Anhang A: Die Gamma-Funktion

Ähnliche Dokumente
3. Taylorformel und Taylorreihen

6. Die Gamma-Funktion

Übungen zur Vorlesung Funktionentheorie Sommersemester Musterlösung zu Blatt 11. c n (z a) n,

Funktionentheorie. Lösungsvorschläge zum 4. Übungsblatt. (z 2 + 1)(2z + 1) dz. Log(iz 1) z + 4(i + 1) f (z) = e 1

Wallis-Produkt, Gammafunktion und n-dimensionale Kugeln

n=0 f(x) = log(1 + x) = n=1

Funktionentheorie II Historie zur eulerschen Gammafunktion

3.2 Potenzreihen und komplexe Taylorentwicklung

Übungen zur Infinitesimalrechnung 2, H.-C. Im Hof 19. März Blatt 4. Abgabe: 26. März 2010, Nachmittag. e x2 dx + e x2 dx = 2 e x2 dx

Höhere Mathematik I für die Fachrichtung Physik

1 Lösungen zu Analysis 1/ 12.Übung

Ganze Funktionen endlicher Ordnung und Anwendungen auf die Riemannsche Zeta-Funktion

Nachklausur - Analysis 1 - Lösungen

8. Die Exponentialfunktion und die trigonometrischen Funktionen

7. Potenzreihen und Taylor-Reihen

4 Konvergenz von Folgen

KAPITEL 11. Ungleichungen. g(x) g(x 0 ) + K 0 (x x 0 ).

Übungsaufgaben zu Analysis 1 Lösungen von Blatt XII vom sin(nx) n sin(x). sin(ax) a sin(x) z = re iϕ = r(cos(ϕ) + i sin(ϕ)) z n = w

Analysis II für M, LaG und Ph, WS07/08 Übung 2, Lösungsskizze

TECHNISCHE UNIVERSITÄT MÜNCHEN

n gerade 0 n ungerade (c) x n = a 1 n, a R + (d) x 1 := 2, x n+1 = 2 + x n (e) x n = (f) x n = exp(exp(n)) (g) x n = sin(n)

4. Der Weierstraßsche Approximationssatz

8. Die Exponentialfunktion und die trigonometrischen Funktionen. 8.1 Definition der Exponentialfunktion

Dirichlet-Reihen II. 1 Konvergenzeigenschaften von Dirichlet-Reihen

Lösungsvorschlag zur Klausur zur Analysis III

Analysis I für M, LaG/M, Ph 4.Übungsblatt

Höhere Mathematik für die Fachrichtung Physik

Resultate: Vertauschbarkeit von Grenzprozessen, Konvergenzverhalten von Potenzreihen

4. Reihen Definitionen

Gaußsches Integral und Stirling-Formel

Höhere Mathematik I für die Fachrichtungen Elektroingenieurwesen, Physik und Geodäsie Lösungsvorschläge zum 12. Übungsblatt

Der Satz von Stone-Weierstraß. 1 Approximationssatz von Weierstraß

4-1 Elementare Zahlentheorie

KAPITEL 8. Zahlenreihen. 8.1 Geometrische Reihe Konvergenzkriterien Absolut konvergente Reihen

Übungen zur Vorlesung Funktionentheorie Sommersemester Musterlösung zu Blatt 0

Die Gammafunktion. 1 Motivation und Definition der Gammafunktion

2 Konvergenz von Folgen

Aufgaben zur Analysis I

Stochastisches Integral

5-1 Elementare Zahlentheorie

4. Die Menge der Primzahlen. Bertrands Postulat

Herzlich Willkommen zur Vorlesung. Analysis I SoSe 2013

Empirische Verteilungsfunktion

Zusammenfassung: Folgen und Konvergenz

KAPITEL 7. Zahlenfolgen. 7.1 Konvergente Zahlenfolgen Grenzwertbestimmung Grenzwertbestimmung durch Abschätzung...

