Приближение Стерлинга

Приближение для факториалов
Сравнение приближения Стирлинга с факториалом

В математике приближение Стирлинга (или формула Стирлинга ) является асимптотическим приближением для факториалов . Это хорошее приближение, приводящее к точным результатам даже для малых значений . Оно названо в честь Джеймса Стирлинга , хотя родственный, но менее точный результат был впервые сформулирован Абрахамом де Муавром . [1] [2] [3] н {\displaystyle n}

Один из способов сформулировать приближение включает логарифм факториала: где большая нотация O означает, что для всех достаточно больших значений разница между и будет не более чем пропорциональна логарифму . В приложениях компьютерной науки, таких как наихудшая нижняя граница для сортировки сравнения , удобно вместо этого использовать двоичный логарифм , давая эквивалентную форму Член ошибки в любом основании может быть выражен более точно как , что соответствует приближенной формуле для самого факториала, Здесь знак означает, что две величины являются асимптотическими, то есть их отношение стремится к 1 при стремлении к бесконечности. вн ( н ! ) = н вн н н + О ( вн н ) , {\ displaystyle \ ln (n!) = n \ ln n-n + O (\ ln n),} н {\displaystyle n} вн ( н ! ) {\displaystyle \ln(n!)} н вн н н {\displaystyle n\ln nn} н {\displaystyle n} бревно 2 ( н ! ) = н бревно 2 н н бревно 2 е + О ( бревно 2 н ) . {\displaystyle \log _{2}(n!)=n\log _{2}nn\log _{2}e+O(\log _{2}n).} 1 2 бревно ( 2 π н ) + О ( 1 н ) {\displaystyle {\tfrac {1}{2}}\log(2\pi n)+O({\tfrac {1}{n}})} н ! 2 π н ( н е ) н . {\displaystyle n!\sim {\sqrt {2\pi n}}\left({\frac {n}{e}}\right)^{n}.} {\displaystyle \сим } н {\displaystyle n}

Вывод

Грубо говоря, простейшую версию формулы Стирлинга можно быстро получить, аппроксимировав сумму интегралом : вн ( н ! ) = дж = 1 н вн дж {\displaystyle \ln(n!)=\sum _{j=1}^{n}\ln j} дж = 1 н вн дж 1 н вн х г х = н вн н н + 1. {\displaystyle \sum _{j=1}^{n}\ln j\approx \int _{1}^{n}\ln x\,{\rm {d}}x=n\ln n-n+1.}

Полная формула вместе с точными оценками ее погрешности может быть получена следующим образом. Вместо аппроксимации , рассматривается ее натуральный логарифм , поскольку это медленно меняющаяся функция : н ! {\displaystyle н!} вн ( н ! ) = вн 1 + вн 2 + + вн н . {\displaystyle \ln(n!)=\ln 1+\ln 2+\cdots +\ln n.}

Правая часть этого уравнения минус есть приближение по правилу трапеций интеграла 1 2 ( вн 1 + вн н ) = 1 2 вн н {\displaystyle {\tfrac {1}{2}}(\ln 1+\ln n) = {\tfrac {1}{2}}\ln n} вн ( н ! ) 1 2 вн н 1 н вн х г х = н вн н н + 1 , {\displaystyle \ln(n!)-{\tfrac {1}{2}}\ln n\approx \int _{1}^{n}\ln x\,{\rm {d}}x=n\ln n-n+1,}

и ошибка в этом приближении определяется формулой Эйлера–Маклорена : вн ( н ! ) 1 2 вн н = 1 2 вн 1 + вн 2 + вн 3 + + вн ( н 1 ) + 1 2 вн н = н вн н н + 1 + к = 2 м ( 1 ) к Б к к ( к 1 ) ( 1 н к 1 1 ) + Р м , н , {\displaystyle {\begin{align}\ln(n!)-{\tfrac {1}{2}}\ln n&={\tfrac {1}{2}}\ln 1+\ln 2+\ln 3+\cdots +\ln(n-1)+{\tfrac {1}{2}}\ln n\\&=n\ln n-n+1+\sum _{k=2}^{m}{\frac {(-1)^{k}B_{k}}{k(k-1)}}\left({\frac {1}{n^{k-1}}}-1\right)+R_{m,n},\end{align}}}

где — число Бернулли , а R m , n — остаточный член в формуле Эйлера–Маклорена. Возьмите пределы, чтобы найти, что Б к {\displaystyle B_{k}} лим н ( вн ( н ! ) н вн н + н 1 2 вн н ) = 1 к = 2 м ( 1 ) к Б к к ( к 1 ) + лим н Р м , н . {\displaystyle \lim _{n\to \infty}\left(\ln(n!)-n\ln n+n-{\tfrac {1}{2}}\ln n\right)=1-\sum _{k=2}^{m}{\frac {(-1)^{k}B_{k}}{k(k-1)}}+\lim _{n\to \infty}R_{m,n}.}

