Ta đã định nghĩa (Lý thuyết tập hợp, III, p. 179) hàm n! với mọi số nguyên n≥0, bằng tích ∏0≤k<n(n−k); do đó 0!=1 và (n+1)!=(n+1)n! với n≥0.
Ta đặt Γ(n)=(n−1)! với mỗi số nguyên n≥1; ta dự định định nghĩa, trên tập hợp các số thực x>0, một hàm liên tục Γ(x) mở rộng hàm Γ đã được định nghĩa trên tập hợp các số nguyên ≥1.
Rõ ràng là có vô hạn nhiều hàm như vậy; vì Γ(n+1)=nΓ(n) với mọi số nguyên n≥1 nên ta sẽ chỉ xét, trong số các hàm liên tục mở rộng Γ, những hàm thỏa mãn phương trình
f(x+1)=xf(x)
cho mọi x>0.
Để một nghiệm của phương trình này là một mở rộng của Γ(n) thì điều kiện cần và đủ là nó cũng thỏa mãn f(1)=1.
Nếu f thỏa mãn (1) thì, bằng phép truy hồi theo n,
f(x+n)=x(x+1)(x+2)…(x+n−1)f(x)
với mọi số nguyên n>1 và với mọi x>0. Quan hệ này cho thấy, đặc biệt, rằng các giá trị của f trên một khoảng ]n,n+1] (n là một số nguyên ≥1) được xác định bởi các giá trị của nó trên khoảng ]0,1]. Ngược lại, cho φ là một hàm liên tục trên ]0,1] chỉ thỏa mãn các điều kiện φ(1)=1, limx→0xφ(x)=1; với mọi số nguyên n≥1 ta định nghĩa f trên khoảng ]n,n+1] bởi quan hệ
f(x)=(x−1)(x−2)…(x−n)φ(x−n);
rõ ràng là f liên tục trên ]0,+∞[, thỏa mãn phương trình (1), và mở rộng Γ(n).
Nếu f là một nghiệm liên tục của (1) và nhận các giá trị >0 trên ]0,1] thì, theo (2), nó nhận các giá trị >0 trên ]0,+∞[; khi đó hàm g(x)=logf(x) được xác định và liên tục trên ]0, +∞[ và thỏa mãn phương trình
g(x+1)−g(x)=logx
(3)
trên khoảng này.
Nếu g1 là một nghiệm liên tục thứ hai của (3) trên ]0, +∞[, và nếu h=g1−g, thì ta có h(x+1)−h(x)=0 với mọi x>0; nói cách khác, h là một hàm tuần hoàn liên tục có chu kỳ 1, được xác định trên ]0, +∞[; ngược lại, với mọi h có tính chất này, g+h là một nghiệm liên tục của (3).
Mệnh đề 1
Tồn tại một và chỉ một hàm lồi* gđược xác định trên ]0, +∞[ thỏa mãn phương trình (3) và nhận giá trị 0 tạix=1.
Trước hết ta chỉ ra rằng nếu có một hàm g thỏa mãn các điều kiện đã nêu thì nó được xác định rõ trên khoảng ]0, 1], và do đó trên khoảng ]0, +∞[. Thật vậy, với mọi số nguyên n>1 hệ số góc của đường thẳng nối điểm (n,g(n)) với điểm (x,g(x)) là một hàm tăng theo x, vì g là lồi (I, p. 27, mệnh đề 5); do đó ta phải có, với 0<x≤1,
khi n tiến tới +∞, điều này chứng minh rằng chuỗi có số hạng tổng quát un(x) hội tụ với mọi x>0. Mỗi hàm un(x) đều lồi trên ]0,+∞[, cũng như −logx, nên hàm g(x)=−logx+∑n=2∞un(x) lồi trên khoảng này (I, p. 27, mệnh đề 2 và mệnh đề 4); cuối cùng, ta có un(1)=0, do đó g(1)=0, và
un(x+1)=un+1(x)+x(logn−1n−lognn+1)
do đó
g(x+1)=−log(x+1)+xlog2+n=3∑∞un(x)=logx+g(x);
nói cách khác, g thỏa mãn phương trình (3) của VII, p. 306.
Định nghĩa 1
Ta ký hiệu bởi* Γ(x)hàm>0được xác định trên khoảng]0,+∞[, thỏa mãn phương trình
Γ(x+1)=xΓ(x),
(7)và sao choΓ(1)=1vàlogΓ(x)là lồi trên]0,+∞[.
2. Các tính chất của hàm gamma
Mệnh đề 2
Với mọi* x>0ta có
Γ(x)=n→∞limx(x+1)…(x+n)nxn!
(công thức của Gauss), và
Γ(x)=e−γxx1n=1∏∞1+nxex/n
(9) trong đó γ ký hiệu hằng số của Euler, và tích vô hạn ở vế phải của (9) hội tụ tuyệt đối và đều trên mọi khoảng compact của R không chứa số nguyên nào <0 (công thức của Weierstrass).
