Valores particulares de la función gamma

Constantes matemáticas

La función gamma es una función especial importante en matemáticas . Sus valores particulares se pueden expresar en forma cerrada para argumentos enteros y semienteros , pero no se conocen expresiones simples para los valores en puntos racionales en general. Otros argumentos fraccionarios se pueden aproximar mediante productos infinitos eficientes, series infinitas y relaciones de recurrencia.

Números enteros y semienteros

Para argumentos enteros positivos, la función gamma coincide con el factorial . Es decir,

${\displaystyle \Gamma (n)=(n-1)!,}$

y por lo tanto

${\displaystyle {\begin{aligned}\Gamma (1)&=1,\\\Gamma (2)&=1,\\\Gamma (3)&=2,\\\Gamma (4)&=6,\\\Gamma (5)&=24,\end{aligned}}}$

y así sucesivamente. Para los números enteros no positivos, la función gamma no está definida.

Para semienteros positivos, los valores de la función se dan exactamente por

${\displaystyle \Gamma \left({\tfrac {n}{2}}\right)={\sqrt {\pi }}{\frac {(n-2)!!}{2^{\frac {n-1}{2}}}}\,,}$

o equivalentemente, para valores enteros no negativos de  n :

${\displaystyle {\begin{aligned}\Gamma \left({\tfrac {1}{2}}+n\right)&={\frac {(2n-1)!!}{2^{n}}}\,{\sqrt {\pi }}={\frac {(2n)!}{4^{n}n!}}{\sqrt {\pi }}\\\Gamma \left({\tfrac {1}{2}}-n\right)&={\frac {(-2)^{n}}{(2n-1)!!}}\,{\sqrt {\pi }}={\frac {(-4)^{n}n!}{(2n)!}}{\sqrt {\pi }}\end{aligned}}}$

donde n !! denota el factorial doble . En particular,

y mediante la fórmula de reflexión ,

Argumento racional general

En analogía con la fórmula del medio entero,

${\displaystyle {\begin{aligned}\Gamma \left(n+{\tfrac {1}{3}}\right)&=\Gamma \left({\tfrac {1}{3}}\right){\frac {(3n-2)!!!}{3^{n}}}\\\Gamma \left(n+{\tfrac {1}{4}}\right)&=\Gamma \left({\tfrac {1}{4}}\right){\frac {(4n-3)!!!!}{4^{n}}}\\\Gamma \left(n+{\tfrac {1}{q}}\right)&=\Gamma \left({\tfrac {1}{q}}\right){\frac {{\big (}qn-(q-1){\big )}!^{(q)}}{q^{n}}}\\\Gamma \left(n+{\tfrac {p}{q}}\right)&=\Gamma \left({\tfrac {p}{q}}\right){\frac {1}{q^{n}}}\prod _{k=1}^{n}(kq+p-q)\end{aligned}}}$

donde n ! ^{( q )} denota el q ésimo multifactorial de n . Numéricamente,

${\displaystyle \Gamma \left({\tfrac {1}{3}}\right)\approx 2.678\,938\,534\,707\,747\,6337}$ Norma OEIS : A073005

${\displaystyle \Gamma \left({\tfrac {1}{4}}\right)\approx 3.625\,609\,908\,221\,908\,3119}$ OEIS : A068466

${\displaystyle \Gamma \left({\tfrac {1}{5}}\right)\approx 4.590\,843\,711\,998\,803\,0532}$ Norma OEIS : A175380

${\displaystyle \Gamma \left({\tfrac {1}{6}}\right)\approx 5.566\,316\,001\,780\,235\,2043}$ Norma OEIS : A175379

${\displaystyle \Gamma \left({\tfrac {1}{7}}\right)\approx 6.548\,062\,940\,247\,824\,4377}$ Norma OEIS : A220086

${\displaystyle \Gamma \left({\tfrac {1}{8}}\right)\approx 7.533\,941\,598\,797\,611\,9047}$ Número de identificación oficial de la empresa : A203142 .