Обозначим этот предел как . Поскольку остаток R m , n в формуле Эйлера–Маклорена удовлетворяет условию у {\displaystyle у} Р м , н = лим н Р м , н + О ( 1 н м ) , {\displaystyle R_{m,n}=\lim _{n\to \infty }R_{m,n}+O\left({\frac {1}{n^{m}}}\right),}

где используется обозначение «большое О» , объединение приведенных выше уравнений дает приближенную формулу в логарифмической форме: вн ( н ! ) = н вн ( н е ) + 1 2 вн н + у + к = 2 м ( 1 ) к Б к к ( к 1 ) н к 1 + О ( 1 н м ) . {\displaystyle \ln(n!)=n\ln \left({\frac {n}{e}}\right)+{\tfrac {1}{2}}\ln n+y+\sum _{k=2}^{m}{\frac {(-1)^{k}B_{k}}{k(k-1)n^{k-1}}}+O\left({\frac {1}{n^{m}}}\right).}

Взяв показательную часть обеих сторон и выбрав любое положительное целое число , получаем формулу, содержащую неизвестную величину . Для m = 1 формула имеет вид м {\displaystyle м} е у {\displaystyle e^{y}} н ! = е у н ( н е ) н ( 1 + О ( 1 н ) ) . {\displaystyle n!=e^{y}{\sqrt {n}}\left({\frac {n}{e}}\right)^{n}\left(1+O\left({\frac {1}{n}}\right)\right).}

Величину можно найти, взяв предел с обеих сторон при стремлении к бесконечности и используя произведение Уоллиса , которое показывает, что . Таким образом, получаем формулу Стирлинга: е у {\displaystyle e^{y}} н {\displaystyle n} е у = 2 π {\displaystyle e^{y}={\sqrt {2\pi }}} н ! = 2 π н ( н е ) н ( 1 + О ( 1 н ) ) . {\displaystyle n!={\sqrt {2\pi n}}\left({\frac {n}{e}}\right)^{n}\left(1+O\left({\frac {1}{n}}\right)\right).}

Альтернативные производные

Альтернативная формула для использования гамма-функции (как можно увидеть с помощью повторного интегрирования по частям) имеет вид : Переписывая и меняя переменные x = ny , получаем Применяя метод Лапласа , получаем что восстанавливает формулу Стирлинга: н ! {\displaystyle н!} н ! = 0 х н е х г х . {\displaystyle n!=\int _{0}^{\infty }x^{n}e^{-x}\,{\rm {d}}x.} n ! = 0 e n ln x x d x = e n ln n n 0 e n ( ln y y ) d y . {\displaystyle n!=\int _{0}^{\infty }e^{n\ln x-x}\,{\rm {d}}x=e^{n\ln n}n\int _{0}^{\infty }e^{n(\ln y-y)}\,{\rm {d}}y.} 0 e n ( ln y y ) d y 2 π n e n , {\displaystyle \int _{0}^{\infty }e^{n(\ln y-y)}\,{\rm {d}}y\sim {\sqrt {\frac {2\pi }{n}}}e^{-n},} n ! e n ln n n 2 π n e n = 2 π n ( n e ) n . {\displaystyle n!\sim e^{n\ln n}n{\sqrt {\frac {2\pi }{n}}}e^{-n}={\sqrt {2\pi n}}\left({\frac {n}{e}}\right)^{n}.}

Высшие порядки

Фактически, дальнейшие поправки также могут быть получены с помощью метода Лапласа. Из предыдущего результата мы знаем, что , поэтому мы «отслаиваем» этот доминирующий член, затем выполняем две замены переменных, чтобы получить: Чтобы проверить это: . Γ ( x ) x x e x {\displaystyle \Gamma (x)\sim x^{x}e^{-x}} x x e x Γ ( x ) = R e x ( 1 + t e t ) d t {\displaystyle x^{-x}e^{x}\Gamma (x)=\int _{\mathbb {R} }e^{x(1+t-e^{t})}dt} R e x ( 1 + t e t ) d t = t ln t e x 0 t x 1 e x t d t = t t / x x x e x 0 e t t x 1 d t = x x e x Γ ( x ) {\displaystyle \int _{\mathbb {R} }e^{x(1+t-e^{t})}dt{\overset {t\mapsto \ln t}{=}}e^{x}\int _{0}^{\infty }t^{x-1}e^{-xt}dt{\overset {t\mapsto t/x}{=}}x^{-x}e^{x}\int _{0}^{\infty }e^{-t}t^{x-1}dt=x^{-x}e^{x}\Gamma (x)}

