談談:自然常數e與伽馬函數之間的美妙關係

2020-12-05 電子通信和數學

上篇文章談到《e與一元三次方程的根的關係》,為了證明e不是一元三次方程的根,必須了伽馬函數的本質原理,才能解答。本篇重點介紹自然常數e與伽馬函數之間的關係。

總的來說,這個等式說的是n!等於函數x^n*e^(-x)與X軸圍城的面積,從x=0一直到無窮

(這個等式根據前幾篇證明e是超越數和無理數的相關文章很容易得到,在此不做證明)

例如n=2時函數圖形,橙色的面積等於2!

n=4時函數圖形,橙色的面積等於4!,依次類推每一條曲線都是一個波,都會漸漸減少到0。

這個積分給e和整數之間搭上了橋梁,但它有什麼用呢?

讓我們把它搞的複雜一點,我們來插入一個整數系多項式P(X)

雖然看上去比較複雜,但是在展開後,這其實就是一堆的伽馬積分的和,所以這個含有多項式的積分也是個整數,而且展開後每個積分的X次方都至少是n。(這一句很容易理解哦)

所以整個積分的形式就是n!乘上一個整數

現在我們就有了進展了,記住我們先前講了多項式的係數A,B,C和D

這裡的P(X) 可以是任意整數的多項式,這樣就能使共同的分母A等於1/n!乘以這個積分(這一步比較容易得到,夥伴們開動下腦筋)

我們在上面的式子提到過,A肯定是整數,現在我們看看分子,讓我們看看e^3的狀況,變形得到,現在我們只需要知道,怎麼把e^3XA寫成一個幾乎為整數的數或者一個整數+一個很小的數(前面證明e是超越數文章已經得出)

我們把e^3放到積分A

整理得到

現在只要我們巧妙的選擇P(X),我們就能讓第一個部分很小,如果n超大,那麼我們在分母上就有個超級大的n!,雖然積分裡面的X^n也會很大,但是這個積分只是在有限的區間0到3上的積分,雖然需要有嚴謹的步驟來證明,但學過微積分的朋友肯定知道X^n/n!的極限肯定是0

我們現在要證明如下為什麼等於整數,注意這個積分從X=3開始,說明我們把整個式子往左平移3個單位。

那麼我們就能看成一個新的積分,從X=0開始積分到無窮。這個平移也就是把X換成X+3

因為我們知道了任何整係數多項式xe^(-x)的積分都是整數。P(X)可以是任意多項式,所以P(X)可以寫成

帶入得到

X^n挪到前面去,藍色趨區域只不過是另一個多項式

所以D是個整數

所以得到自然常數e與伽馬函數之間的美妙關係。下一篇將繼續解答伽馬函數與證明e不是一元三次方程的根之間的關係。

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