Hàm Γ(x) khả vi vô hạn lần trên ]0,+∞[ và ta có
Γ(x)Γ′(x)=−γ−x1+n=1∑∞(n1−x+n1)
và
Dk(logΓ(x))=n=0∑∞(x+n)k(−1)k(k−1)!vớik≥2,
các chuỗi ở vế phải của (10) và (11) tuyệt đối hội tụ và hội tụ đều trên mọi khoảng compắc không chứa số nguyên nào ≤0.
Thật vậy, chứng minh của prop. 1 của VII, p. 306, chỉ ra rằng
Γ(x)=n→∞limx(x+1)…(x+n−1)nx(n−1)!
do đó có công thức của Gauss, vì x+nn tiến tới 1 khi n tiến tới +∞. Ta cũng có thể viết
logn−1n=n−11+(logn−1n−n−11).
nên (theo ký hiệu của prop. 1)
exp(un(x))=e(logn−1n−n−11)1+n−1xex/(n−1)
và chuỗi có số hạng tổng quát logn−1n−n−11 là tuyệt đối hội tụ và có tổng bằng −γ, trong đó γ ký hiệu hằng số Euler (V, p. 242), do đó ta thu được công thức của Weierstrass.
Với ∣x∣≤a ta có ∣1/(x+n)k∣≤1/(n−a)k khi n>a, do đó chuỗi ở vế phải của công thức (11) hội tụ tuyệt đối và đều trên mọi khoảng compact của R không chứa số nguyên nào ≤0, với mọi số nguyên k≥2; cùng lập luận ấy áp dụng được cho vế phải của (10), vì n1−x+n1≤n(n−a)a với ∣x∣≤a và n>a. Vì các chuỗi này thu được bằng cách vi phân từng số hạng chuỗi
logΓ(x)=−γx−logx+n=1∑∞(nx−log(1+nx))
và chuỗi này hội tụ với mọi x>0, nên chuỗi có số hạng tổng quát nx−log(1+nx) hội tụ tuyệt đối và đều trên mọi khoảng compact được chứa trong [0, +∞[, và ta có các hệ thức (10) và (11) của VII, p. 308, với mọi x > 0 (II, p. 52, định lý 1). Hơn nữa, với mọi x ∈ R, biểu thức nx−log(1+nx) được xác định khi n đủ lớn, nên định lý 1 của II, p. 52, lại cho thấy rằng tích vô hạn ở vế phải của (9) (VII, p. 307) hội tụ tuyệt đối và đều trên mọi khoảng compact không chứa số nguyên nào ≤0.
Hàm Γ(x), được xác định với x>0, có thể được mở rộng ra toàn bộ tập hợp các điểm x khác các số nguyên ≤0 sao cho thỏa mãn phương trình (7) của VII, p. 307, trên tập hợp này: chỉ cần, với −(n+1)<x<−n, đặt
Γ(x)=x(x+1)…(x+n)1Γ(x+n+1).
Theo mệnh đề 2 của VII, p. 307, các công thức (8), (9), (10) và (11) của VII, p. 307 và 308, với Dk(log∣Γ(x)∣) thay thế Dk(logΓ(x)) trong (11), vẫn đúng trên tập hợp này. Công thức (9) (VII, p. 307) cho thấy rằng Γ(x)∼1/x khi x tiến tới 0, do đó, theo (7) của VII, p. 307,
Γ(x)∼n!(x+n)(−1)n
khi x tiến tới −n (n là một số nguyên ≥0). Khi đó hàm 1/Γ(x) có thể được mở rộng bằng liên tục ra toàn bộ R, bằng cách gán cho nó giá trị 0 tại các số nguyên ≤0; khi đó, với mọi x∈R
Γ(x)1=n→∞limnnn!x(x+1)…(x+n)
và
Γ(x)1=ey1xxn=1∏∞(1+nx)e−y1/n
và người ta chứng minh như trong mệnh đề 2 của VII, p. 307, rằng tích vô hạn ở vế phải của (13) hội tụ tuyệt đối và đều trên mọi khoảng compắc của R.
Vì Γ(x)>0 với x>0, công thức (7) của VII, p. 307, cho thấy rằng Γ(x)<0 với −(2n−1)<x<−(2n−2) và Γ(x)>0 với
−2n<x<−(2n−1)
(n là một số nguyên ≥1); ngoài ra Γ(x) có giới hạn phải bằng +∞ tại các điểm −2n và bằng −∞ tại các điểm −(2n+1), và có giới hạn trái bằng −∞ tại các điểm −2n và bằng +∞ tại các điểm −(2n+1) (với mọi n∈N). Công thức (11) của VII, p. 308, cho thấy rằng, với k=2, vế phải luôn luôn ≥0 khi nó được xác định, nên
Γ′′(x)Γ(x)−(Γ′(x))2≥0,
và do đó Γ′′(x) có cùng dấu với Γ(x); vì thế Γ là lồi đối với x>0 và đối với −(2n+2)<x<−(2n+1), và lõm đối với −(2n+1)<x−2n(n∈N); từ đó suy ra rằng, trên các khoảng mà Γ lồi, Γ′(x) tăng từ −∞ đến +∞, và trên các khoảng mà Γ lõm, Γ′(x) giảm từ +∞ đến −∞. Do đó có đồ thị của Γ (hình 1).