Теперь функция унимодальная, с максимальным значением ноль. Локально около нуля она выглядит как , поэтому мы можем выполнить метод Лапласа. Чтобы расширить метод Лапласа до более высоких порядков, мы выполняем еще одну замену переменных на . Это уравнение не может быть решено в замкнутой форме, но его можно решить последовательным расширением, что дает нам . Теперь вернемся к уравнению, чтобы получить обратите внимание, что нам не нужно на самом деле находить , так как он сокращается интегралом. Более высокие порядки могут быть достигнуты путем вычисления большего количества членов в , которые можно получить программно. [примечание 1] t 1 + t e t {\displaystyle t\mapsto 1+t-e^{t}} t 2 / 2 {\displaystyle -t^{2}/2} 1 + t e t = τ 2 / 2 {\displaystyle 1+t-e^{t}=-\tau ^{2}/2} t = τ τ 2 / 6 + τ 3 / 36 + a 4 τ 4 + O ( τ 5 ) {\displaystyle t=\tau -\tau ^{2}/6+\tau ^{3}/36+a_{4}\tau ^{4}+O(\tau ^{5})} x x e x Γ ( x ) = R e x τ 2 / 2 ( 1 τ / 3 + τ 2 / 12 + 4 a 4 τ 3 + O ( τ 4 ) ) d τ = 2 π ( x 1 / 2 + x 3 / 2 / 12 ) + O ( x 5 / 2 ) {\displaystyle x^{-x}e^{x}\Gamma (x)=\int _{\mathbb {R} }e^{-x\tau ^{2}/2}(1-\tau /3+\tau ^{2}/12+4a_{4}\tau ^{3}+O(\tau ^{4}))d\tau ={\sqrt {2\pi }}(x^{-1/2}+x^{-3/2}/12)+O(x^{-5/2})} a 4 {\displaystyle a_{4}} t = τ + {\displaystyle t=\tau +\cdots }

Таким образом, мы получаем формулу Стирлинга двух порядков: n ! = 2 π n ( n e ) n ( 1 + 1 12 n + O ( 1 n 2 ) ) . {\displaystyle n!={\sqrt {2\pi n}}\left({\frac {n}{e}}\right)^{n}\left(1+{\frac {1}{12n}}+O\left({\frac {1}{n^{2}}}\right)\right).}

Комплексно-аналитическая версия

Комплексно-аналитическая версия этого метода [4] заключается в рассмотрении коэффициента Тейлора показательной функции , вычисляемого по интегральной формуле Коши как 1 n ! {\displaystyle {\frac {1}{n!}}} e z = n = 0 z n n ! {\displaystyle e^{z}=\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {z^{n}}{n!}}} 1 n ! = 1 2 π i | z | = r e z z n + 1 d z . {\displaystyle {\frac {1}{n!}}={\frac {1}{2\pi i}}\oint \limits _{|z|=r}{\frac {e^{z}}{z^{n+1}}}\,\mathrm {d} z.}

Этот линейный интеграл затем может быть аппроксимирован с использованием метода седловой точки с соответствующим выбором радиуса контура . Доминирующая часть интеграла вблизи седловой точки затем аппроксимируется действительным интегралом и методом Лапласа, в то время как оставшаяся часть интеграла может быть ограничена сверху, чтобы получить член ошибки. r = r n {\displaystyle r=r_{n}}

Использование центральной предельной теоремы и распределения Пуассона

Альтернативная версия использует тот факт, что распределение Пуассона сходится к нормальному распределению по Центральной предельной теореме . [5]

Поскольку распределение Пуассона с параметром сходится к нормальному распределению со средним значением и дисперсией , их функции плотности будут примерно одинаковыми: λ {\displaystyle \lambda } λ {\displaystyle \lambda } λ {\displaystyle \lambda }

exp ( μ ) μ x x ! 1 2 π μ exp ( 1 2 ( x μ μ ) ) {\displaystyle {\frac {\exp(-\mu )\mu ^{x}}{x!}}\approx {\frac {1}{\sqrt {2\pi \mu }}}\exp(-{\frac {1}{2}}({\frac {x-\mu }{\sqrt {\mu }}}))}

Оценка этого выражения в среднем значении, при котором приближение особенно точно, упрощает это выражение до:

exp ( μ ) μ μ μ ! 1 2 π μ {\displaystyle {\frac {\exp(-\mu )\mu ^{\mu }}{\mu !}}\approx {\frac {1}{\sqrt {2\pi \mu }}}}

В результате ведения журналов получается:

μ + μ ln μ ln μ ! 1 2 ln 2 π μ {\displaystyle -\mu +\mu \ln \mu -\ln \mu !\approx -{\frac {1}{2}}\ln 2\pi \mu }

который можно легко переставить, чтобы получить:

ln μ ! μ ln μ μ + 1 2 ln 2 π μ {\displaystyle \ln \mu !\approx \mu \ln \mu -\mu +{\frac {1}{2}}\ln 2\pi \mu }

Оценка при дает обычную, более точную форму приближения Стирлинга. μ = n {\displaystyle \mu =n}

Скорость сходимости и оценки ошибок

Относительная ошибка в усеченном ряду Стирлинга по сравнению с , для членов от 0 до 5. Изломы на кривых представляют собой точки, в которых усеченный ряд совпадает с Γ( n + 1) . n {\displaystyle n}

