaritmic convex , adică logaritmul său este o funcție convexă
O discuție elegantă a acestei teoreme poate fi găsită în cartea lui Artin The Gamma Function , care a fost retipărită de American Mathematic Society (AMS) într-o colecție de scrieri ale lui Artin.
Teorema a fost publicată pentru prima dată într-un manual de analiză complexă , deoarece Bohr și Mollerup credeau că a fost deja dovedită.
Afirmație
- Teorema lui Bohr-Mollerup. {\ displaystyle \ Gamma (x)} este singura funcție pe care o îndeplinește {\ displaystyle f (x + 1) = xf (x)} cu {\ displaystyle \ log {f (x)}} convex și, de asemenea, cu {\ displaystyle f (1) = 1} .
Demonstrație
Este {\ displaystyle \ Gamma (x)} o funcție cu proprietățile menționate mai sus:{\ displaystyle \ Gamma (x + 1) = x \ Gamma (x)} , {\ displaystyle \ log {\ Gamma (x)}} este o funcție convexă și {\ displaystyle \ Gamma (1) = 1} . Din{\ displaystyle \ Gamma (x + 1) = x \ Gamma (x)} putem spune că
- {\ displaystyle \ Gamma (x + n) = (x + n-1) (x + n-2) (x + n-3) \ cdots (x + 1) x \ Gamma (x)}
Scopul de a fi impus asta {\ displaystyle \ Gamma (1) = 1} este de a se asigura că proprietatea{\ displaystyle \ Gamma (x + 1) = x \ Gamma (x)} ne conduc înapoi la factorialele întregi, astfel încât să putem concluziona că {\ displaystyle \ Gamma (n) = (n-1)!} de sine {\ displaystyle n \ in N} si daca {\ displaystyle \ Gamma (x)} există peste tot. Mulțumesc raportului scris pentru {\ displaystyle \ Gamma (x + n)} , dacă putem înțelege pe deplin comportamentul lui {\ displaystyle \ Gamma (x)} pentru {\ displaystyle 0 <x \ leqslant 1} , putem înțelege comportamentul lui {\ displaystyle \ Gamma (x)} pentru toate valorile reale ale {\ displaystyle x} .
Panta segmentului care leagă două puncte {\ displaystyle (x_ {1}, f (x_ {1}))} Și {\ displaystyle (x_ {2}, f (x_ {2}))} , să o indicăm cu {\ displaystyle S (x_ {1}, x_ {2})} , este strict în creștere pentru o funcție convexă cu {\ displaystyle x_ {1} <x_ {2}} . De când am impus asta {\ displaystyle \ log {\ Gamma (x)}} este convex, știm asta
- {\ displaystyle {\ begin {align} S (n-1, n) & \ leq S (n, n + x) \ leq S (n, n + 1) && 0 <x \ leq 1 \\ [6pt] {\ frac {\ log (\ Gamma (n)) - \ log (\ Gamma (n-1))} {n- (n-1)}} & \ leq {\ frac {\ log (\ Gamma (n )) - \ log (\ Gamma (n + x))} {n- (n + x)}} \ leq {\ frac {\ log (\ Gamma (n)) - \ log (\ Gamma (n + 1 ))} {n- (n + 1)}} \\ [6pt] {\ frac {\ log ((n-1)!) - \ log ((n-2)!)} {1}} & \ leq {\ frac {\ log (\ Gamma (n + x)) - \ log ((n-1)!)} {x}} \ leq {\ frac {\ log (n!) - \ log ((n - 1)!)} {1}} \\ [6pt] \ log \ left ({\ frac {(n-1)!} {(N-2)!}} \ Right) & \ leq {\ frac { \ log (\ Gamma (n + x)) - \ log ((n-1)!)} {x}} \ leq \ log \ left ({\ frac {n!} {(n-1)!}} \ right) \\ [6pt] \ log (n-1) & \ leq {\ frac {\ log (\ Gamma (n + x)) - \ log ((n-1)!)} {x}} \ leq \ log (n) \\ x \ log (n-1) & \ leq \ log (\ Gamma (n + x)) - \ log ((n-1)!) \ leq x \ log (n) \ \ \ log \ left ((n-1) ^ {x} \ right) + \ log ((n-1)!) & \ leq \ log (\ Gamma (n + x)) \ leq \ log \ left ( n ^ {x} \ right) + \ log ((n-1)!) \\\ log \ left ((n-1) ^ {x} (n-1)! \ right) & \ leq \ log ( \ Gamma (n + x)) \ leq \ log \ left (n ^ {x} (n-1)! \ Right) \\ (n-1) ^ {x} (n-1)! & \ Leq \ Gamma (n + x) \ leq n ^ {x} (n-1)! && \ log {\ text {crește monoton}} \\ [6pt] (n-1) ^ {x} (n-1) ! & \ leq (x + n- 1) (x + n-2) \ cdots (x + 1) x \ Gamma (x) \ leq n ^ {x} (n-1)! \\ [6pt] {\ frac {(n-1) ^ {x} (n-1)!} {(x + n-1) (x + n-2) \ cdots (x + 1) x}} & \ leq \ Gamma (x) \ leq {\ frac {n ^ {x} (n-1)!} {(x + n-1) (x + n-2) \ cdots (x + 1) x}} \\ [6pt] {\ frac {(n-1) ^ {x} (n-1)!} {(x + n-1) (x + n-2) \ cdots (x + 1) x}} & \ leq \ Gamma (x) \ leq {\ frac { n ^ {x} n!} {(x + n) (x + n-1) \ cdots (x + 1) x}} \ left ({\ frac {n + x} {n}} \ right) \ \ [6pt] \ end {align}}}
