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ガンマ関数の倍数公式のスターリングの公式を用いない証明

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$$\newcommand{acoloneqq}[0]{\ &\hspace-2pt\coloneqq} \newcommand{ar}[1]{\operatorname{ar{#1}}} \newcommand{arc}[1]{\operatorname{arc{#1}}} \newcommand{asupplement}[1]{&\hspace{#1}\textsf} \newcommand{beginend}[2]{{\begin{#1}#2\end{#1}}} \newcommand{bm}[0]{\boldsymbol} \newcommand{bscolor}[1]{\color{var(--bs-#1)}} \newcommand{bscolorbox}[1]{\colorbox{var(--bs-#1)}} \newcommand{bsrowcolor}[1]{\rowcolor{var(--bs-#1)}} \newcommand{C}[0]{\mathbb C} \newcommand{Defarrow}[0]{\xLeftrightarrow{\textrm{def}}} \newcommand{fqty}[0]{\!\qty} \newcommand{hcfrac}[3]{{\frac{#1}{#2}\genfrac{}{}0{}{}{#3}}} \newcommand{hen}[1]{{(\textrm{{#1}辺})}} \newcommand{hygeo}[6]{{{}_{#1}{#2}_{#3}{\qty[\beginend{matrix*}{#4\\ #5}\ ;{#6}]}}} \newcommand{In}[0]{\in\mathbb} \newcommand{kfrac}[0]{\mathop{\Large\raise-.8pt{\textrm K}}} \newcommand{Kfrac}[0]{\mathop{\huge\raise-2.2pt{\textrm K}}} \newcommand{kome}[0]{\textreferencemark} \newcommand{leftshiftarrow}[0]{{\substack{\curvearrowright\\ \leftharpoondown}}} \newcommand{lr}[3]{{\left#1{#2}\right#3}} \newcommand{lvvr}[2]{\lr{#1}{\negmedspace\lr|{#2}|\negmedspace}} \newcommand{N}[0]{\mathbb N} \newcommand{newop}[1]{\DeclareMathOperator{#1}{#1}} \newcommand{ot}[0]{\leftarrow} \newcommand{P}[0]{\mathbb P} \newcommand{Q}[0]{\mathbb Q} \newcommand{R}[0]{\mathbb R} \newcommand{RANGE}[0]{}\newcommand{rangeex}[6][,]{{#2{#3}_{#5}#4#1\cdots#1#2{#3}_{#6}#4}}\newcommand{range}[2][,]{\rangeex[#1]{}{#2}{}}{} \newcommand{REQUIRE}[0]{}\require{physics}{} \newcommand{rightshiftarrow}[0]{{\substack{\curvearrowleft\\ \rightharpoondown}}} \newcommand{rprod}[0]{\mathop{\prod\!\llap\coprod}} \newcommand{sahen}[0]{\hen左} \newcommand{STIRLING}[0]{}\newcommand{stirling}[3][]{{\qty[\beginend{matrix}{{#2}\\ {#3}}{#1}]}}\newcommand{Stirling}[3][]{{\qty{\beginend{matrix}{{#2}\\ {#3}}{#1}}}}{} \newcommand{uhen}[0]{\hen右} \newcommand{vbin}[1]{\mathbin{{#1}\!\llap|\ }} \newcommand{Z}[0]{\mathbb Z} \newcommand{zzCOMPLEXPARTS}[0]{}\let\Re\relax\newop{Re}\let\Im\relax\newop{Im}{} $$

定理

ガンマ関数の倍数公式

$\displaystyle \Gamma(nz) = (2\pi)^\frac{1-n}2n^{nz-\frac12}\prod_{k=0}^{n-1} \Gamma\fqty(z+\frac kn)$

補題

$\displaystyle \prod_{k=1}^{n-1} \sin\frac{k\pi}n = 2^{1-n}n$

$\beginend{align}{ \sahen &= \prod_{k=1}^{n-1} \qty(i\sinh\fqty(-\frac{k\pi i}n)) = \qty(\frac i2)^{n-1}\prod_{k=1}^{n-1} \qty(e^{-\frac{k\pi i}n}-e^\frac{k\pi i}n) \\&= \qty(\frac i2)^{n-1}e^{-\frac{\pi i}n\frac{n(n-1)}2}\prod_{k=1}^{n-1} \qty(1-e^\frac{2k\pi i}n) \\&= \qty(\frac i2)^{n-1}e^{-\frac{(n-1)\pi i}2}\lim_{a\to1} \frac1{a-1}\prod_{k=0}^{n-1} \qty(a-e^\frac{2k\pi i}n) \\&= \qty(\frac i2)^{n-1}i^{-n+1}\lim_{a\to1} \frac{a^n-1}{a-1} = \uhen }$

ディガンマ関数の倍数公式

$\displaystyle n\psi(nz) = n\ln n + \sum_{k=0}^{n-1} \psi\fqty(z+\frac kn)$
証明

証明

ガンマ関数の倍数公式

補題3を両辺積分して、
$\beginend{alignat}{2 \ln\Gamma(nz) &= n\ln n\cdot z + \sum_{k=0}^{n-1} \ln\Gamma\fqty(z+\frac kn) + C \\ \Gamma(nz) &= Dn^{nz}\prod_{k=0}^{n-1} \Gamma\fqty(z+\frac kn) \quad\fqty(D\coloneqq e^C) \\ \asupplement{-3.5em}{$z=\tfrac1n$を代入して、} \\ D &= \frac{\Gamma\fqty(\frac nn)}{n\prod_{k=0}^{n-1} \Gamma\fqty(\frac1n+\frac kn)} = \frac1{n\prod_{k=1}^{n-1} \Gamma\fqty(\frac kn)} \\&= \frac1{n\sqrt{\prod_{k=1}^{n-1} \Gamma\fqty(\frac kn)\Gamma\fqty(1-\frac kn)}} \\&= \frac1n\sqrt{\prod_{k=1}^{n-1} \frac{\sin\frac{k\pi}n}\pi} &&\hspace-8em\because\textsf{相反公式} \\&= \frac{\sqrt{\pi^{1-n}2^{1-n}n}}n &&\hspace-8em\because\textsf{補題2} \\&= \frac{(2\pi)^\frac{1-n}2}{\sqrt n} \\ \asupplement{-3.5em}{よって、} \\ \Gamma(nz) &= \frac{(2\pi)^\frac{1-n}2}{\sqrt n}n^{nz}\prod_{k=0}^{n-1} \Gamma\fqty(z+\frac kn) \\&= (2\pi)^\frac{1-n}2n^{nz-\frac12}\prod_{k=0}^{n-1} \Gamma\fqty(z+\frac kn) }$

投稿日:20231211

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投稿者

著者の記事における命題は大半が自分で発見したものであり、 何かしらの論文などに基づいたものではありません。

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