Формула Стирлинга фактически является первым приближением к следующему ряду (теперь называемому рядом Стирлинга ): [6] n ! 2 π n ( n e ) n ( 1 + 1 12 n + 1 288 n 2 139 51840 n 3 571 2488320 n 4 + ) . {\displaystyle n!\sim {\sqrt {2\pi n}}\left({\frac {n}{e}}\right)^{n}\left(1+{\frac {1}{12n}}+{\frac {1}{288n^{2}}}-{\frac {139}{51840n^{3}}}-{\frac {571}{2488320n^{4}}}+\cdots \right).}

Явная формула для коэффициентов в этом ряду была дана Г. Немешом. [7] Дополнительные члены перечислены в On-Line Encyclopedia of Integer Sequences как A001163 и A001164. Первый график в этом разделе показывает относительную погрешность по сравнению с , для 1 через все 5 членов, перечисленных выше. (Бендер и Орзаг [8] стр. 218) дает асимптотическую формулу для коэффициентов: которая показывает, что она растет сверхэкспоненциально, и что по тесту отношения радиус сходимости равен нулю. n {\displaystyle n} A 2 j + 1 ( 1 ) j 2 ( 2 j ) ! / ( 2 π ) 2 ( j + 1 ) {\displaystyle A_{2j+1}\sim (-1)^{j}2(2j)!/(2\pi )^{2(j+1)}}

Относительная ошибка в усеченном ряду Стирлинга в зависимости от количества используемых членов

При n → ∞ ошибка в усеченном ряду асимптотически равна первому пропущенному члену. Это пример асимптотического разложения . Это не сходящийся ряд ; для любого конкретного значения существует только определенное количество членов ряда, которые улучшают точность, после чего точность ухудшается. Это показано на следующем графике, который показывает относительную ошибку в зависимости от количества членов в ряду для большего количества членов. Точнее, пусть S ( n , t ) будет рядом Стирлинга для членов, оцененных при  . Графики показывают , что при малом значении по сути является относительной ошибкой. n {\displaystyle n} t {\displaystyle t} n {\displaystyle n} | ln ( S ( n , t ) n ! ) | , {\displaystyle \left|\ln \left({\frac {S(n,t)}{n!}}\right)\right|,}

Записывая ряд Стирлинга в виде, известно, что ошибка при усечении ряда всегда имеет противоположный знак и самое большее ту же величину, что и первый пропущенный член. [ необходима ссылка ] ln ( n ! ) n ln n n + 1 2 ln ( 2 π n ) + 1 12 n 1 360 n 3 + 1 1260 n 5 1 1680 n 7 + , {\displaystyle \ln(n!)\sim n\ln n-n+{\tfrac {1}{2}}\ln(2\pi n)+{\frac {1}{12n}}-{\frac {1}{360n^{3}}}+{\frac {1}{1260n^{5}}}-{\frac {1}{1680n^{7}}}+\cdots ,}

Другие границы, полученные Роббинсом [9], действительны для всех положительных целых чисел : Эта верхняя граница соответствует остановке вышеуказанного ряда для после члена. Нижняя граница слабее, чем та, которая получается остановкой ряда после члена . Более свободная версия этой границы — для всех . n {\displaystyle n} 2 π n ( n e ) n e 1 12 n + 1 < n ! < 2 π n ( n e ) n e 1 12 n . {\displaystyle {\sqrt {2\pi n}}\left({\frac {n}{e}}\right)^{n}e^{\frac {1}{12n+1}}<n!<{\sqrt {2\pi n}}\left({\frac {n}{e}}\right)^{n}e^{\frac {1}{12n}}.} ln ( n ! ) {\displaystyle \ln(n!)} 1 n {\displaystyle {\frac {1}{n}}} 1 n 3 {\displaystyle {\frac {1}{n^{3}}}} n ! e n n n + 1 2 ( 2 π , e ] {\displaystyle {\frac {n!e^{n}}{n^{n+{\frac {1}{2}}}}}\in ({\sqrt {2\pi }},e]} n 1 {\displaystyle n\geq 1}

Формула Стирлинга для гамма-функции

Для всех положительных целых чисел, где Γ обозначает гамма-функцию . n ! = Γ ( n + 1 ) , {\displaystyle n!=\Gamma (n+1),}

Однако гамма-функция, в отличие от факториала, определена более широко для всех комплексных чисел, кроме неположительных целых; тем не менее, формула Стирлинга все еще может быть применена. Если Re( z ) > 0 , то ln Γ ( z ) = z ln z z + 1 2 ln 2 π z + 0 2 arctan ( t z ) e 2 π t 1 d t . {\displaystyle \ln \Gamma (z)=z\ln z-z+{\tfrac {1}{2}}\ln {\frac {2\pi }{z}}+\int _{0}^{\infty }{\frac {2\arctan \left({\frac {t}{z}}\right)}{e^{2\pi t}-1}}\,{\rm {d}}t.}