Como tiende al infinito, ${\displaystyle n}$

${\displaystyle \Gamma \left({\tfrac {1}{n}}\right)\sim n-\gamma }$

donde es la constante de Euler-Mascheroni y denota equivalencia asintótica . ${\displaystyle \gamma }$ ${\displaystyle \sim }$

Se desconoce si estas constantes son trascendentales en general, pero Γ( ⁠1/3⁠ ) ​​y Γ( ⁠1/4⁠ ) ​​fueron demostrados como trascendentales por GV Chudnovsky . Γ( ⁠1/4⁠ ) ​​/ ⁴ √ π también se sabe desde hace mucho tiempo que es trascendental, y Yuri Nesterenko demostró en 1996 que Γ( ⁠1/4⁠ ) , π y e ^π son algebraicamente independientes .

Para  al menos uno de los dos números   Γ( ⁠ ${\displaystyle n\geq 2}$1/norte⁠ ) ​​y Γ( ⁠2/norte⁠ )  ​​es trascendental. ^[1]

El número Γ( ⁠1/4) está relacionada con laconstante lemniscata por ${\displaystyle \varpi }$

${\displaystyle \Gamma \left({\tfrac {1}{4}}\right)={\sqrt {2\varpi {\sqrt {2\pi }}}}}$

Borwein y Zucker han descubierto que Γ( ⁠norte/24⁠ ) ​​se puede expresar algebraicamente en términos de π , K ( k (1)) , K ( k (2)) , K ( k (3)) y K ( k (6)) donde K ( k ( N )) es una integral elíptica completa de primer tipo . Esto permite aproximar eficientemente la función gamma de argumentos racionales con alta precisión utilizando iteraciones de media aritmético-geométrica cuadráticamente convergentes . Por ejemplo:

${\displaystyle {\begin{aligned}\Gamma \left({\tfrac {1}{6}}\right)&={\frac {{\sqrt {\frac {3}{\pi }}}\Gamma \left({\frac {1}{3}}\right)^{2}}{\sqrt[{3}]{2}}}\\\Gamma \left({\tfrac {1}{4}}\right)&=2{\sqrt {K\left({\tfrac {1}{2}}\right){\sqrt {\pi }}}}\\\Gamma \left({\tfrac {1}{3}}\right)&={\frac {2^{7/9}{\sqrt[{3}]{\pi K\left({\frac {1}{4}}\left(2-{\sqrt {3}}\right)\right)}}}{\sqrt[{12}]{3}}}\\\Gamma \left({\tfrac {1}{8}}\right)\Gamma \left({\tfrac {3}{8}}\right)&=8{\sqrt[{4}]{2}}{\sqrt {\left({\sqrt {2}}-1\right)\pi }}K\left(3-2{\sqrt {2}}\right)\\{\frac {\Gamma \left({\frac {1}{8}}\right)}{\Gamma \left({\frac {3}{8}}\right)}}&={\frac {2{\sqrt {\left(1+{\sqrt {2}}\right)K\left({\frac {1}{2}}\right)}}}{\sqrt[{4}]{\pi }}}\end{aligned}}}$

No se conocen relaciones similares para Γ( ⁠1/5⁠ ) ​​u otros denominadores.

En particular, donde AGM() es la media aritmético-geométrica , tenemos ^[2]

${\displaystyle \Gamma \left({\tfrac {1}{3}}\right)={\frac {2^{\frac {7}{9}}\cdot \pi ^{\frac {2}{3}}}{3^{\frac {1}{12}}\cdot \operatorname {AGM} \left(2,{\sqrt {2+{\sqrt {3}}}}\right)^{\frac {1}{3}}}}}$

${\displaystyle \Gamma \left({\tfrac {1}{4}}\right)={\sqrt {\frac {(2\pi )^{\frac {3}{2}}}{\operatorname {AGM} \left({\sqrt {2}},1\right)}}}}$

${\displaystyle \Gamma \left({\tfrac {1}{6}}\right)={\frac {2^{\frac {14}{9}}\cdot 3^{\frac {1}{3}}\cdot \pi ^{\frac {5}{6}}}{\operatorname {AGM} \left(1+{\sqrt {3}},{\sqrt {8}}\right)^{\frac {2}{3}}}}.}$

Otras fórmulas incluyen los productos infinitos.

