오일러 베타적분(베타함수)

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• 오일러 베타적분

 

 

개요

• 두 변수 x,y 에 대하여 다음과 같이 적분으로 정의되는 함수
  \(B(x,y) = \int_0^1t^{x-1}(1-t)^{y-1}\,dt\)
  
• Selberg 적분 으로 
  

 

 

 

 

삼각함수의 적분과의 관계

\(B(x,y) = 2\int_0^{\pi/2}(\sin\theta)^{2x-1}(\cos\theta)^{2y-1}\,d\theta\)

\(\int_0^{\frac{\pi}{2}}\sin^{p}\theta{d\theta}= \frac{1}{2}B(\frac{p+1}{2},\frac{1}{2})=\frac{\sqrt{\pi}\Gamma(\frac{p}{2}+\frac{1}{2})}{2\Gamma(\frac{p}{2}+1)}\)

\(\int_0^{\frac{\pi}{2}}\cos^{p}\theta{d\theta}= \frac{1}{2}B(\frac{p+1}{2},\frac{1}{2})=\frac{\sqrt{\pi}\Gamma(\frac{p}{2}+\frac{1}{2})}{2\Gamma(\frac{p}{2}+1)}\)

\(\int_0^{\frac{\pi}{2}}\sin^{2n}\theta{d\theta}= \frac{\sqrt{\pi}\Gamma(n+\frac{1}{2})}{2\Gamma(n+1)}=\frac{\pi}{2}\frac{(\frac{1}{2})_n}{(1)_n}\)

(증명)

\(B(x,y) = \int_0^1t^{x-1}(1-t)^{y-1}\,dt\) 에서 \(t^2=\cos \theta\) 로 치환하여 증명.

 

• 삼각함수
  
• 월리스 곱
  

 

 

베타적분과 감마함수

\(B(x,y)=\dfrac{\Gamma(x)\,\Gamma(y)}{\Gamma(x+y)}\)

 

(증명)

가우시안 적분의 아이디어와 비슷하다.

 

\(\Gamma(x)\Gamma(y) = \int_0^\infty\ e^{-u} u^{x-1}\,du \int_0^\infty\ e^{-v} v^{y-1}\,dv\)

\(u = a^2\)와 \(v = b^2\) 로 치환하면,

\(\Gamma(x)\Gamma(y) = 4\int_0^\infty\ e^{-a^2} a^{2x-1}\,da \int_0^\infty\ e^{-b^2} b^{2y-1}\,db\)

\(= 4\int_{0}^\infty\ \int_{0}^\infty\ e^{-(a^2+b^2)} a^{2x-1} b^{2y-1} \,da \,db\)

\(=4\int_0^{\frac{\pi}{2}}\int_0^\infty\ e^{-r^2} (r\cos\theta)^{2x-1} (r\sin\theta)^{2y-1} r \, dr \,d\theta\)

\(= 4\int_0^\infty\ e^{-r^2} r^{2x+2y-2} r\, dr \int_0^{\frac{\pi}{2}}(\cos\theta)^{2x-1} (\sin\theta)^{2y-1}\, d\theta\)

\(= 2\int_0^\infty\ e^{-r^2} r^{2(x+y-1)} \, d(r^2) \int_0^{\pi/2}\ (\cos\theta)^{2x-1} (\sin\theta)^{2y-1} \,d\theta\)

\(= \Gamma(x+y)B(x,y)\)

 

 

무리함수의 적분과 감마함수

\(n>0\)에 대하여, 

\(\int_0^1\frac{dx}{\sqrt{1-x^n}}=\frac{1}{n}B(\frac{1}{2},\frac{1}{n})\)

이 성립한다

 

 

 

 

타원적분과의 관계

• lemniscate 곡선의 길이와 타원적분
  \(L=2\omega=4\int_0^1\frac{dx}{\sqrt{1-x^4}}=B(1/2,1/4)=\frac{\Gamma(\frac{1}{2})\Gamma(\frac{1}{4})}{\Gamma(\frac{3}{4})}=\frac{\Gamma(1/4)^2}{\sqrt{2\pi}}=5.24\cdots\)
  

 

 

 

베타적분과 초월수

(정리)

\(a,b,a+b \in \mathbb{Q-Z}\) 라 하자. \(B(a,b)\) 는 초월수이다. 즉

\(B(a,b) = \frac{\Gamma(x)\,\Gamma(y)}{\Gamma(x+y)}= \int_0^1t^{a-1}(1-t)^{b-1}\,dt\)

는 초월수이다.

• 무리수와 초월수
  

 

 

 

 

역사

• 수학사연표

 

 

관련된 항목들

• Selberg 적분
  
• lemniscate 곡선의 길이와 타원적분
  
• 감마함수
  
• 가우시안 적분
  

 

 

수학용어번역

• 대한수학회 수학 학술 용어집
  
  • http://mathnet.kaist.ac.kr/mathnet/math_list.php?mode=list&ftype=eng_term&fstr=
• 대한수학회 수학용어한글화 게시판

 

사전 형태의 자료

• http://ko.wikipedia.org/wiki/
• http://en.wikipedia.org/wiki/Beta_integral
• http://en.wikipedia.org/wiki/Selberg_integral
• http://www.wolframalpha.com/input/?i=Beta+integral
• http://www.wolframalpha.com/input/?i=Beta(1/2,1/4)
• NIST Digital Library of Mathematical Functions
  
  • http://dlmf.nist.gov/5/12/

 

 

관련논문

• Beta Integrals
  
  • S. Ole Warnaar

• Beta integrals and the associated orthogonal polynomials
  
  • Richard Askey, 1989
• http://www.jstor.org/action/doBasicSearch?Query=

 

 

관련도서 및 추천도서

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관련기사

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