Повторное интегрирование по частям дает ln Γ ( z ) z ln z z + 1 2 ln 2 π z + n = 1 N 1 B 2 n 2 n ( 2 n 1 ) z 2 n 1 , {\displaystyle \ln \Gamma (z)\sim z\ln z-z+{\tfrac {1}{2}}\ln {\frac {2\pi }{z}}+\sum _{n=1}^{N-1}{\frac {B_{2n}}{2n(2n-1)z^{2n-1}}},}

где - th число Бернулли (обратите внимание, что предел суммы as не сходится, поэтому эта формула является просто асимптотическим разложением ). Формула верна для достаточно больших по абсолютной величине значений, когда | arg( z ) | < π − ε , где ε положительно, с погрешностью O ( z −2 N + 1 ) . Соответствующее приближение теперь можно записать: B n {\displaystyle B_{n}} n {\displaystyle n} N {\displaystyle N\to \infty } z {\displaystyle z} Γ ( z ) = 2 π z ( z e ) z ( 1 + O ( 1 z ) ) . {\displaystyle \Gamma (z)={\sqrt {\frac {2\pi }{z}}}\,{\left({\frac {z}{e}}\right)}^{z}\left(1+O\left({\frac {1}{z}}\right)\right).}

где разложение идентично разложению ряда Стирлинга выше для , за исключением того, что заменено на z − 1 . [10] n ! {\displaystyle n!} n {\displaystyle n}

Дальнейшее применение этого асимптотического разложения — для комплексного аргумента z с константой Re( z ) . См., например, формулу Стирлинга, примененную в Im( z ) = t тета-функции Римана –Зигеля на прямой 1/4 + это .

Границы ошибок

Для любого положительного целого числа вводятся следующие обозначения: и N {\displaystyle N} ln Γ ( z ) = z ln z z + 1 2 ln 2 π z + n = 1 N 1 B 2 n 2 n ( 2 n 1 ) z 2 n 1 + R N ( z ) {\displaystyle \ln \Gamma (z)=z\ln z-z+{\tfrac {1}{2}}\ln {\frac {2\pi }{z}}+\sum \limits _{n=1}^{N-1}{\frac {B_{2n}}{2n\left({2n-1}\right)z^{2n-1}}}+R_{N}(z)} Γ ( z ) = 2 π z ( z e ) z ( n = 0 N 1 a n z n + R ~ N ( z ) ) . {\displaystyle \Gamma (z)={\sqrt {\frac {2\pi }{z}}}\left({\frac {z}{e}}\right)^{z}\left({\sum \limits _{n=0}^{N-1}{\frac {a_{n}}{z^{n}}}+{\widetilde {R}}_{N}(z)}\right).}

Тогда [11] [12] | R N ( z ) | | B 2 N | 2 N ( 2 N 1 ) | z | 2 N 1 × { 1  if  | arg z | π 4 , | csc ( 2 arg z ) |  if  π 4 < | arg z | < π 2 , sec 2 N ( arg z 2 )  if  | arg z | < π , | R ~ N ( z ) | ( | a N | | z | N + | a N + 1 | | z | N + 1 ) × { 1  if  | arg z | π 4 , | csc ( 2 arg z ) |  if  π 4 < | arg z | < π 2 . {\displaystyle {\begin{aligned}|R_{N}(z)|&\leq {\frac {|B_{2N}|}{2N(2N-1)|z|^{2N-1}}}\times {\begin{cases}1&{\text{ if }}\left|\arg z\right|\leq {\frac {\pi }{4}},\\\left|\csc(2\arg z)\right|&{\text{ if }}{\frac {\pi }{4}}<\left|\arg z\right|<{\frac {\pi }{2}},\\\sec ^{2N}\left({\tfrac {\arg z}{2}}\right)&{\text{ if }}\left|\arg z\right|<\pi ,\end{cases}}\\[6pt]\left|{\widetilde {R}}_{N}(z)\right|&\leq \left({\frac {\left|a_{N}\right|}{|z|^{N}}}+{\frac {\left|a_{N+1}\right|}{|z|^{N+1}}}\right)\times {\begin{cases}1&{\text{ if }}\left|\arg z\right|\leq {\frac {\pi }{4}},\\\left|\csc(2\arg z)\right|&{\text{ if }}{\frac {\pi }{4}}<\left|\arg z\right|<{\frac {\pi }{2}}.\end{cases}}\end{aligned}}}

Дополнительную информацию и другие пределы погрешности см. в цитируемых работах.

