Реферат
Целью данной курсовой работы является изучение особых свойств Гамма-функции Эйлера. В ходе работы была изучена Гамма-функция, её основные свойства и составлен алгоритм вычисления с разной степенью точности. Алгоритм был написан на языке высокого уровня - Си. Результат работы программы сверен с табличным. Расхождений в значениях обнаружено не было.
Пояснительная записка к курсовой работе выполнена в объёме 36 листов. Она содержит таблицу значений гамма-функции при некоторых значениях переменных и тексты программ для вычисления значений Гамма-функции и для построения графика, а также 2 рисунка.
Для написания курсовой работы было использовано 7 источников.
Введение
Выделяют особый класс функций, представимых в виде собственого либо несобственого интеграла, который зависит не только от формальной переменной, а и от параметра.
Такие функции называются интегралами зависящими от параметра. К их числу относятся гамма и бета функции Эйлера.
Бета функции представимы интегралом Эйлера первого рода:
Гамма функция представляется интегралом Эйлера второго рода:
Гамма-функция относится к числу самых простых и значимых специальных функций, знание свойств которой необходимо для изучения многих других специальных функций, например, цилиндрических, гипергеометрических и других.
Благодаря её введению значительно расширяются наши возможности при вычислении интегралов. Даже в случаях, когда конечная формула не содержит иных функций, кроме элементарных, получение её всё же часто облегчает использование функции Г, хотя бы в промежуточных выкладках.
Эйлеровы интегралы представляют собой хорошо изученные неэлементарные функции. Задача считается решённой, если она приводится к вычислению эйлеровых интегралов.
1. Бэта-функци я Эйлера
Бэта – функции определяются интегралом Эйлера первого рода:
Он представляет функцию от двух переменных параметров и : функцию B . Если эти параметры удовлетворяют условиям и ,то интеграл (1.1) будет несобственным интегралом, зависящим от параметров и ,причём особыми точками этого интеграла будут точки и
Интеграл (1.1) сходятся при .Полагая получим:
т.e. аргумент и входят в симметрично. Принимая во внимание тождество
по формуле интегрирования почестям имеем
Откуда получаем
При целом b = n последовательно применяя (1.2)
при целых = m,= n, имеем
но B(1,1) = 1,следовательно:
Положим в (1.1) .Так как график функции симметрична относительно прямой ,то
и в результате подстановки , получаем
полагая в(1.1) ,откуда , получим
разделяя интеграл на два в пределах от 0 до 1 и от 1 до и применение ко второму интегралу подстановки ,получим
2. Гамма-функция
2.1 Определение
Восклицательный знак в математических трудах обычно означает взятие факториала какого-либо целого неотрицательного числа:
n! = 1·2·3·...·n.
Функцию факториал можно еще записать в виде рекурсионного соотношения:
(n+1)! = (n+1)·n!.
Это соотношение можно рассматривать не только при целых значениях n.
Рассмотрим разностное уравнение
Несмотря на простую форму записи, в элементарных функциях это уравнение не решается. Его решение называется гамма-функцией. Гамма-функцию можно записать в виде ряда или в виде интеграла. Для изучения глобальных свойств гамма-функции обычно пользуются интегральным представлением.
2.2 Интегральное представление
Перейдем к решению этого уравнения. Будем искать решение в виде интеграла Лапласа:
В этом случае правая часть уравнения (2.1) может быть записана в виде:
Эта формула справедлива, если существуют пределы для внеинтегрального члена. Заранее нам не известно поведение образа [(G)\tilde](p) при p®±¥. Предположим, что образ гамма-функции таков, что внеинтегральное слагаемое равно нулю. После того, как будет найдено решение, надо будет проверить, верно ли предположение о внеинтегральном слагаемом, иначе придется искать G(z) как-нибудь по-другому.
Левая часть равенства (2.1) записывается следующим образом:
Тогда уравнение (2.1) для образа гамма-функции имеет вид:
Это уравнение легко решить:
Нетрудно заметить, что найденная функция [(Г)\tilde](p) на самом деле такова, что внеинтегральный член в формуле (2.2) равен нулю.
Зная образ гамма-функции, легко получить и выражение для прообраза:
Это неканоническая формула, для того, чтобы привести ее к виду, полученному Эйлером, надо сделать замену переменной интегрирования: t = exp(-p), тогда интеграл примет вид:
Постоянная C выбирается так, чтобы при целых значениях z гамма-функция совпадала с функцией факториал: Г(n+1) = n!, тогда:
следовательно C = 1. Окончательно, получаем формулу Эйлера для гамма-функции:
Эта функция очень часто встречается в математических текстах. При работе со специальными функциями, пожалуй, даже чаще, чем восклицательный знак.
Проверить, что функция, определенная формулой (2.3), действительно удовлетворяет уравнению (2.1), можно, проинтегрировав интеграл в правой части этой формулы по частям:
2.3 Область определения и полюсы
В подынтегральной функции интеграла (2.3) при экспонента exp(-tz ) при R(z ) > 0 убывает гораздо быстрее, чем растет алгебраическая функция t (z-1) . Особенность в нуле - интегрируемая, поэтому несобственный интеграл в (2.3) сходится абсолютно и равномерно при R (z) > 0. Более того, последовательным дифференцированием по параметру z легко убедиться, что Г(z ) - голоморфная функция при R (z ) > 0. Однако, непригодность интегрального представления (2.3) при R (z ) 0 не означает, что там не определена сама гамма-функция - решение уравнения (2.1).