${\displaystyle \Gamma \left({\tfrac {1}{4}}\right)=(2\pi )^{\frac {3}{4}}\prod _{k=1}^{\infty }\tanh \left({\frac {\pi k}{2}}\right)}$

y

${\displaystyle \Gamma \left({\tfrac {1}{4}}\right)=A^{3}e^{-{\frac {G}{\pi }}}{\sqrt {\pi }}2^{\frac {1}{6}}\prod _{k=1}^{\infty }\left(1-{\frac {1}{2k}}\right)^{k(-1)^{k}}}$

donde A es la constante de Glaisher-Kinkelin y G es la constante de Catalan .

Las siguientes dos representaciones para Γ( ⁠3/4) fueron impartidas por I. Mező [ ^3]

${\displaystyle {\sqrt {\frac {\pi {\sqrt {e^{\pi }}}}{2}}}{\frac {1}{\Gamma \left({\frac {3}{4}}\right)^{2}}}=i\sum _{k=-\infty }^{\infty }e^{\pi (k-2k^{2})}\theta _{1}\left({\frac {i\pi }{2}}(2k-1),e^{-\pi }\right),}$

y

${\displaystyle {\sqrt {\frac {\pi }{2}}}{\frac {1}{\Gamma \left({\frac {3}{4}}\right)^{2}}}=\sum _{k=-\infty }^{\infty }{\frac {\theta _{4}(ik\pi ,e^{-\pi })}{e^{2\pi k^{2}}}},}$

donde θ ₁ y θ ₄ son dos de las funciones theta de Jacobi .

También existen varias integrales de Malmsten para ciertos valores de la función gamma: ^[4]

${\displaystyle \int _{1}^{\infty }{\frac {\ln \ln t}{1+t^{2}}}={\frac {\pi }{4}}\left(2\ln 2+3\ln \pi -4\Gamma \left({\tfrac {1}{4}}\right)\right)}$

${\displaystyle \int _{1}^{\infty }{\frac {\ln \ln t}{1+t+t^{2}}}={\frac {\pi }{6{\sqrt {3}}}}\left(8\ln 2-3\ln 3+8\ln \pi -12\Gamma \left({\tfrac {1}{3}}\right)\right)}$

Productos

Algunas identidades de productos incluyen:

${\displaystyle \prod _{r=1}^{2}\Gamma \left({\tfrac {r}{3}}\right)={\frac {2\pi }{\sqrt {3}}}\approx 3.627\,598\,728\,468\,435\,7012}$ Norma OEIS : A186706

${\displaystyle \prod _{r=1}^{3}\Gamma \left({\tfrac {r}{4}}\right)={\sqrt {2\pi ^{3}}}\approx 7.874\,804\,972\,861\,209\,8721}$ Norma OEIS : A220610

${\displaystyle \prod _{r=1}^{4}\Gamma \left({\tfrac {r}{5}}\right)={\frac {4\pi ^{2}}{\sqrt {5}}}\approx 17.655\,285\,081\,493\,524\,2483}$

${\displaystyle \prod _{r=1}^{5}\Gamma \left({\tfrac {r}{6}}\right)=4{\sqrt {\frac {\pi ^{5}}{3}}}\approx 40.399\,319\,122\,003\,790\,0785}$

${\displaystyle \prod _{r=1}^{6}\Gamma \left({\tfrac {r}{7}}\right)={\frac {8\pi ^{3}}{\sqrt {7}}}\approx 93.754\,168\,203\,582\,503\,7970}$

${\displaystyle \prod _{r=1}^{7}\Gamma \left({\tfrac {r}{8}}\right)=4{\sqrt {\pi ^{7}}}\approx 219.828\,778\,016\,957\,263\,6207}$

En general:

${\displaystyle \prod _{r=1}^{n}\Gamma \left({\tfrac {r}{n+1}}\right)={\sqrt {\frac {(2\pi )^{n}}{n+1}}}}$

De estos productos se pueden deducir otros valores, por ejemplo, de las ecuaciones anteriores para , y , se puede deducir: ${\displaystyle \prod _{r=1}^{3}\Gamma \left({\tfrac {r}{4}}\right)}$ ${\displaystyle \Gamma \left({\tfrac {1}{4}}\right)}$ ${\displaystyle \Gamma \left({\tfrac {2}{4}}\right)}$