Конвергентная версия формулы Стирлинга

Томас Байес показал в письме Джону Кантону , опубликованном Королевским обществом в 1763 году, что формула Стирлинга не дает сходящегося ряда . [13] Получение сходящейся версии формулы Стирлинга влечет за собой оценку формулы Бине : 0 2 arctan ( t x ) e 2 π t 1 d t = ln Γ ( x ) x ln x + x 1 2 ln 2 π x . {\displaystyle \int _{0}^{\infty }{\frac {2\arctan \left({\frac {t}{x}}\right)}{e^{2\pi t}-1}}\,{\rm {d}}t=\ln \Gamma (x)-x\ln x+x-{\tfrac {1}{2}}\ln {\frac {2\pi }{x}}.}

Один из способов сделать это — с помощью сходящегося ряда инвертированных растущих факториалов . Если тогда где где s ( nk ) обозначает числа Стирлинга первого рода . Из этого получается версия ряда Стирлинга , которая сходится, когда Re( x ) > 0. Формула Стирлинга может быть также представлена ​​в сходящейся форме как [14] где z n ¯ = z ( z + 1 ) ( z + n 1 ) , {\displaystyle z^{\bar {n}}=z(z+1)\cdots (z+n-1),} 0 2 arctan ( t x ) e 2 π t 1 d t = n = 1 c n ( x + 1 ) n ¯ , {\displaystyle \int _{0}^{\infty }{\frac {2\arctan \left({\frac {t}{x}}\right)}{e^{2\pi t}-1}}\,{\rm {d}}t=\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {c_{n}}{(x+1)^{\bar {n}}}},} c n = 1 n 0 1 x n ¯ ( x 1 2 ) d x = 1 2 n k = 1 n k | s ( n , k ) | ( k + 1 ) ( k + 2 ) , {\displaystyle c_{n}={\frac {1}{n}}\int _{0}^{1}x^{\bar {n}}\left(x-{\tfrac {1}{2}}\right)\,{\rm {d}}x={\frac {1}{2n}}\sum _{k=1}^{n}{\frac {k|s(n,k)|}{(k+1)(k+2)}},} ln Γ ( x ) = x ln x x + 1 2 ln 2 π x + 1 12 ( x + 1 ) + 1 12 ( x + 1 ) ( x + 2 ) + + 59 360 ( x + 1 ) ( x + 2 ) ( x + 3 ) + 29 60 ( x + 1 ) ( x + 2 ) ( x + 3 ) ( x + 4 ) + , {\displaystyle {\begin{aligned}\ln \Gamma (x)&=x\ln x-x+{\tfrac {1}{2}}\ln {\frac {2\pi }{x}}+{\frac {1}{12(x+1)}}+{\frac {1}{12(x+1)(x+2)}}+\\&\quad +{\frac {59}{360(x+1)(x+2)(x+3)}}+{\frac {29}{60(x+1)(x+2)(x+3)(x+4)}}+\cdots ,\end{aligned}}} Γ ( x ) = 2 π x x 1 2 e x + μ ( x ) {\displaystyle \Gamma (x)={\sqrt {2\pi }}x^{x-{\frac {1}{2}}}e^{-x+\mu (x)}} μ ( x ) = n = 0 ( ( x + n + 1 2 ) ln ( 1 + 1 x + n ) 1 ) . {\displaystyle \mu \left(x\right)=\sum _{n=0}^{\infty }\left(\left(x+n+{\frac {1}{2}}\right)\ln \left(1+{\frac {1}{x+n}}\right)-1\right).}

Версии, подходящие для калькуляторов

Аппроксимация и ее эквивалентная форма могут быть получены путем перестановки расширенной формулы Стирлинга и наблюдения совпадения между полученным степенным рядом и расширением ряда Тейлора функции гиперболического синуса . Это приближение хорошо для более чем 8 десятичных знаков для z с действительной частью больше 8. Роберт Х. Виндшитл предложил его в 2002 году для вычисления гамма-функции с достаточной точностью на калькуляторах с ограниченной памятью программы или регистра. [15] Γ ( z ) 2 π z ( z e z sinh 1 z + 1 810 z 6 ) z {\displaystyle \Gamma (z)\approx {\sqrt {\frac {2\pi }{z}}}\left({\frac {z}{e}}{\sqrt {z\sinh {\frac {1}{z}}+{\frac {1}{810z^{6}}}}}\right)^{z}} 2 ln Γ ( z ) ln ( 2 π ) ln z + z ( 2 ln z + ln ( z sinh 1 z + 1 810 z 6 ) 2 ) {\displaystyle 2\ln \Gamma (z)\approx \ln(2\pi )-\ln z+z\left(2\ln z+\ln \left(z\sinh {\frac {1}{z}}+{\frac {1}{810z^{6}}}\right)-2\right)}