Рассмотрим поведение Г(z) в окрестности нуля. Для этого представим:
где - голоморфная функция в окрестности z = 0 . Из формулы (2.1) следует:
то есть Г(z) имеет полюс первого порядка при z = 0.
Также легко получить:
то есть в окрестности точки функция Г(z ) также имеет полюс первого порядка.
Таким же образом можно получить формулу:
Из этой формулы следует, что точки z = 0,-1,-2,... - простые полюсы гамма-функции и других полюсов на вещественной оси эта функция не имеет. Нетрудно вычислить вычет в точке z = -n, n = 0,1,2,...:
2.4 Представление Ганкеля через интеграл по петле
Выясним, имеет ли гамма-функция нули. Для этого рассмотрим функцию
Полюсы этой функции и есть нули функции Г(z).
Разностное уравнение для I(z ) легко получить, воспользовавшись выражением для Г(z ):
Выражение для решения этого уравнения в виде интеграла можно получить так же, как было получено интегральное выражение для гамма-функции - через преобразование Лапласа. Ниже приведены вычисления.ни такие же, как и в п.1).ии теграла будут точки ____________________________________________________________________________
После разделения переменных получим:
Проинтегрировав получаем:
Переход к прообразу Лапласа дает:
В полученном интеграле сделаем замену переменной интегрирования:
Здесь важно заметить, что подынтегральная функция при нецелых значениях z имеет точку ветвления t = 0. На комплексной плоскости переменной t проведем разрез по отрицательной вещественной полуоси. Интеграл по этой полуоси представим как сумму интеграла по верхнему берегу этого разреза от до 0 и интеграла от 0 до по нижнему берегу разреза. Чтобы интеграл не проходил через точку ветвления, устроим вокруг нее петлю.
Рис1: Петля в интегральном представлении Ганкеля.
В результате получим:
Чтобы выяснить значение постоянной, вспомним, что I(1) = 1, с другой стороны:
Интегральное представление
называется представлением Ганкеля по петле.
Легко видеть, что функция 1/Г(z ) не имеет полюсов в комплексной плоскости, следовательно, гамма-функция не имеет нулей.
С помощью этого интегрального представления можно получить формулу для произведения гамма-функций. Для этого в интеграле сделаем замену переменной , тогда:
2.5 Предельная форма Эйлера
Гамма-функцию можно представить в виде бесконечного произведения. Это можно заметить, если в интеграле (2.3) представить
Тогда интегральное представление гамма-функции:
В этой формуле мы можем поменять пределы - предел интегрирования в несобственном интеграле и предел при внутри интеграла. Приведем результат:
Возьмем по частям этот интеграл:
Если провести эту процедуру n раз, получим:
Переходя к пределу, получим предельную форму Эйлера для гамма-функции:
2.6 Формула для произведения
Ниже понадобится формула, в которой произведение двух гамма-функций представляется через одну гамма-функцию. Выведем эту формулу, используя интегральное представление гамма-функций.
Повторный интеграл представим как двойной несобственный интеграл. Это можно сделать, воспользовавшись теоремой Фубини. В результате получим:
Несобственный интеграл равномерно сходится. Его можно рассматривать, например, как интеграл по треугольнику, ограниченному осями координат и прямой x+y = R при R. В двойном интеграле сделаем замену переменных:
Якобиан этой замены
Пределы интегрирования: u меняется от 0 до ∞, v при этом меняется от 0 до 1. В результате получим:
Перепишем опять этот интеграл как повторный, в результате получим:
где Rp > 0, Rv > 0.
2. Производная гамма функции
Интеграл
сходится при каждом ,поскольку ,и интеграл при сходится.
В области , где - произвольное положительное число, этот интеграл сходится равномерно, так как и можно применить признак Вейрштраса. Сходящимся при всех значениях является и весь интеграл так как и второе слагаемое правой части является интегралом, заведомо сходящимся при любом.Легко видеть что интеграл сходится пов любой области где произвольно. Действительно для всех указанных значений и для всех ,и так как сходится, то выполнены условия признака Вейерштрасса. Таким образом, в области интеграл сходится равномерно.
Отсюда вытекает непрерывность гамма функции при.Докажем дифференцируемость этой функции при .Заметим что функция непрерывна при и, и покажем,что интеграл:
сходится равномерно на каждом сегменте , . Выберем число так, чтобы ; тогда при .Поэтому существует число такое, что и на.Но тогда на справедливо неравенство
и так как интеграл сходится, то интеграл сходится равномерно относительно на . Аналогично для существует такое число , что для всех выполняется неравенство . При таких и всех получим , откуда в силу признака сравнения следует, что интеграл сходится равномерно относительно на . Наконец, интеграл
в котором подынтегральная функция непрерывна в области
Очевидно, сходится равномерно относительно на . Таким образом, на интеграл
сходится равномерно, а, следовательно, гамма-функция бесконечно дифференцируема при любом и справедливо равенство
Относительно интеграла можно повторить те же рассуждения и заключить, что
По индукции доказывается, что Г-функция бесконечно дифференцируема прии для ее я -ой производной справедливо равенство
Изучим теперь поведение - функции и построим эскиз ее графика. (см. Приложение 1)
Из выражения для второй производной -функции видно, что для всех . Следовательно, возрастает. Поскольку , то по теореме Роля на сегменте производная при и при , т. е. Монотонно убывает на и монотонно возрастает на . Далее, поскольку , то при . При из формулы следует, что при .
Равенство , справедливое при , можно использовать при распространении - функции на отрицательное значение .
Положим для, что . Правая часть этого равенства определена для из (-1,0) . Получаем, что так продолженная функция принимает на (-1,0) отрицательные значения и при , а также при функция .
