Jump to content

Бета-функция

(Перенаправлено из неполной бета-функции )
Контурный график бета-функции

В математике бета -функция , также называемая интегралом Эйлера первого рода, представляет собой специальную функцию , тесно связанную с гамма-функцией и биномиальными коэффициентами . Он определяется интегралом

для комплексных чисел ввода такой, что .

Бета-функция изучалась Леонардом Эйлером и Адриеном-Мари Лежандром, а свое имя ей дал Жак Бине ; его символ В греческая заглавная бета .

Характеристики

[ редактировать ]

Бета-функция симметрична , это означает, что для всех входов и . [1]

Ключевым свойством бета-функции является ее тесная связь с гамма-функцией : [1]

Доказательство приведено ниже в § Связь с гамма-функцией .

Бета-функция также тесно связана с биномиальными коэффициентами . Когда m (или n по симметрии) является положительным целым числом, из определения гамма-функции Γ следует , что [1]

Связь с гамма-функцией

[ редактировать ]

Простой вывод соотношения можно найти в Эмиля Артина книге «Гамма-функция» , стр. 18–19. [2] Чтобы получить это соотношение, запишите произведение двух факториалов в виде

Заменяя переменные на u = st и v = s (1 − t ) , поскольку u + v = s и u / (u+v) = t , мы получаем, что пределы интегрирования для s равны от 0 до ∞, а пределы интегрирование для t от 0 до 1. Таким образом, получается

Разделив обе части на дает желаемый результат.

Указанное тождество можно рассматривать как частный случай тождества интеграла свертки . принимая

у одного есть:

Дифференцирование бета-функции

[ редактировать ]

У нас есть

где обозначает дигамма-функцию .

Приближение

[ редактировать ]

Приближение Стирлинга дает асимптотическую формулу

для больших x и больших y .

С другой стороны, если x велико, а y фиксировано, то

Другие тождества и формулы

[ редактировать ]

Интеграл, определяющий бета-функцию, можно переписать разными способами, включая следующие:

где в предпоследнем тождестве n — любое положительное действительное число. От первого интеграла ко второму можно перейти, подставив .

Бета-функция может быть записана в виде бесконечной суммы [3]

(где это возрастающий факториал )

и как бесконечный продукт

Бета-функция удовлетворяет нескольким тождествам, аналогичным соответствующим тождествам для биномиальных коэффициентов, включая версию тождества Паскаля

и простая рекурсия по одной координате:

[4]

Положительные целые значения бета-функции также являются частными производными двумерной функции: для всех неотрицательных целых чисел и ,

где

Из приведенного выше тождества Паскаля следует, что эта функция является решением уравнения в частных производных первого порядка

Для , бета-функция может быть записана в виде свертки, включающей усеченную степенную функцию :

Оценки в определенных точках могут значительно упроститься; например,

и

[5]

Взяв из этой последней формулы следует, что .Обобщение этого до двумерного тождества для произведения бета-функций приводит к:

Интеграл Эйлера для бета-функции можно преобразовать в интеграл по контуру Похгаммера C как

Этот контурный интеграл Похгаммера сходится для всех значений α и β и, таким образом, дает аналитическое продолжение бета-функции.

Точно так же, как гамма-функция для целых чисел описывает факториалы , бета-функция может определять биномиальный коэффициент после корректировки индексов:

Более того, для целого числа n В значений можно факторизовать, чтобы получить интерполяционную функцию замкнутой формы для непрерывных k :

Обратная бета-функция

[ редактировать ]

Обратная бета-функция — это функция вида

Интересно, что их интегральные представления тесно связаны как определенный интеграл тригонометрических функций с произведением ее степени и кратного угла : [6]

Неполная бета-функция

[ редактировать ]

Неполная бета-функция , обобщение бета-функции, определяется как [7] [8]

При x = 1 неполная бета-функция совпадает с полной бета-функцией. Отношения между двумя функциями аналогичны отношениям между гамма-функцией и ее обобщением — неполной гамма-функцией . Для натуральных чисел a и b неполная бета-функция будет многочленом степени a + b - 1 с рациональными коэффициентами.

Путем замены и , мы показываем это

Регуляризованная неполная бета-функция (или для краткости регуляризованная бета-функция ) определяется в терминах неполной бета-функции и полной бета-функции:

Регуляризованная неполная бета-функция является кумулятивной функцией распределения бета -распределения и связана с кумулятивной функцией распределения. X случайной величины , следующей биномиальному распределению с вероятностью единичного успеха p и количеством испытаний Бернулли n :

Характеристики

[ редактировать ]

Продолжение расширения фракции

[ редактировать ]

расширение фракции Продолжающееся

с нечетными и четными коэффициентами соответственно

быстро сходится, когда не близко к 1. и конвергенты меньше, чем , в то время как и конвергенты больше, чем .

