פונקציית גמא
פונקציית גמא היא פונקציה מרוכבת מֶרוֹמורפית, המרחיבה את מושג ה"עצרת" לכל המישור המרוכב: לכל מספר טבעי $ \ n=1,2,\dots $, הפונקציה מקבלת את הערך $ \ \Gamma (n)=(n-1)! $.
הפונקציה הוגדרה לראשונה על ידי לאונרד אוילר באמצע המאה ה-18, אך הסימון של הפונקציה באות $ \ \Gamma $ נכנס לשימוש בעקבות עבודתו של אדריאן-מארי לז'נדר. קרל פרידריך גאוס הציע גרסה מעט שונה של פונקציית גמא, $ \ \Pi (z)=\Gamma (z+1) $, לה הוא קרא "פונקציית פאי", אלא שהסימון של לז'נדר הועדף בצרפת, ובעקבות זאת גם בשאר העולם.
לפונקציית גמא קטבים (פשוטים) בנקודות $ \,z=0,-1,-2,\dots $ בלבד, ואין לה שורשים. הפונקציה מקיימת את המשוואה הפונקציונלית $ \ \Gamma (z+1)=z\Gamma (z) $, המסבירה את הקשר לפונקציית העצרת, ועוד זהויות פונקציונליות רבות אחרות.
הגדרה
פונקציית גמא מוגדרת במחצית הימנית של המישור המרוכב על ידי האינטגרל הבא:
- $ \Gamma (z)=\int _{0}^{\infty }t^{z-1}\,e^{-t}\,dt $
וזאת לכל $ \ z\in \mathbb {C} $ שהחלק הממשי שלו, $ \,Re(z) $, הוא חיובי. פונקציה זו מתלכדת עם הפונקציה המוגדרת באמצעות הגבול
- $ \ \Gamma (z)=\lim _{n\rightarrow \infty }{\frac {1\cdot 2\cdots n}{z\cdot (z+1)\cdots (z+n-1)}}(n+1)^{z-1} $
המוגדר היטב לכל $ \ z\neq 0,-1,-2,\dots $. משום כך, הפונקציה השנייה מהווה המשכה אנליטית של האינטגרל לפונקציה מרומורפית.
תכונות
הקשר לפונקציית עצרת

ניתן להראות שעבור מספרים טבעיים, פונקציית גמא שווה (בהזזת 1) לפונקציית העצרת.
אם $ \,n $ הוא חיובי ושלם, אזי $ \Gamma (n)=\int _{0}^{\infty }t^{n-1}\,e^{-t}\,dt=(n-1)! $, כי על ידי ביצוע אינטגרציה בחלקים, אפשר להראות כי $ \,\Gamma (n+1)=n\Gamma (n) $, ומאחר ש-$ \,\Gamma (1)=1 $ נקבל כי $ \,\Gamma (n+1)=n\Gamma (n)=\ldots =n!\Gamma (1)=n!\, $ לכל מספר טבעי $ \,n $.
זהויות אחרות
זהות חשובה אחת לפונקציית גמא היא נוסחת השיקוף: $ \ \Gamma (1-z)\Gamma (z)={\pi \over \sin \pi z} $.
מכאן נובע כי $ \Gamma \left({\frac {1}{2}}\right)^{2}={\pi \over \sin \pi /2}=\pi $, ולכן $ \Gamma \left({\frac {1}{2}}\right)={\sqrt {\pi }} $.
זהות חשובה אחרת היא נוסחת הכפל של גאוס:
- $ \Gamma (z)\;\Gamma \left(z+{\frac {1}{k}}\right)\;\Gamma \left(z+{\frac {2}{k}}\right)\cdots \Gamma \left(z+{\frac {k-1}{k}}\right)=(2\pi )^{(k-1)/2}\;k^{1/2-kz}\;\Gamma (kz)\,\! $

לפונקציית גמא יש קוטב ב-$ \,z=-n $ לכל $ \,n $ טבעי. בנקודה זאת נתון גם ש:
- $ \operatorname {Res} (\Gamma ,-n)={\frac {(-1)^{n}}{n!}}. $
המכפלה האינסופית הבאה, כפי שהראה ויירשטראס, נכונה לכל $ \,z $ מרוכב, אשר אינו שלם אי-חיובי:
- $ \Gamma (z)={\frac {e^{-\gamma z}}{z}}\prod _{n=1}^{\infty }\left(1+{\frac {z}{n}}\right)^{-1}e^{z/n} $
כאשר $ \,\gamma $ הוא "קבוע אוילר".
משפט בוהר-מולרופ
משפט בוהר-מולרופ (על שם המתמטיקאים הדנים הארלד בוהר ויוהאן מולרופ) הוא משפט המאפיין את פונקציית גמא.
משפט: פונקציית גמא הממשית המוגדרת לכל $ x>0 $ על ידי $ \Gamma (x)=\int _{0}^{\infty }t^{x-1}e^{-t}\,dt $ היא הפונקציה היחידה $ \,f $ בקרן $ (0,\infty ) $ המקיימת:
- $ \,f(1)=1 $
- $ f(x+1)=xf(x)\ {\mbox{for}}\ x>0 $
- $ \,f $ היא פונקציה לוג-קמורה
אחת ההוכחות לנוסחת סטירלינג משתמשת במשפט זה. במסגרת ההוכחה בונים פונקציה המקיימת את שלושת התנאים במשפט בוהר-מולרופ, ולכן פונקציה זו היא בהכרח פונקציית גמא.
ראו גם
קישורים חיצוניים
- פונקציית גמא באתר Wolfram mathworld
- מחשבון לפונקציית גמא