Определив таким образом на , мы можем по той же формуле продолжить ее на интервал (-2,-1). На этом интервале продолжением окажется функция, принимающая положительные значения и такая, что при и . Продолжая этот процесс, определим функцию , имеющею разрывы в целочисленных точках (см. Приложение 1.)
Отметим еще раз, что интеграл
определяет Г-функцию только при положительных значениях , продолжение на отрицательные значения осуществлено нами формально с помощью формулы приведения .
4. Вычисление некоторых интегралов.
Формула Стирлинга
Применим гамма функцию к вычислению интеграла:
где m > -1,n > -1.Полагая, что ,имеем
и на основании (2.8) имеем
В интеграле
Где k > -1,n > 0,достаточно положить
Интеграл
Где s > 0,разложить в ряд
где дзетта функция Римана
Рассмотрим неполные гамма функции (функции Прима)
связанные неравенством
Разлагая, в ряд имеем
Переходя к выводу формулы Стирлинга, дающей в частности приближенное значение n! при больших значениях n ,рассмотрим предварительно вспомогательную функцию
Непрерывна на интервале (-1,) монотонно возрастает от до при изменении от до и обращаются в 0 при u = 0.Так как
И так производная непрерывна и положительна во всем интервале ,удовлетворяет условию
Из предыдущего следует, что существует обратная функция, определенная на интервале непрерывная и монотонно возрастающая в этом интервале,
Обращающаяся в 0 при v=0 и удовлетворяющая условие
Формулу Стирлинга выведем из равенства
полагая на конец,,получим
в пределе при т.е. при (см 4.3)
откуда вытекает формула Стирлинга
которую можно взять в виде
где ,при
для достаточно больших полагают
вычисление же производится при помощи логарифмов
если целое положительное число, то и (4.5) превращается в приближенную формулу вычисления факториалов при больших значениях n
приведем без вывода более точную формулу
где в скобках стоит не сходящийся ряд.
5. Примеры вычисления интегралов
Для вычисления необходимы формулы:
Вычислить интегралы
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Для вычисления гамма-функции используется аппроксимация её логарифма. Для аппроксимации гамма-функции на интервале x>0 используется следующая формула (для комплексных z):
Г(z+1)=(z+g+0.5) z+0.5 exp(-(z+g+0.5))
Эта формула похожа на аппроксимацию Стирлинга, но в ней имеется корректирующая серия. Для значений g=5 и n=6, проверено, что величина погрешности ε не превышает 2*10 -10 . Более того, погрешность не превышает этой величины на всей правой половине комплексной плоскости: z > 0.
Для получения (действительной) гамма-функции на интервале x>0 используется рекуррентная формула Г(z+1)=zГ(z) и вышеприведенная аппроксимация Г(z+1). Кроме того, можно заметить, что удобнее аппроксимировать логарифм гамма-функции, чем ее саму. Во-первых, при этом потребуется вызов только одной математической функции - логарифма, а не двух - экспоненты и степени (последняя все равно использует вызов логарифма), во-вторых, гамма-функция - быстро растущая для больших x, и аппроксимация ее логарифмом снимает вопросы переполнения.
Для аппроксимации Ln(Г(х) - логарифма гамма-функции - получается формула:
log(Г(x))=(x+0.5)log(x+5.5)-(x+5.5)+
log(C 0 (C 1 +C 2 /(x+1)+C 3 /(x+2)+...+C 7 /(x+8))/x)
Значения коэффициентов C k - табличные данные (см. в программе).
Сама гамма-функция получается из ее логарифма взятием экспоненты.
Заключение
Гамма функции являются удобным средством для вычисления некоторых интегралов в частности многих из тех интегралов, которые не представимы в элементарных функциях.
Благодаря этому они широко применяются в математике и ее приложениях, в механике, термодинамике и в других отраслях современной науки.
Список литературы
1. Специальные функции и их приложения:
Лебедев И.И.,М.,Гостехтериоиздат,1953
2. Математический анализ часть 2:
Ильин О.А., Садовничий В.А., Сендов Бл.Х.,М.,”Московский университет”,1987
3. Сборник задач по математическому анализу:
Демидович Б.П.,М.,Наука,1966
4. Интегралы и ряды специальные функции:
Прудников А.П., Брычков Ю.А.,М.,Наука,1983
5. Специальные функции:
Кузнецов, М.,”Высшая школа”,1965
6.Асимптотика и специальные функции
Ф.Олвер, М.,Наука,1990.
7.Зоопарк чудовищ или знакомство со спецмальными функциями
О.М.Киселёв,
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 1 - График гамма-функции действительного переменного
Приложение 2 – График Гамма-функции
Таблица – таблица значений гамма-функции при некоторых значениях аргумента.
Приложение 3 – листинг программы, рисующий таблицу значений гамма-функции при некоторых значениях аргумента.
