Бета-функция
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:
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
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 ]- Бета-распределение и бета-простое распределение , два распределения вероятностей, связанные с бета-функцией.
- Сумма Якоби — аналог бета-функции над конечными полями .
- Интеграл Норлунда – Райса
- Распределение Юла – Саймона
Эта статья включает список общих ссылок , но в ней отсутствуют достаточные соответствующие встроенные цитаты . ( Ноябрь 2010 г. ) |
Ссылки
[ редактировать ]- ^ 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.
- ^ Артин, Эмиль, Гамма-функция (PDF) , стр. 18–19, заархивировано из оригинала (PDF) 12 ноября 2016 г. , получено 11 ноября 2016 г.
- ^ Бета-функция: Представления серий (формула 18.06.06.0007)
- ^ 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
- ^ «Формула отражения Эйлера — ProofWiki» , proofwiki.org , получено 2 сентября 2020 г.
- ^ 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 .
- ^ 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
- ^ 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 .
- Аски, РА ; Рой, Р. (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 .
- Пресс, WH; Теукольский, С.А.; Феттерлинг, WT; Фланнери, Б.П. (2007), «Раздел 6.1 Гамма-функция, бета-функция, факториалы» , Численные рецепты: искусство научных вычислений (3-е изд.), Нью-Йорк: Cambridge University Press, ISBN 978-0-521-88068-8 , заархивировано из оригинала 27 октября 2021 г. , получено 9 августа 2011 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- «Бета-функция» , Математическая энциклопедия , EMS Press , 2001 [1994]
- Оценка бета-функции с использованием преобразования Лапласа в PlanetMath .
- Произвольно точные значения можно получить из: