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Gauss積分の一般化

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(無限和と積分の交換可能性などの確認はしていません...)

自然数m, 実数c0,,c2m1, 負の実数c2mに対して, 次の等式が成立します: exp(k=02mckxk)dx=ec0(c2m)1/(2m)m×(a1,,a2m1)N02m1a1+a3++a2m10(mod.2)Γ(12m+12mk=12m1kak)=12m1ca(c2m)a/(2m)a!
但し, N0N{0}のことで, Γ(x)はガンマ関数です.

正の実数a, 非負整数n,正の整数mに対して成立する次の等式を示します: ()xneax2mdx=1+(1)n2ma(n+1)/2mΓ(n+12m)nが奇数の場合, 被積分関数は奇関数なので0となります.nが偶数の場合は, x:0の積分の2倍となるので,xneax2mdx=(1+(1)n)0xneax2mdxとしてよいことが分かります.
t:=ax2mと置換すると, x=a1/2mt1/2mであって,dx=a1/2mt1+1/2mdt/2mとなり,a>0を仮定しているので積分区間はt:0で,0xneax2mdx=0an/2mtn/2ma1/2m2mt1+1/2metdt=12ma(n+1)/2m0t1+(n+1)/2metdt=12ma(n+1)/2mΓ(n+12m). よって,()が成立します.これを用いて主張の式を証明します.

指数法則を使うと,exp(k=02mckxk)dx=ec0ec2mx2mexp(k=12m1ckxk)dxとなり, 指数関数のMaclaurin展開及び,多項定理から, exp(k=12m1ckxk)=n=01n!(k=12m1ckxk)n=n=01n!a1++a2m1=nn!a1!a2m1!(c1x)a1(c2m1x2m1)a2m1=(a1,,a2m1)N02m1c1a1c2m1a2m1a1!a2m1!xa1+2a2++(2m1)a2m1=(a1,,a2m1)N02m1xa1+2a2++(2m1)a2m1k=12m1ckakak となります.
これを代入して, 積分と無限和の順序交換を行うと, exp(k=02mckxk)dx=ec0(a1,,a2m1)N02m1k=12m1ckakakec2mx2mxa1+2a2++(2m1)a2m1dx=ec0(a1,,a2m1)N02m1(k=12m1ckakak)1+(1)a1+2a2++(2m1)a2m12m×(c2m)(1+a1+2a2++(2m1)a2m1)/2m×Γ(1+a1+2a2++(2m1)a2m12m) となります. ここで,途中に出てくる1+(1)a1+2a2++(2m1)a2m1の部分を見ると,a1+2a2++(2m1)a2m1が奇数だと0になるため,これが偶数になる部分だけ取ればよく, k=12m1kak0  (mod.2) k=1m(2k1)a2k1+k=1m12ka2k0  (mod.2) k=1ma2k10  (mod.2) この条件の下では,1+(1)a1+2a2++(2m1)a2m1=2なので, それを適用し,総和・総乗記号を使ってまとめれば, exp(k=02mckxk)dx=ec0(c2m)1/(2m)m×(a1,,a2m1)N02m1a1+a3++a2m10(mod.2)Γ(12m+12mk=12m1kak)=12m1ca(c2m)a/(2m)a!が分かりました.

(この記事はBloggerに載せていた Gauss積分の一般化 を書き直したものです.)

投稿日:2020118
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