Приложение 4 – листинг программы, рисующей график гамма-функции
Реферат............................................................. ...................................3
Введение........................................................... ...................................4
Теоретическая часть…………………………………………………….5
Бета функция Эйлера…………………………………………….5
Гамма функция................................................. ...................................8
2.1. Определение………………………………………………...8
2.2. Интегральное представление………………………………8
2.3. Область определения и полюсы…………………………..10
2.4. Представление Ганкеля через интеграл по петле………..10
2.5. Предельная форма Эйлера………………………………...12
2.6. Формула для произведения………………………………..13
Производная гамма функции........................ ..................................15
Вычисление интегралов. Формула Стирлинга...........................18
Примеры вычислений интегралов................... ..................................23
Практическая часть…………………………………………………….24
Заключение....................................................... ..................................25
Список литературы……………………………………………..............26
Приложения……………………………………………………………..27
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
График гамма-функции действительного переменного
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
График Гамма-функции
ТАБЛИЦА
| х | g(x) |
ПРИЛОЖЕНИЕ 3
#include
#include
#include
#include
#include
static double cof={
2.5066282746310005,
1.0000000000190015,
76.18009172947146,
86.50532032941677,
24.01409824083091,
1.231739572450155,
0.1208650973866179e-2,
0.5395239384953e-5,
double GammLn(double x) {
lg1=log(cof*(cof+cof/(x+1)+cof/(x+2)+cof/(x+3)+cof/(x+4)+cof/(x+5)+cof/(x+6))/x);
lg=(x+0.5)*log(x+5.5)-(x+5.5)+lg1;
double Gamma(double x) {
return(exp(GammLn(x)));
cout<<"vvedite x";
printf("\n\t\t\t| x |Gamma(x) |");
printf("\n\t\t\t_________________________________________");
for(i=1;i<=8;i++)
x=x[i]+0.5;
g[i]=Gamma(x[i]);
printf("\n\t\t\t| %f | %f |",x[i],g[i]);
printf("\n\t\t\t_________________________________________");
printf("\n Dlia vuhoda iz programmu najmite lybyiy klavishy");
ПРИЛОЖЕНИЕ 4
#include
#include
#include
#include
Double gam(double x, double eps)
Int I, j, n, nb;
Double dze={1.6449340668422643647,
1.20205690315959428540,
1.08232323371113819152,
1.03692775514336992633,
1.01734306198444913971};
Double a=x, y, fc=1.0, s, s1, b;
Printf (“вы ввели неправильные данные, попробуйте снова\n”); return -1.0;
If(a==0) return fc;
For (i=0;i<5;i++)
S=s+b*dze[i]/(i+2.0);
Nb=exp((i.0/6.0)*(7.0*log(a)-log(42/0)-log(eps)))+I;
For (n=1;n<=nb;n++)
For(j=0; j<5; j++)
Si=si+b/(j+1.0);
S=s+si-log(1.0+a/n);
Double dx,dy, xfrom=0,xto=4, yto=5, h, maxy, miny;
Int n=100, I, gdriver=DETECT, gmode, X0, YN0, X, Y, Y0,pr=0;
Initgraph(&gdriver,&gmode, “ ”);
YN0=getmaxy()-20;
Line(30, getmaxy ()-10,30,30);
Line(20, getmaxy ()-30, getmaxx ()-20, getmaxy ()-30);
}while (Y>30);
}while (X<700);
}while (X<=620);
}while (y>=30);
X=30+150.0*0,1845;
For9i=1;i Dy=gam(dx,1e-3); X=30+(600/0*i)/n; If(Y<30) continue; X=30+150.0*308523; Line (30,30,30,10); Line(620,450,640,450); Line(30,10,25,15); Line(30,10,25,15); Line(640,450,635,445); Line(640,450,635,455); Line(170,445,170,455); Line(320,445,320,455); Line(470,445,470,455); Line(620,445,620,455); Line(25,366,35,366); Line(25,282,35,282); Line(25,114,35,114); Line(25,30,35,30); Outtexty(20,465,"0"); Outtexty(165,465, "1"; Outtexty(315,465, "2"; Outtexty(465,465, "3"; Outtexty(615,465, "4"; Outtexty(630,465, "x"; Outtexty(15,364, "1"; Outtexty(15,280, "2"; Outtexty(15,196, "3"; Outtexty(15,112, "4"; Outtexty(15,30, "5"; ГАММА-ФУНКЦИЯ, Г-функция,- трансцендентная функция T(z), распространяющая значения факториала z! на случай любого комплексного z ≠ 0, -1, -2, .... Г.-ф. введена Л. Эйлером [(L. Euler), 1729, письмо к X. Гольдбаху (Ch. Goldbach)] при помощи бесконечного произведения из к-рого Л. Эйлер получил интегральное представление (эйлеров интеграл второго рода) верное для Re z > 0. Многозначность функции x z-1 устраняется формулой x z-1 = e (z-1)ln x с действительным ln х. Обозначение Г(z) и назв. Г.-ф. были предложены А. М. Лежандром (А. М. Legendre, 1814). На всей плоскости z с выброшенными точками z = 0, -1, -2, ... для Г.-ф. справедливо интегральное представление Ганкеля: где s z-1 = e (z-1)ln s , причем ln s есть ветвь логарифма, для к-рой 0
Основные соотношения и свойства Г.-ф. 1) Функциональное уравнение Эйлера: zГ(z) = Г(z + 1), Г(1) = 1, Г(n + 1) = n!, если n > 0 - целое, при этом считают 0! = Г(1) = 1. 2) Формула дополнения Эйлера: Г(z)Г(1 - z) = π/sin πz. В частности, если n > 0 - целое, то y - действительное. 3) Формула умножения Гаусса: При m = 2 это есть формула удвоения Лежандра. 4) При Rе z ≥ δ > 0 или |Im z| ≥ δ > 0 имеет место асимптотич. разложение ln Г(z) в ряд Стирлинга: где B 2n - Бернулли числа. Из чего следует равенство В частности, Более точной является формула Сонина : 5) В действительной области Г(х) > 0 для х > 0 и принимает знак (-1) k+1 на участках -k - 1 ГГ"" > Г" 2 ≥ 0, т. е. все ветви как |Г(x)|, так и ln |Г(х)| - выпуклые функции. Свойство логарифмич. выпуклости определяет Г.-ф. среди всех решений функционального уравнения Г(1 + х) = хГ(х) с точностью до постоянного множителя. Рис. 2. График функции y = Г(х). Для положительных х Г.-ф. имеет единственный минимум при х = 1,4616321..., равный 0,885603... . Локальные минимумы функции |Г(х)| при х → -∞ образуют последовательность, стремящуюся к нулю. Рис. 3. График функции 1/Г(x). 6) В комплексной области, при Re z > 0, Г.-ф. быстро убывает при |Im z| → -∞ 7) Функция 1/Г(z) (см. рис. 3) является целой функцией 1-го порядка максимального типа, причем асимптотически при Г → ∞ ln М(r) ~ r ln r, Она представима бесконечным произведением Вейерштрасса: абсолютно и равномерно сходящимся на любом компактном множестве комплексной плоскости (здесь С -Эйлера постоянная). Справедливо интегральное представление Ганкеля: где контур С * изображен на рис. 4. Интегральные представления для степеней Г.-ф. были получены Г. Ф. Вороным . В приложениях большую роль играют так наз. полигамма-функции, являющиеся к-ми производными от ln Г(z). Функция (ψ-функция Гаусса) мероморфна, имеет простые полюсы в точках z = 0,- 1,_-2, ... и удовлетворяет функциональному уравнению ψ(z + 1) - ψ(z) = 1/z. Из представления ψ(z) при |z|