Для , функция может быть оценена более эффективно, используя . [8]

Многомерная бета-функция

[ редактировать ]

Бета-функция может быть расширена до функции с более чем двумя аргументами:

Эта многомерная бета-функция используется при определении распределения Дирихле . Его связь с бета-функцией аналогична взаимосвязи между полиномиальными коэффициентами и биномиальными коэффициентами. Например, он удовлетворяет аналогичной версии тождества Паскаля:

Приложения

[ редактировать ]

Бета-функция полезна при вычислении и представлении амплитуды рассеяния для траекторий Редже . Более того, это была первая известная амплитуда рассеяния в теории струн , впервые предложенная Габриэле Венециано . Это также происходит в теории процесса преимущественной привязанности , разновидности стохастического процесса урны . Бета-функция также важна в статистике, например, для бета-распределения и бета-простого распределения . Как кратко упоминалось ранее, бета-функция тесно связана с гамма-функцией и играет важную роль в исчислении .

Программная реализация

[ редактировать ]

Даже если они недоступны напрямую, полные и неполные значения бета-функции можно рассчитать с помощью функций, обычно включаемых в электронные таблицы или системы компьютерной алгебры .

в Microsoft Excel полную бета-функцию можно вычислить с помощью Например, GammaLn функция (или special.gammaln в пакете Python SciPy ):

Value = Exp(GammaLn(a) + GammaLn(b) − GammaLn(a + b))

свойств Этот результат следует из перечисленных выше .

Неполную бета-функцию нельзя вычислить напрямую с использованием таких соотношений, поэтому необходимо использовать другие методы. В GNU Octave оно вычисляется с использованием разложения цепной дроби .

Неполная бета-функция уже реализована на распространенных языках. Например, betainc (неполная бета-функция) в MATLAB и GNU Octave , pbeta (вероятность бета-распределения) в R или special.betainc в SciPy вычисляют регуляризованную неполную бета-функцию — которая, по сути, является кумулятивным бета-распределением — и поэтому, чтобы получить фактическую неполную бета-функцию, нужно умножить результат betainc по результату, возвращаемому соответствующим beta функция. В Математике Beta[x, a, b] и BetaRegularized[x, a, b] давать и , соответственно.

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ Jump up to: а б с Дэвис, Филип Дж. (1972), «6. Гамма-функция и родственные функции», в Абрамовице, Милтон ; Стеган, Ирен А. (ред.), Справочник по математическим функциям с формулами, графиками и математическими таблицами , Нью-Йорк: Dover Publications , стр. 258, ISBN  978-0-486-61272-0 . В частности, см. 6.2 Бета-функция.
  2. ^ Артин, Эмиль, Гамма-функция (PDF) , стр. 18–19, заархивировано из оригинала (PDF) 12 ноября 2016 г. , получено 11 ноября 2016 г.
  3. ^ Бета-функция: Представления серий (формула 18.06.06.0007)
  4. ^ Мяклин, Томми (2022), Вероятностные методы метагеномики высокого разрешения (PDF) , Серия публикаций A / Департамент компьютерных наук, Хельсинкский университет, Хельсинки: Unigrafia, стр. 27, ISBN  978-951-51-8695-9 , ISSN   2814-4031
  5. ^ «Формула отражения Эйлера — ProofWiki» , proofwiki.org , получено 2 сентября 2020 г.
  6. ^ Пэрис, РБ (2010), «Бета-функция» , Олвер, Фрэнк У.Дж .; Лозье, Дэниел М.; Буасверт, Рональд Ф.; Кларк, Чарльз В. (ред.), Справочник NIST по математическим функциям , издательство Кембриджского университета, ISBN  978-0-521-19225-5 , МР   2723248 .
  7. ^ Зелен, М.; Северо, Северная Каролина (1972), «26. Функции вероятности», в Абрамовице, Милтон ; Стеган, Ирен А. (ред.), Справочник по математическим функциям с формулами, графиками и математическими таблицами , Нью-Йорк: Dover Publications , стр. 944 , ISBN  978-0-486-61272-0
  8. ^ Jump up to: а б Пэрис, РБ (2010), «Неполные бета-функции» , Олвер, Фрэнк У.Дж .; Лозье, Дэниел М.; Буасверт, Рональд Ф.; Кларк, Чарльз В. (ред.), Справочник NIST по математическим функциям , издательство Кембриджского университета, ISBN  978-0-521-19225-5 , МР   2723248 .
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 89bb01fdd9246481857f6a3859f3e905__1720793340
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/89/05/89bb01fdd9246481857f6a3859f3e905.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Beta function - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)