${\displaystyle \Gamma \left({\tfrac {3}{4}}\right)=\left({\tfrac {\pi }{2}}\right)^{\tfrac {1}{4}}{\operatorname {AGM} \left({\sqrt {2}},1\right)}^{\tfrac {1}{2}}}$

Otras relaciones racionales incluyen

${\displaystyle {\frac {\Gamma \left({\tfrac {1}{5}}\right)\Gamma \left({\tfrac {4}{15}}\right)}{\Gamma \left({\tfrac {1}{3}}\right)\Gamma \left({\tfrac {2}{15}}\right)}}={\frac {{\sqrt {2}}\,{\sqrt[{20}]{3}}}{{\sqrt[{6}]{5}}\,{\sqrt[{4}]{5-{\frac {7}{\sqrt {5}}}+{\sqrt {6-{\frac {6}{\sqrt {5}}}}}}}}}}$

${\displaystyle {\frac {\Gamma \left({\tfrac {1}{20}}\right)\Gamma \left({\tfrac {9}{20}}\right)}{\Gamma \left({\tfrac {3}{20}}\right)\Gamma \left({\tfrac {7}{20}}\right)}}={\frac {{\sqrt[{4}]{5}}\left(1+{\sqrt {5}}\right)}{2}}}$^[5]

${\displaystyle {\frac {\Gamma \left({\frac {1}{5}}\right)^{2}}{\Gamma \left({\frac {1}{10}}\right)\Gamma \left({\frac {3}{10}}\right)}}={\frac {\sqrt {1+{\sqrt {5}}}}{2^{\tfrac {7}{10}}{\sqrt[{4}]{5}}}}}$

y muchas más relaciones para Γ( ⁠norte/d⁠ ) ​​donde el denominador d divide a 24 o 60. ^[6]

Los cocientes gamma con valores algebraicos deben estar "equilibrados" en el sentido de que la suma de los argumentos sea la misma (módulo 1) para el denominador y el numerador.

Un ejemplo más sofisticado:

${\displaystyle {\frac {\Gamma \left({\frac {11}{42}}\right)\Gamma \left({\frac {2}{7}}\right)}{\Gamma \left({\frac {1}{21}}\right)\Gamma \left({\frac {1}{2}}\right)}}={\frac {8\sin \left({\frac {\pi }{7}}\right){\sqrt {\sin \left({\frac {\pi }{21}}\right)\sin \left({\frac {4\pi }{21}}\right)\sin \left({\frac {5\pi }{21}}\right)}}}{2^{\frac {1}{42}}3^{\frac {9}{28}}7^{\frac {1}{3}}}}}$^[7]

Argumentos imaginarios y complejos

La función gamma en la unidad imaginaria i = √ −1 da OEIS : A212877 , OEIS : A212878 :

${\displaystyle \Gamma (i)=(-1+i)!\approx -0.1549-0.4980i.}$

También puede expresarse en términos de la función G de Barnes :

${\displaystyle \Gamma (i)={\frac {G(1+i)}{G(i)}}=e^{-\log G(i)+\log G(1+i)}.}$

Curiosamente, aparece en la siguiente evaluación integral: ^[8] ${\displaystyle \Gamma (i)}$

${\displaystyle \int _{0}^{\pi /2}\{\cot(x)\}\,dx=1-{\frac {\pi }{2}}+{\frac {i}{2}}\log \left({\frac {\pi }{\sinh(\pi )\Gamma (i)^{2}}}\right).}$

Aquí se denota la parte fraccionaria . ${\displaystyle \{\cdot \}}$

Debido a la fórmula de reflexión de Euler y al hecho de que , tenemos una expresión para el módulo al cuadrado de la función Gamma evaluada en el eje imaginario: ${\displaystyle \Gamma ({\bar {z}})={\bar {\Gamma }}(z)}$

${\displaystyle \left|\Gamma (i\kappa )\right|^{2}={\frac {\pi }{\kappa \sinh(\pi \kappa )}}}$

Por lo tanto, la integral anterior se relaciona con la fase de . ${\displaystyle \Gamma (i)}$