эта формула полезна для вычисления Г(z) в окрестности точки z = 1. О других полигамма-функциях см. . Неполная гамма-функция определяется равенством Функции Г(z), ψ(z) суть трансцендентные функции, не удовлетворяющие никакому линейному дифференциальному уравнению с рациональными коэффициентами (теорема Гёльдера). Исключительная роль Г.-ф. в математич. анализе определяется тем, что при помощи Г.-ф. выражается большое количество определенных интегралов, бесконечных произведений и сумм рядов (см., напр., Бета-функция). Кроме того, Г.-ф. находит широкие применения в теории специальных функций (гипергеометрической функции, для которой Г.-ф. является предельным случаем, цилиндрических функций и др.), в аналитич. теории чисел и т. д. Лит.: Уиттекер Э. Т., Ватсон Дж. Н., Курс современного анализа, пер. с англ., т. 2, 2 изд., М., 1963; Бейтмен Г., Эрдейи А., Высшие трансцендентные функции Гипергеометрическая функция. Функции Лежандра, пер. с англ., М., 1965; Бурбаки Н., Функции действительного переменного. Элементарная теория, пер. с франц., М., 1965; Математический анализ. Функции, пределы, ряды, цепные дроби, (Справочная математическая библиотека), М., 1961; Nielsen N.. Handbuch der Theorie der Gamma-funktion, Lpz., 1906; Сонин Н. Я., Исследования о цилиндрических функциях и специальных полиномах, М., 1954; Вороной Г. Ф., Собр. соч., т. 2, К., 1952, с. 53-62; Янке Е., Эмде Ф., Леш Ф., Специальные функции. Формулы, графики, таблицы, пер. с нем., 2 изд., М., 1968; Анго А., Математика для электро- и радиоинженеров, пер. с франц., 2 изд., М., 1967. Л. П. Купцов. Источники: Гамма-излучение и его свойства Гамма-излучение представляет собой коротковолновое электромагнитное излучение с чрезвычайно малой длиной волны l < 10 -10 м и вследствие этого – ярко выраженными корпускулярными свойствами, т.е. является потоком частиц – g-квантов, или фотонов, с энергией hn
(n – частота излучения, h – постоянная Планка). На шкале электромагнитных волн гамма-излучение граничит с жестким рентгеновским излучением, занимая область более высоких частот. Экспериментально установлено, что g-излучение не является самостоятельным видом радиоактивности. Оно сопровождает a- и b-распады и также возникает при ядерных реакциях, при торможении заряженных частиц, их распаде и т.п. Сопровождающее распад радиоактивных ядер, гамма-излучение, испускается при переходах ядра из более возбужденного энергетического состояния в менее возбужденное или в основное. Энергия g-кванта равна разности энергий De состояний, между которыми происходит переход. Возбужденное состояние Основное состояние ядра Е1 Испускание ядром g-кванта не ведет к изменению атомного номера или массового числа. Ширина линий гамма-излучения очень мала (~10 -2 эВ). Поскольку расстояние между уровнями во много раз больше ширины линий, спектр гамма-излучения является линейчатым, т.е. состоит из ряда дискретных линий. При помощи исследования спектров гамма-излучения можно установить энергии возбужденных состояний ядер. Гамма-кванты больших энергий испускаются при распадах некоторых элементарных частиц. Так, при распаде покоящегося p 0 - мезона возникает гамма-излучение с энергией ~70 МэВ. Гамма-излучение при распаде элементарных частиц также обладает линейчатым спектром. Однако распадающиеся элементарные частицы очень часто движутся со скоростями, равными, примерно, скорости света, вследствие чего возникает доплеровское уширение спектральных линий и спектр гамма-излучения оказывается размытым в широком интервале энергий. Возникающее при прохождении быстрых заряженных частиц через вещество, гамма-излучение вызывается их торможением в кулоновском поле атомных ядер вещества. Тормозное гамма-излучение, также как и тормозное рентгеновское излучение, характеризуется сплошным спектром, верхняя граница которого совпадает с энергией заряженной частицы, например электрона. В ускорителях заряженных частиц получают тормозное гамма-излучение с максимальной энергией, достигающей несколько десятков ГэВ. В межзвёздном пространстве гамма-излучение возникает в результате соударений квантов более мягкого длинноволнового электромагнитного излучения, например света, с электронами, ускоренными магнитными полями космических объектов. При этом быстрый электрон передает свою энергию электромагнитному излучению и видимый свет превращается в более жесткое гамма-излучение. Подобное явление встречается и на Земле при столкновении электронов большой энергии, получаемых на ускорителях, с фотонами видимого света в интенсивных пучках света, создаваемых лазерами. Электрон передает энергию световому фотону, который превращается в g-квант. Можно на практике превращать отдельные фотоны света в кванты гамма-излучения высокой энергии. Гамма-излучение не отклоняется электрическим и магнитным полями, обладает относительно слабой ионизирующей способностью и очень большой проникающей способностью (например, проходит через слой свинца толщиной 5 см). Основные процессы, происходящие при взаимодействии гамма-излучения с