函数公式网 函数的定义 阶乘也很有趣:从阶乘到伽玛函数再到非整数阶乘

阶乘也很有趣:从阶乘到伽玛函数再到非整数阶乘

任何大于或等于1的自然数n阶乘:

下表给出了一些自然数的阶乘值:

https://en.wikipedia.org/wiki/Factorial

100! 是一个158位的整数

100! 这么大的数字是怎么算出来的?

直接计算阶乘需要大量的乘法运算,而且位数太多,计算机无法表达。 这时,常采用对数法将阶乘的乘法运算转化为加法运算。 例如

写一段Python语言代码求等式右边的值:

import math

digit_num =0.0

for i in range (100):

digit_num = math.log10(i 1)

print(digit_num)

运行得到

157.97000365471575(约),即

这显示100! 是一个 158 位数字。 根据对数函数指数函数的关系,可以反算出阶乘值:

之前不理解对数含义的朋友,到这里可以体会到对数的强大威力了吧?

另外,factorial还有一个有趣的近似公式:

Stirling()公式——Stirling的近似

Stirling公式与阶乘曲线的比较

p>

我们来实际验证一下斯特林公式的错误。 将 n=100 代入上述公式得到 100! ≈9.32484762526934324776475612717870232347097456474180622928179581533688495555540466030862391627555227673250661579827505817302017886487207720230946742094857267442225508190492286520310411195040966964294345297084311638093420567576481015234062861600852667351728186398316114266209416847362850304098552423112683442073070730677904381​​91255736013812573265362270229118719809726115438569410402607630035313046957956392566366745658132452941877904052886947223641749037779513877635612354880691524914259437590327045612488757528210… × 10^157

与我们用对数求得的值之间的误差大约为0.08329%,即万分之8.3,相当精准吧! ! !

续阶乘

点(n, n!)可以是(0, 0!), (1,1!), (2,2!), ( 3 ,3!),… 表示在平面坐标系上。

n!, n=0..4

n!, n=0..6

n!, n=0..10

p>

n!, n=0..10

n!, n=0..10

n! p>

我们能否找到一条可以通过以上所有点(n,n!)的数学曲线? 找到这样一条曲线的过程是数学上的解析延续,从整数领域到实数领域。

伽玛函数

人类刚刚发现了这样一个函数,即伽玛函数(Gamma Function)。 伽玛函数的定义如下:

伽玛函数是由定积分公式定义的函数,所以求伽玛函数就变成了定积分。 不难发现:

然后

gamma函数与实数域层次的关系

这些结论我就不证明了。 一方面,这些知识可以很方便地找到。 还有一个更重要的方面是,毕竟我的目的不是为了吓唬大家炫耀自己的知识,而是把数学的奥秘、美丽和魅力尽可能完整地分享和呈现给大家。

从这个等式可以看出,阶乘不就是伽马函数从实数域到整数域的降维函数吗? 相反,gamma函数不就是阶乘序列从整数域到实数域的延拓吗?

由伽马函数导出的一个常数是弗朗森-罗宾逊常数:

问题:伽马函数是唯一的解析扩展吗? 阶乘运算?

答案是否定的,因为有无数的扩展函数可以满足这样的需求。 例如,当横坐标为整数时,以下函数的值等于对应的阶乘值:

实数域的阶乘函数

因为

也就是说

p>

阶乘函数表示如下:

阶乘函数具有以下递归性质(从小到大, 计算正数的阶乘时用到的):

由上面的递归公式,我们可以得到一个新的递推公式(从大到小,计算负数的阶乘时用到的):

我们尝试求出几个非整数实数的阶乘函数值:

根据这个值,可以推导出其他系列的值:

这个π (x)是实数域阶乘函数的合理定义公式。 阶乘函数的曲线y=π(x)=x! 如下:

我们发现上述阶乘函数在负整数处是不连续的,即不收敛,这与我们的计算结果是一致的:

最后发现 两个特殊的阶乘

其实阶乘也可以推广到复数域,比如

复数函数

图形如下

p>

(cosx isinx)的图!

家人在哪里? 云外有鸡

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3.1 求抽象函数域的方法

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