В 2007 году Гергё Немеш предложил приближение, которое дает то же количество точных цифр, что и приближение Виндшитля, но является гораздо более простым: [16] или, что эквивалентно, Γ ( z ) 2 π z ( 1 e ( z + 1 12 z 1 10 z ) ) z , {\displaystyle \Gamma (z)\approx {\sqrt {\frac {2\pi }{z}}}\left({\frac {1}{e}}\left(z+{\frac {1}{12z-{\frac {1}{10z}}}}\right)\right)^{z},} ln Γ ( z ) 1 2 ( ln ( 2 π ) ln z ) + z ( ln ( z + 1 12 z 1 10 z ) 1 ) . {\displaystyle \ln \Gamma (z)\approx {\tfrac {1}{2}}\left(\ln(2\pi )-\ln z\right)+z\left(\ln \left(z+{\frac {1}{12z-{\frac {1}{10z}}}}\right)-1\right).}

Альтернативное приближение для гамма-функции, изложенное Шринивасой Рамануджаном в утерянной записной книжке Рамануджана [17] , относится к x ≥ 0. Эквивалентное приближение для ln n ! имеет асимптотическую погрешность Γ ( 1 + x ) π ( x e ) x ( 8 x 3 + 4 x 2 + x + 1 30 ) 1 6 {\displaystyle \Gamma (1+x)\approx {\sqrt {\pi }}\left({\frac {x}{e}}\right)^{x}\left(8x^{3}+4x^{2}+x+{\frac {1}{30}}\right)^{\frac {1}{6}}} 1/1400 н 3 и дается ln n ! n ln n n + 1 6 ln ( 8 n 3 + 4 n 2 + n + 1 30 ) + 1 2 ln π . {\displaystyle \ln n!\approx n\ln n-n+{\tfrac {1}{6}}\ln(8n^{3}+4n^{2}+n+{\tfrac {1}{30}})+{\tfrac {1}{2}}\ln \pi .}

Приближение можно сделать точным, задав парные верхние и нижние границы; одно из таких неравенств: [18] [19] [20] [21] π ( x e ) x ( 8 x 3 + 4 x 2 + x + 1 100 ) 1 / 6 < Γ ( 1 + x ) < π ( x e ) x ( 8 x 3 + 4 x 2 + x + 1 30 ) 1 / 6 . {\displaystyle {\sqrt {\pi }}\left({\frac {x}{e}}\right)^{x}\left(8x^{3}+4x^{2}+x+{\frac {1}{100}}\right)^{1/6}<\Gamma (1+x)<{\sqrt {\pi }}\left({\frac {x}{e}}\right)^{x}\left(8x^{3}+4x^{2}+x+{\frac {1}{30}}\right)^{1/6}.}

История

Формула была впервые открыта Абрахамом де Муавром [2] в виде n ! [ c o n s t a n t ] n n + 1 2 e n . {\displaystyle n!\sim [{\rm {constant}}]\cdot n^{n+{\frac {1}{2}}}e^{-n}.}

Де Муавр дал приблизительное рациональное числовое выражение для натурального логарифма константы. Вклад Стерлинга состоял в том, что он показал, что константа равна точно . [3] 2 π {\displaystyle {\sqrt {2\pi }}}