веществом, – фотоэлектрическое поглощение (фотоэффект), комптоновское рассеяние (комптон-эффект) и образование пар электрон-позитрон. Фотоэффект – это процесс, при котором атом поглощает гамма-квант и испускает электрон. Так как электрон выбивается из одной из внутренних оболочек атома. То освобождающееся место заполняется электронами из вышележащих оболочек. И фотоэффект сопровождается характеристическим рентгеновским излучением. Вероятность фотоэффекта прямо пропорциональна пятой степени атомного номера элемента и обратно пропорциональна 3-й степени энергии гамма-излучения. Таким образом, фотоэффект преобладает в области малых энергии g-квантов (~ 100 кэВ) на тяжелых элементах (Pb, U). При комптон-эффект происходит рассеяние g-кванта на одном из электронов, слабо связанных в атоме. В отличие от фотоэффекта, при комптон-эффекте g-квант не исчезает, а лишь изменяет энергию (длину волны) и направление распространения. Узкий пучок гамма-лучей в результате комптон-эффекта становится более широким, а само излучение – более мягким (длинноволновым). Интенсивность комптоновского рассеяния пропорциональна числу электронов в 1 см 3 вещества, и поэтому вероятность этого процесса пропорциональна атомному номеру вещества. Комптон-эффект становится заметным в веществах с малым атомным номером и при энергиях гамма-излучения, превышающих энергию связи электронов в атомах. Так, в случае Pb вероятность комптоновского рассеяния сравнима с вероятностью фотоэлектрического поглощения при энергии ~ 0,5 МэВ. В случае Al комптон-эффект преобладает при гораздо меньших энергиях. При энергии гамма-кванта > 10 МэВ основным процессом взаимодействия гамма-излучения в любом веществе является образование электронно-позитронных пар в электрическом поле ядер. Вероятность образования пар пропорциональна квадрату атомного номера и увеличивается с ростом hn . Поэтому при hn ~10 МэВ основным процессом в любом веществе оказывается образование пар. 0,1 0,5 1 2 5 10 50 Энергия γ-лучей (МэВ) Обратный процесс аннигиляции электрон-позитронной пары является источником гамма-излучения. Для характеристики ослабления гамма-излучения в веществе обычно пользуются коэффициентом поглощения, показывающим, на какой толщине Х поглотителя интенсивность I 0 падающего пучка гамма-излучение ослабляется в е
раз: Здесь μ 0 – линейный коэффициент поглощения гамма-излучения. Иногда вводят массовый коэффициент поглощения, равный отношению μ 0 к плотности поглотителя. Этот закон ослабления гамма-излучения справедлив только для узко направленного пучка гамма-лучей, при котором любой процесс, как поглощения, так и рассеяния, выводит гамма-излучение из состава первичного пучка. Пир высоких же энергиях процесс прохождения гамма-излучения через вещество несколько усложняется. Вторичные электроны и позитроны обладают большой энергией и, значит, могут, в свою очередь, создавать гамма-излучение благодаря процессам торможения и аннигиляции. Таким образом, в веществе возникает ряд чередующихся поколений вторичного гамма-излучения, электронов и позитронов, то есть происходит развитие каскадного ливня. Число вторичных частиц в таком ливне вначале возрастает с ростом толщины вещества, достигая максимума. Однако затем процессы поглощения начинают преобладать над процессами размножения частиц и ливень затухает. Способность гамма-излучения развивать ливни зависит от соотношения между его энергией и так называемой критической энергией, после которой каскадный ливень в данном веществе практически теряет способность развиваться. В экспериментальной физике для изменения энергии гамма-излучения применяются гамма-спектрометры различных типов, которые основаны, в основном, на измерении энергии вторичных электронов. Типы спектрометров гамма-излучения: магнитные, сцинтиляционные, полупроводниковые и кристалл-дифракционные. Изучение спектров ядерных гамма-излучений дает важную информацию о структуре ядер. Наблюдение эффектов, связанных с влиянием внешней среды на свойства ядерного гамма-излучения используется для изучения свойств твёрдых тел. Гамма-излучение широко применяется в технике, например, для обнаружения дефектов в металлах используется гамма-дефектоскопия. Этот метод основан на различном поглощении гамма-излучения при распространении его на одинаковые расстояния в разных средах. Местоположение и размеры дефектов определяются по различию в интенсивностях излучения. Прошедшего через разные участки просвечиваемого изделия. В радиационной химии гамма-излучение применяется для инициирования химических превращений, например процессов полимеризации. В пищевой промышленности гамма-излучение используется для стерилизации продуктов питания. Основными источниками гамма-излучения служат естественные и искусственные радиоактивные изотопы, а также электронные ускорители. Воздействие на организм гамма-излучения подобно действию других видов ионизирующих излучений. Гамма-излучение может вызывать лучевое поражение организма, вплоть до его гибели. Характер влияния гамма-излучения зависит от энергии g-квантов и пространственных особенностей облучения, например, он различен для случая внешнего и внутреннего облучения. Относительная биологическая эффективность гамма-излучения составляет 0,7–0,9. В производственных условиях (хроническое воздействие в малых дозах) относительная биологическая эффективность гамма-излучения принята равной 1. Гамма-излучение используется в медицине для лечения опухолей, для стерилизации помещений, аппаратуры и лекарственных препаратов. Гамма-излучение применяют также для получения мутаций с последующим отбором хозяйственно-полезных форм. Так выводят высокопродуктивные сорта микроорганизмов (например, для получения антибиотиков) и растений. Возможности лучевой