La función gamma con otros argumentos complejos retorna

${\displaystyle \Gamma (1+i)=i\Gamma (i)\approx 0.498-0.155i}$

${\displaystyle \Gamma (1-i)=-i\Gamma (-i)\approx 0.498+0.155i}$

${\displaystyle \Gamma ({\tfrac {1}{2}}+{\tfrac {1}{2}}i)\approx 0.818\,163\,9995-0.763\,313\,8287\,i}$

${\displaystyle \Gamma ({\tfrac {1}{2}}-{\tfrac {1}{2}}i)\approx 0.818\,163\,9995+0.763\,313\,8287\,i}$

${\displaystyle \Gamma (5+3i)\approx 0.016\,041\,8827-9.433\,293\,2898\,i}$

${\displaystyle \Gamma (5-3i)\approx 0.016\,041\,8827+9.433\,293\,2898\,i.}$

Otras constantes

La función gamma tiene un mínimo local en el eje real positivo

${\displaystyle x_{\min }=1.461\,632\,144\,968\,362\,341\,262\ldots \,}$ Norma OEIS : A030169

con el valor

${\displaystyle \Gamma \left(x_{\min }\right)=0.885\,603\,194\,410\,888\ldots \,}$ Número de identificación oficial de la empresa : A030171 .

La integración de la función gamma recíproca a lo largo del eje real positivo también da la constante de Fransén-Robinson .

En el eje real negativo, los primeros máximos y mínimos locales (ceros de la función digamma ) son:

Véase también

• Fórmula de Chowla-Selberg

Referencias

1. Waldschmidt, Michel (2006). "Trascendencia de los períodos: el estado del arte". Pure and Applied Mathematics Quarterly . 2 (2): 435–463. doi :10.4310/PAMQ.2006.v2.n2.a3.
2. "Copia archivada" . Consultado el 9 de marzo de 2015 .
3. funciones trigonométricas q de Gosper ", Actas de la American Mathematical Society , 141 (7): 2401–2410, doi : 10.1090/s0002-9939-2013-11576-5
4. Blagouchine, Iaroslav V. (1 de octubre de 2014). "Redescubrimiento de las integrales de Malmsten, su evaluación mediante métodos de integración de contornos y algunos resultados relacionados". The Ramanujan Journal . 35 (1): 21–110. doi :10.1007/s11139-013-9528-5. ISSN  1572-9303.
5. Weisstein, Eric W. "Función gamma". MathWorld .
6. Raimundas Vidūnas, Expresiones para valores de la función gamma
7. matemáticas.stackexchange.com
8. La página web de István Mező

Lectura adicional

• Gramain, F. (1981). "Sur le théorème de Fukagawa-Gel'fond". Inventar. Matemáticas . 63 (3): 495–506. Código Bib : 1981 En Mat..63..495G. doi :10.1007/BF01389066. S2CID  123079859.
• Borwein, JM; Zucker, IJ (1992). "Evaluación rápida de la función gamma para fracciones racionales pequeñas utilizando integrales elípticas completas de primer tipo". IMA Journal of Numerical Analysis . 12 (4): 519–526. doi :10.1093/imanum/12.4.519. MR  1186733.
• X. Gourdon y P. Sebah. Introducción a la función gamma
• Weisstein, Eric W. "Función gamma". MathWorld .
• Viduñas, Raimundas (2005). "Expresiones para valores de la función gamma". Revista de Matemáticas de Kyushu . 59 (2): 267–283. arXiv : math.CA/0403510 . doi :10.2206/kyushujm.59.267. S2CID  119623635.
• Viduñas, Raimundas (2005). "Expresiones para valores de la función gamma". Kyushu J. Matemáticas . 59 (2): 267–283. arXiv : matemáticas/0403510 . doi :10.2206/kyushujm.59.267. SEÑOR  2188592. S2CID  119623635.
• Adamchik, VS (2005). "Función gamma múltiple y su aplicación al cálculo de series" (PDF) . The Ramanujan Journal . 9 (3): 271–288. arXiv : math/0308074 . doi :10.1007/s11139-005-1868-3. MR  2173489. S2CID  15670340.
• Duque, W.; Imamoglu, O. (2006). "Valores especiales de múltiples funciones gamma" (PDF) . Journal de Théorie des Nombres de Burdeos . 18 (1): 113–123. doi :10.5802/jtnb.536. SEÑOR  2245878.