Hình 1
3. Các tích phân Euler
Để cho gọn, ta sẽ nói rằng một hàm f được xác định trên một khoảng I⊂R, và >0 trên khoảng này, là lồi theo lôgarit trên I nếu logf lồi trên I. Định nghĩa của Γ(x) cho thấy rằng hàm này là lồi theo lôgarit trên ]0,+∞[.
Hiển nhiên là tích của hai hàm lồi theo lôgarit trên I cũng lồi theo lôgarit trên I. Hơn nữa:
Bổ đề 1
Cho f và g là hai hàm số >0 và khả vi hai lần trên một khoảng mở I. Nếu f và g là các hàm lồi theo lôgarit trên I, thì f+g lồi theo lôgarit trên I.
Quan hệ D2(logf(x))≥0 có thể được viết thành f(x)f′′(x)−(f′(x))2≥0. Ta quy về việc chỉ ra rằng các quan hệ a>0,a′>0,ac−b2≥0,a′c′−b′2≥0 kéo theo (a+a′)(c+c′)−(b+b′)2≥0; mà, khi a>0, quan hệ ac−b2≥0 tương đương với việc dạng toàn phương ax2+2bxy+cy2 là ≥0 trên R2, và hiển nhiên là nếu
ax2+2bxy+cy2≥0vaˋa′x2+2b′xy+c′y2≥0
trên R2 thì cả (a+a′)x2+2(b+b′)xy+(c+c′)y2≥0 cũng vậy trên R2.
Bổ đề 2
Cho f là một hàm thực hữu hạn, >0, được xác định và liên tục trên tích I×J của hai khoảng mở của R, và sao cho, với mọi t∈J hàm x↦f(x,t) là lồi lôgarit và khả vi hai lần trên I. Dưới các giả thiết đó, nếu nguyên g(x)=∫Jf(x,t)dt hội tụ với mọi x∈I, thì g là lồi lôgarit trên I.
Trước hết ta chứng minh rằng với mọi khoảng compact K⊂J hàm gK(x)=∫Kf(x,t)dt là lồi lôgarit. Thật vậy, nếu K=[a,b], dãy các hàm
gn(x)=nb−ak=0∑n−1f(x,a+knb−a)
hội tụ đơn giản tới gK(x) trên I (II, p. 57, mệnh đề 5), do đó loggn hội tụ đơn giản tới loggK; theo bổ đề 1 của VII, p. 310, loggn là lồi trên I, nên (I, p. 27, mệnh đề 4) loggK cũng vậy.
Mặt khác, g là giới hạn điểm của các gK theo tập có hướng các khoảng con compact của I (II, p. 64), nên logg là giới hạn điểm của các loggK; các hàm sau cùng này lồi trên I, nên logg cũng lồi (I, p. 27, mệnh đề 4).
Có thể dễ dàng chỉ ra rằng các bổ đề 1 và 2 vẫn đúng ngay cả khi không giả thiết rằng các hàm khả vi hai lần (VII, p. 327, bài tập 5).
Bổ đề 3
Cho φ là một hàm liên tục và >0 trên một khoảng mở J được chứa trong [0,+∞[. Nếu I là một khoảng mở sao cho nguyên g(x)=∫Jtx−1φ(t)dt hội tụ với mọi x∈I, thì g lồi lôgarit trên I.
Thật vậy, logtx−1=(x−1)logt là một hàm của x lồi và khả vi hai lần với mọi t>0, nên bổ đề 2 áp dụng được.
Mệnh đề 3
Với mọi x>0
Γ(x)=∫0∞e−ttx−1dt
(nguyên Euler thứ hai).
Bây giờ hàm g(x)=∫0∞e−ttx−1dt được xác định với mọi x>0 (V, p. 229); bổ đề 3 của VII, p. 311, khi đó cho thấy rằng nó lồi theo logarit trên ]0,+∞[. Hơn nữa, bằng cách tích phân từng phần, ta có
Suy ra f(x)=B(x,y)Γ(x+y) thỏa mãn đẳng thức (1) của VII, p. 305 Hơn nữa, hàm này là lồi lôgarit, vì là tích của hai hàm lồi lôgarit. Cuối cùng, ta có f(1)=B(1,y)Γ(y+1), và B(1,y)=∫01(1−t)y−1dt=1/y, do đó f(1)=y1Γ(y+1)=Γ(y). Vì thế hàm f(x)/Γ(y) bằng Γ(x) theo mệnh đề 1 của VII, p. 306, điều này chứng minh (18).
Bằng phép thay đổi biến t=u+1u công thức (18) trở thành
∫0∞(1+t)x+ytx−1dt=Γ(x+y)Γ(x)Γ(y)
(19)
và bằng phép thay đổi biến t=sin2φ
∫0π/2sin2x−1φcos2y−1φdφ=21Γ(x+y)Γ(x)Γ(y).
(20)
Nếu đặt x=y=21 trong công thức cuối cùng này thì suy ra
Γ(21)=π
(21)
do đó, theo (17),
∫0∞e−t2dt=21π.
(22)
Từ quan hệ (7) của VII, p. 307, ta có khai triển tiệm cận