терапии значительно расширились за счёт средств и методов дистанционной гамма-теропии. Успехи дистанционной гамма-терапии достигнуты в результате большой работы в области использования мощных искусственных радиоактивных источников гамма-излучения (кобальт-60, цезий-137), а также новых гамма-препаратов. Большое значение дистанционной гамма-терапии объясняется также сравнительной доступностью и удобствами использования гамма-аппаратов. Гамма-аппараты, так же как и рентгеновские аппараты, конструируют для статического и подвижного облучения. С помощью подвижного облучения стремятся создать большую дозу в опухоли при рассредоточенном облучении здоровых тканей. Разработаны конструктивные усовершенствования гамма-аппаратов, направленные на уменьшение полутени, улучшение гомогенности полей, использование фильтров типа жалюзи и поиски дополнительных возможностей защиты. В растениеводстве использование ядерных излучений дает обширные возможности для изменения обмена веществ у сельскохозяйственных растений, повышение их урожайности, ускорения развития и улучшения качества. Уже в первых исследованиях радиобиологов было установлено, что ионизирующая радиация – мощный фактор воздействия на рост, развитие и обмен веществ в живых организмах. Под влиянием гамма-облучения у растений, животных или микроорганизмов меняется слаженный обмен веществ, ускоряется или замедляется (в зависимости от дозы) течение физиологических процессов, наблюдаются сдвиги в росте, развитии, формировании урожая. Нужно подчеркнуть, что при гамма-облучении в семена не поступают радиоактивные вещества. Облученные семена, как и выращенный из них урожай, нерадиоактивны. Оптимальные дозы облучения только ускоряют нормальные процессы, происходящие в растении, и поэтому совершенно необоснованны какие-либо опасения и предостережения против использования в пищу урожая, полученного из семян, подвергавшихся предпосевному облучению. Ионизирующие излучения применяются для повышения сроков хранения сельскохозяйственных продуктов и уничтожения различных насекомых-вредителей. Например, если зерно перед загрузкой в элеватор пропустить через бункер, где установлен мощный источник радиации, то возможность размножения насекомых-вредителей будет исключена и зерно сможет храниться длительное время без каких-либо потерь. Употребление его в качестве корма не вызвало никаких отклонений в росте, способности к размножению и других патологических отклонений от нормы у четырех поколений экспериментальных животных. Пояснительная записка к курсовой работе выполнена в объёме 36 листов. Она содержит таблицу значений гамма-функции при некоторых значениях переменных и тексты программ для вычисления значений Гамма-функции и для построения графика, а также 2 рисунка. Для написания курсовой работы было использовано 7 источников. Выделяют особый класс функций, представимых в виде собственого либо несобственого интеграла, который зависит не только от формальной переменной, а и от параметра. Такие функции называются интегралами зависящими от параметра. К их числу относятся гамма и бета функции Эйлера. Бета функции представимы интегралом Эйлера первого рода: Гамма функция представляется интегралом Эйлера второго рода: Гамма-функция относится к числу самых простых и значимых специальных функций, знание свойств которой необходимо для изучения многих других специальных функций, например, цилиндрических, гипергеометрических и других. Благодаря её введению значительно расширяются наши возможности при вычислении интегралов. Даже в случаях, когда конечная формула не содержит иных функций, кроме элементарных, получение её всё же часто облегчает использование функции Г, хотя бы в промежуточных выкладках. Эйлеровы интегралы представляют собой хорошо изученные неэлементарные функции. Задача считается решённой, если она приводится к вычислению эйлеровых интегралов. 1.
Бэта-функци
я Эйлера
Бэта – функции определяются интегралом Эйлера первого рода: Он представляет функцию от двух переменных параметров Интеграл (1.1) сходятся при т.e. аргумент по формуле интегрирования почестям имеем Откуда получаем При целом b = n последовательно применяя (1.2) при целых но B(1,1) = 1,следовательно: Положим в (1.1) и в результате подстановки полагая в(1.1) разделяя интеграл на два в пределах от 0 до 1 и от 1 до 2. Гамма-функция
2.1 Определение Восклицательный знак в математических трудах обычно означает взятие факториала какого-либо целого неотрицательного числа: n! = 1·2·3·...·n. Функцию факториал можно еще записать в виде рекурсионного соотношения: (n+1)! = (n+1)·n!. Это соотношение можно рассматривать не только при целых значениях n. Рассмотрим разностное уравнение Несмотря на простую форму записи, в элементарных функциях это уравнение не решается. Его решение называется гамма-функцией. Гамма-функцию можно записать в виде ряда или в виде интеграла. Для изучения глобальных свойств гамма-функции обычно пользуются интегральным представлением. 2.2
Интегральное представление
Перейдем к решению этого уравнения. Будем искать решение в виде интеграла Лапласа: В этом случае правая часть уравнения (2.1) может быть записана в виде: Эта формула справедлива, если существуют пределы для внеинтегрального члена. Заранее нам не известно поведение образа [(G)\tilde](p) при p®±¥. Предположим, что образ гамма-функции таков, что внеинтегральное слагаемое равно нулю. После того, как будет найдено решение, надо будет проверить, верно ли предположение о внеинтегральном слагаемом, иначе придется искать G(z) как-нибудь по-другому. Область определения гамма-функции Г(ж)
В интеграле (1) имеются особенности двух типов:
1) интегрирование по полупрямой
2) в точке подынтегральная функция обращается в бесконечность.