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Дутка, Жак (1991), «Ранняя история факториальной функции», Архив истории точных наук , 43 (3): 225– 249, doi : 10.1007/BF00389433, S2CID  122237769
  2. ^ ab Le Cam, L. (1986), «Центральная предельная теорема около 1935 года», Statistical Science , 1 (1): 78–96 , doi : 10.1214/ss/1177013818 , JSTOR  2245503, MR  0833276; см. стр. 81, «Результат, полученный с использованием формулы, первоначально доказанной де Муавром, но теперь называемой формулой Стерлинга, встречается в его «Учении о шансах» 1733 года».
  3. ^ ab Pearson, Karl (1924), «Историческая заметка о происхождении нормальной кривой ошибок», Biometrika , 16 (3/4): 402–404 [стр. 403], doi :10.2307/2331714, JSTOR  2331714, Я считаю, что тот факт, что Стерлинг показал, что арифметическая константа Муавра была равна , не дает ему права претендовать на теорему, [...] 2 π {\displaystyle {\sqrt {2\pi }}}
  4. ^ Флажоле, Филипп; Седжвик, Роберт (2009), Аналитическая комбинаторика , Кембридж, Великобритания: Cambridge University Press, стр. 555, doi : 10.1017/CBO9780511801655, ISBN 978-0-521-89806-5, MR  2483235, S2CID  27509971
  5. ^ MacKay, David JC (2019). Теория информации, вывод и алгоритмы обучения (22-е печатное издание). Кембридж: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-64298-9.
  6. ^ Olver, FWJ; Olde Daalhuis, AB; Lozier, DW; Schneider, BI; Boisvert, RF; Clark, CW; Miller, BR & Saunders, BV, "5.11 Свойства гамма-функции: асимптотические разложения", NIST Digital Library of Mathematical Functions , выпуск 1.0.13 от 2016-09-16
  7. ^ Немеш, Гергё (2010), «О коэффициентах асимптотического разложения », Журнал целочисленных последовательностей , 13 (6): 5 n ! {\displaystyle n!}
  8. ^ Бендер, Карл М.; Орсзаг, Стивен А. (2009). Передовые математические методы для ученых и инженеров. 1: Асимптотические методы и теория возмущений (Nachdr. ed.). Нью-Йорк, Нью-Йорк: Springer. ISBN 978-0-387-98931-0.
  9. Роббинс, Герберт (1955), «Замечание о формуле Стирлинга», The American Mathematical Monthly , 62 (1): 26– 29, doi :10.2307/2308012, JSTOR  2308012
  10. ^ Шпигель, М.Р. (1999), Математический справочник формул и таблиц , McGraw-Hill, стр. 148
  11. ^ Шефке, ФРВ; Саттлер, А. (1990), «Restgliedabschätzungen für die Stirlingsche Reihe», Note di Matematica , 10 (приложение 2): 453–470 , MR  1221957
  12. ^ G. Nemes, Границы ошибок и экспоненциальные улучшения для асимптотических разложений гамма-функции и ее обратной величины, Proc. Roy. Soc. Edinburgh Sect. A 145 (2015), 571–596.
  13. Bayes, Thomas (24 ноября 1763 г.), «Письмо покойного преподобного г-на Томаса Байеса, члена Королевского общества, Джону Кантону, магистру и члену Королевского общества» (PDF) , Philosophical Transactions of the Royal Society of London, Series I , 53 : 269, Bibcode : 1763RSPT...53..269B, архивировано (PDF) из оригинала 28.01.2012 , извлечено 01.03.2012
  14. ^ Артин, Эмиль (2015). Гамма-функция . Довер. стр. 24.
  15. Toth, VT Программируемые калькуляторы: Калькуляторы и гамма-функция (2006) Архивировано 31 декабря 2005 г. на Wayback Machine .
  16. ^ Немес, Герго (2010), «Новое асимптотическое разложение гамма-функции», Archiv der Mathematik , 95 (2): 161–169 , doi : 10.1007/s00013-010-0146-9, S2CID  121820640
  17. Рамануджан, Шриниваса (14 августа 1920 г.), Утерянная тетрадь и другие неопубликованные документы, стр. 339 – через интернет-архив
  18. ^ Карацуба, Екатерина А. (2001), «Об асимптотическом представлении гамма-функции Эйлера Рамануджаном», Журнал вычислительной и прикладной математики , 135 (2): 225– 240, Bibcode : 2001JCoAM.135..225K, doi : 10.1016/S0377-0427(00)00586-0 , MR  1850542
  19. ^ Мортичи, Кристинель (2011), «Оценка Рамануджана для гамма-функции с помощью аргументов монотонности», Ramanujan J. , 25 (2): 149–154 , doi : 10.1007/s11139-010-9265-y, S2CID  119530041
  20. ^ Мортичи, Кристинель (2011), «Улучшенные асимптотические формулы для гамма-функции», Comput. Math. Appl. , 61 (11): 3364– 3369, doi :10.1016/j.camwa.2011.04.036.
  21. ^ Мортичи, Кристинель (2011), «О формуле большого аргумента Рамануджана для гамма-функции», Ramanujan J. , 26 (2): 185–192 , doi : 10.1007/s11139-010-9281-y, S2CID  120371952.

Дальнейшее чтение

  • Абрамовиц, М. и Стеган, И. (2002), Справочник по математическим функциям
  • Париж, Р. Б. и Камински, Д. (2001), Асимптотика и интегралы Меллина–Барнса , Нью-Йорк: Cambridge University Press, ISBN 978-0-521-79001-7
  • Уиттакер, ET и Уотсон, GN (1996), Курс современного анализа (4-е изд.), Нью-Йорк: Cambridge University Press, ISBN 978-0-521-58807-2
  • Ромик, Дэн (2000), «Приближение Стирлинга для : окончательное короткое доказательство?», The American Mathematical Monthly , 107 (6): 556– 557, doi : 10.2307/2589351, JSTOR  2589351, MR  1767064 n ! {\displaystyle n!}
  • Ли, Юань-Чуань (июль 2006 г.), «Заметка о тождестве гамма-функции и формулы Стирлинга», Real Analysis Exchange , 32 (1): 267– 271, MR  2329236
  1. ^ Например, программа в Mathematica:
    ряд = тау - тау ^ 2 / 6 + тау ^ 3 / 36 + тау ^ 4 * a + тау ^ 5 * b ; (*выберите правильные a, b, чтобы ряд был равен 0 в более высоких порядках*) Ряд [ тау ^ 2 / 2 + 1 + t - Exp [ t ] /. t -> ряд , { тау , 0 , 8 }]                       (*теперь выполним интеграл*) интеграл = Интегрировать [ Exp [ - x * tau ^ 2 / 2 ] * D [ ряд /. a -> 0 /. b -> 0 , tau ], { tau , - Infinity , Infinity }]; Упростить [ интеграл / Sqrt [ 2 * Pi ] * Sqrt [ x ]]                
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Stirling%27s_approximation&oldid=1273269609"