我们熟知阶乘的基本概念,对于正整数n,其阶乘的定义如下,以符号n!表示:
n! = 1 × 2 × 3 × … × n
对于n=1, 2, 3等正整数,阶乘的算法十分直观。
我们容易发现一个重要的规律:
(n+1)! = 1 × 2 × 3 × … × n × (n+1)
= n! × (n+1)
(n+1)! = n! × (n+1)
这一规律对于n=0也同样适用,我们定义0!为:(0+1)!/(0+1) = 1!/1 = 1。
对于0和正整数的阶乘,理解起来十分简单明了。但在实际学习中,我们偶尔会遇到非整数的阶乘问题。
那么,0.5的阶乘等于多少呢?这似乎是个难题,因为它涉及到了非整数的阶乘计算。
为了解决这个问题,我们引入了著名的伽马函数。
伽马函数Γ(α):
Γ(α) = ∫(从0到+∞)[x^(α-1) × e^(-x)]dx,其中α>0。
为了更易于理解,我们可以借助分部积分法来进行一些推导:
分部积分法的公式:
u × v = ∫(u' × v)dx + ∫(u × v')dx
以及它的变形形式。
接下来,我们回到伽马函数的推导上。
以Γ(α)的常见推导为例,当α=1时,有:
Γ(1) = ∫(从0到+∞)[e^(-x)]dx
通过计算积分,我们得到Γ(1)的值为1。
对于n∈N(自然数集),伽马函数有如下递推关系:
Γ(n) = ∫(从0到+∞)[x^(n-1) × e^(-x)]dx
以及Γ(n+1)的推导等等。
通过一系列的推导和计算,我们得到一个重要的结论:
对于任意实数α>-1,都有Γ(α+1) = α × Γ(α)。
特别地,当α为正整数时,Γ(α+1)简化为α!。
于是,我们得到了一个全新的阶乘定义:对于大于-1的实数α,其阶乘可以定义为Γ(α+1)。
例如:(1/2)! 可以被定义为 Γ(3/2),并通过高斯正态函数的定积分来求解。
(1/2)! 的计算结果为√π/2,约等于0.8862...
至此,我们不仅重新认识了阶乘的概念,还学会了如何计算非整数的阶乘。这是数学中的一大突破。