Чтобы разделить эти особенности, представим функцию Г(ж) в виде суммы двух интегралов
Гамма-функцией называется интеграл Область определения гамма-функции Некоторые свойства гамма-функции Бета-функция и ее свойства Область определения бета-функции Применение интегралов Эйлера в вычислении определенных интегралов
и рассмотрим каждый из них отдельно.
Так как то интеграл сходится при (по признаку сравнения).
Интеграл сходится при любом х. В самом деле, взяв произвольное, получим, что при любом х
При интеграл сходится, следовательно, интеграл сходится
при любом x.
Тем самым, сходится при и мы доказал и, что областью
определения гамма-функции Г(ж) является полупрямая
Покажем, что интеграл (1) сходится равномерно по х на любом отрезке Пусть. Тогда при имеем
Интегралы в правых частях формул (2) и (3) сходятся, а по признаку Вейерштрасса равномерно сходятся интегралы, стоящие в левых частях неравенств (2) и (3). Следовательно, в силу равенства
получаем равномерную сходимость Г(х) на любом отрезке [с, й],где. Из равномерной сходимости Г(ж) вытекает непрерывность этой функции при Некоторые свойства гамма-функции
1. (гамма-функция при х > 0 не имеет нулей).
2. При любом х > 0 имеет место формула приведения для гамма-функции
3. При х = п имеет место формула
При х = 1 имеем
Пользуясь формулой (4), получим
Применяя формулу п раз, при получаем
4. Кривая у = Г(х) выпукла вниз. В самом деле,
Отсюда следует, что производная на полупрямой может иметь только один нуль. А так как, то по теореме Ролля этот нуль х0 производной Г"(х) существует и лежит в интервале (1,2). Поскольку, то в точке х0 функция Г(х) имеет минимум.
Можно показать, что на (0, +оо) функция Г(х) дифференцируема любое число
раз.
Из формулы
ибо непрерывна и при
6. Формула дополнения.
График гамма-функции имеет вид, изображенный на рис. 4.
§ 4. Бета-функция и ее свойства
Бета-функцией называется интеграл
зависящий от параметров
4.1. Область определения бета-функции В(х)
Подынтегральная функция при имеет две особые точки
Для отыскания области определения представим интеграл (7) в виде суммы двух интегралов
первый из которых (при) имеет особую точку, а второй (при - особую точку t = 1. Интеграл
- несобственный интеграл 2-го рода. Он сходится при условии, что при, а инте!рал
Гамма-функцией называется интеграл Область определения гамма-функции Некоторые свойства гамма-функции Бета-функция и ее свойства Область определения бета-функции Применение интегралов Эйлера в вычислении определенных интегралов
сходится при Тем самым, бета-функция В(х} у) определена для всех положительных значений хну.
Можно доказать, что интеграл (7) равномерно сходится в каждой области х^а>0, У>Ь>Оу так что бета-функция непрерывна при Некоторые свойства бета-функции
1. При справедлива формула
Бета-функция является симметричной относительно хну,
Это следует из формулы (9).
§5. Применение интегралов Эйлера
в вычислении определенных интегралов
Рассмотрим несколько примеров. Пример 1. Вычислить интеграл
4 Введем замену получаем Поэтому
Пример 2. Вычислить интеграл
Положим, тогда, пределы интегрирования остаются прежними, так что заданный интеграл сводится к бета-функции:
Пример 3. Исходя из равенства
вычислить интеграл
Здесь мы воспользовались определением бета-функции и формулами Упражнения
Вычислите пределы:
Найдите производные F"(y) для следующих функций:
о. Исходя из равенства. вычислите интеграл
7. Используя равенство, путем дифференцирования
по параметру получите следующую формулу:
8. Докажите, что интеграл РавномеРно сходится по у на всей
вещественной оси.
7 dx
9. Докажи те, что интеграл сходится равномерно по параметру s на любом
отрезке
10. Используя равенство вычислите путем дифференцирования
по параметру интеграл
С помощью Эйлеровых интегралов вычислите следующие интегралы:
Выразите через Эйлеровы интегралы:
Гамма-функцией называется интеграл Область определения гамма-функции Некоторые свойства гамма-функции Бета-функция и ее свойства Область определения бета-функции Применение интегралов Эйлера в вычислении определенных интегралов
целое положительное) Докажем, что интеграл
равномерно сходится на всей вещественной оси: 1) имеет место соотношение
всякого в качестве Л(е), упоминаемого в определении несобственного интеграла, равномерно сходящегося по параметру у, можно взять
При В > А будем иметь
Докажем, что интеграл /(«) = / равномерно сходится при а
Так как при О 1 и интеграл
сходится, то по достаточному признаку Вейерштрасса заключаем, чгто данный интеграл рав-
номерно сходится. 10. Имеем Дифференцируя п раз
о
Введение