Ultima linie este o afirmație puternică. În special, este adevărat pentru toate valorile {\ displaystyle n} . Aceasta înseamnă că {\ displaystyle \ Gamma (x)} nu este mai mare decât membrul potrivit pentru fiecare alegere a {\ displaystyle n} și, la fel, {\ displaystyle \ Gamma (x)} nu este mai puțin decât membrul stâng pentru orice altă alegere {\ displaystyle n} . Fiecare inegalitate nu are legătură cu cealaltă și poate fi interpretată ca o afirmație independentă. Din această cauză, suntem liberi să alegem diferite valori ale {\ displaystyle n} pentru membrul drept și pentru membrul stâng. Mai exact, dacă plecăm {\ displaystyle n} pentru membrul potrivit și alegem {\ displaystyle n + 1} pentru cel stâng, avem:
- {\ displaystyle {\ begin {align} {\ frac {((n + 1) -1) ^ {x} ((n + 1) -1)!} {(x + (n + 1) -1) ( x + (n + 1) -2) \ cdots (x + 1) x}} & \ leq \ Gamma (x) \ leq {\ frac {n ^ {x} n!} {(x + n) (x + n -1) \ cdots (x + 1) x}} \ left ({\ frac {n + x} {n}} \ right) \\ {\ frac {n ^ {x} n!} {(X + n) (x + n-1) \ cdots (x + 1) x}} & \ leq \ Gamma (x) \ leq {\ frac {n ^ {x} n!} {(x + n) (x + n -1) \ cdots (x + 1) x}} \ left ({\ frac {n + x} {n}} \ right) \ end {align}}}
Din această ultimă linie este evident că delimităm o funcție între două expresii, o tehnică obișnuită în analiză pentru a demonstra diverse lucruri, cum ar fi existența unei limite sau o convergență. Este {\ displaystyle n \ to \ infty} :
- {\ displaystyle \ lim _ {n \ to \ infty} {\ frac {n + x} {n}} = 1}
astfel partea stângă a ultimei inegalități tinde să devină egală cu partea dreaptă, când trece la limită și
- {\ displaystyle {\ frac {n ^ {x} n!} {(x + n) (x + n-1) \ cdots (x + 1) x}}}
reprezintă delimitarea către ambii membri. Acest lucru poate însemna doar asta
- {\ displaystyle \ lim _ {n \ to \ infty} {\ frac {n ^ {x} n!} {(x + n) (x + n-1) \ cdots (x + 1) x}} = \ Gamma (x).}
În contextul acestei demonstrații, aceasta înseamnă că
- {\ displaystyle \ lim _ {n \ to \ infty} {\ frac {n ^ {x} n!} {(x + n) (x + n-1) \ cdots (x + 1) x}}}
posedă cele trei proprietăți specificate, care aparțin {\ displaystyle \ Gamma (x)} . În plus, dovada oferă o expresie specifică pentru {\ displaystyle \ Gamma (x)} . Ultima parte a acestei dovezi este să ne amintim că limita unei secvențe este unică. Aceasta înseamnă că, pentru fiecare alegere de {\ displaystyle 0 <x \ leqslant 1} , un singur număr posibil {\ displaystyle \ Gamma (x)} poate exista. Prin urmare, nu există altă funcție cu toate proprietățile atribuite {\ displaystyle \ Gamma (x)} .
Rămâne să dovedim doar asta {\ displaystyle \ Gamma (x)} are sens pentru toți {\ displaystyle x} pentru care
- {\ displaystyle \ lim _ {n \ to \ infty} {\ frac {n ^ {x} n!} {(x + n) (x + n-1) \ cdots (x + 1) x}}}
există. Problema este că prima noastră inegalitate dublă
- {\ displaystyle S (n-1, n) \ leq S (n + x, n) \ leq S (n + 1, n)}
a fost construit cu restricție {\ displaystyle 0 <x \ leqslant 1} . De sine {\ displaystyle x> 1} , apoi faptul că {\ displaystyle S} este strict în creștere ar însemna că {\ displaystyle S (n + 1, n) <S (n + x, n)} , contrazicând inegalitatea pe care se bazează întreaga dovadă. Dar să observăm asta
- {\ displaystyle {\ begin {align} \ Gamma (x + 1) & = \ lim _ {n \ to \ infty} x \ cdot \ left ({\ frac {n ^ {x} n!} {(x + n) (x + n-1) \ cdots (x + 1) x}} \ right) {\ frac {n} {n + x + 1}} \\\ Gamma (x) & = \ left ({\ frac {1} {x}} \ right) \ Gamma (x + 1) \ end {align}}}
și asta arată cum să se prelungească {\ displaystyle \ Gamma (x)} la toate valorile de {\ displaystyle x} pentru care este definită limita.
Bibliografie
- Hazewinkel, Michiel, ed. (2001), „Teorema lui Bohr - Mollerup” [ link rupt ] , Enciclopedia Matematicii , Springer Science, ISBN 978-1-55608-010-4
- Emil Artin, The Gamma Function , Holt, Rinehart, Winston, 1964.
- Michael Rosen, Expoziție de Emil Artin: A Selection , American Mathematical Society, 2006.
- Bohr, H. Mollerup, J., Lærebog i Kompleks Analyze vol. III, Copenhaga , 1922. ( Manual în analize complexe )
Elemente conexe
Alte proiecte
linkuri externe