2. Verteilung der Primzahlen. Bertrands Postulat

Herzlich Willkommen zur Vorlesung. Analysis I SoSe 2014

8. Übungsblatt Aufgaben mit Lösungen

Nennenswertes zur Stetigkeit

Seminarausarbeitung: Gegenbeispiele in der Wahrscheinlichkeitstheorie. Unterschiedliche Konvergenzarten von Folgen von Zufallsvariablen

von solchen Abbildungen. Eine solche Folge bestimmt für jedes x M die Folge der Werte f n. Schreibt man dies noch einmal formal hin, so erhält man:

Kreisabbildungen. S 1 f S 1. Beispiele: (1) f = id, F = id,

Komplexe Zahlen. Lernziele dieses Abschnitts sind:

6. Übungsblatt Aufgaben mit Lösungen + Selbsttest-Auflösung

Übungen zur Analysis 1 für Informatiker und Statistiker. Lösung zu Blatt 8

Determinante und Resultante Azadeh Pasandi

Höhere Mathematik I für die Fachrichtungen Elektroingenieurwesen, Physik und Geodäsie Lösungsvorschläge zum 7. Übungsblatt

3 Folgen, Reihen, Grenzwerte 3.1 Zahlenfolgen. Beispiele: 1, 2, 3, 4, 5,. 1, 3, 5, 7, 9, 3, 6, 9, 12, 15, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 10, 100, 1.000, 10.

Musterlösung zu Übungsblatt 2

10 Aussagen mit Quantoren und

Langrange-Multiplikators und Hinreichende Bedingungen

Konvergenz von Fourier-Reihen

KAPITEL 2. Zahlenfolgen

7 Brownsche Bewegung (Version Januar 2012)

Thema 8 Konvergenz von Funktionen-Folgen und - Reihen

Die komplexwertige Gammafunktion

1.3 Funktionen. Seien M und N Mengen. f : M N x M : 1 y N : y = f(x) nennt man Funktion oder Abbildung. Beachte: Zuordnung ist eindeutig.

Taylor-Reihen 1-E1. Ma 2 Lubov Vassilevskaya

5.7. Aufgaben zu Folgen

Zahlenfolgen und Konvergenzkriterien

Analysis I. 5. Übungsstunde. Steven Battilana. battilana.uk/teaching

6 Grenzwerte von Zahlenfolgen

Ganzrationale Funktionen

Grundbegriffe der Differentialrechnung

2 Differentialrechnung und Anwendungen

Eulersche Summationsformel

Grundkurs Mathematik II

Aufgaben und Lösungen Weihnachtsgeschenke zur Vorlesung Analysis I

Kapitel 2 Differentialrechnung in einer Variablen. 2.1 Folgen und Grenzwerte

Kapitel 9. Aufgaben. Verständnisfragen

D-MATH, D-PHYS, D-CHAB Analysis I HS 2017 Prof. Manfred Einsiedler. Übungsblatt 8. b n := 1 n. a k. k=1

Kapitel 4: Stationäre Prozesse

4 Andreas Gathmann. x 2 +y 2 x 2 +y 2 x 2 +y 2

Tests statistischer Hypothesen

1.2. Taylor-Reihen und endliche Taylorpolynome

i=0 a it i das erzeugende Polynome von (a 0,..., a j ).

Aufgaben zu Kapitel 9

Zusammenfassung: Gleichungen und Ungleichungen

LGÖ Ks VMa 12 Schuljahr 2017/2018

Übungsaufgaben zur Vorlesung ANALYSIS I (WS 12/13) Serie 10

1. Man zeige, daß (IR n, d i ), i = 1, 2, metrische Räume sind, wenn für x = (x 1,..., x n ), y = (y 1,..., y n ) IR n die Abstandsfunktionen durch

1. Zahlenfolgen und Reihen

α : { n Z n l } n a n IR

Analysis I Lösungsvorschläge zum 3. Übungsblatt Abgabe: Bis Donnerstag, den , um 11:30 Uhr

$Id: komplex.tex,v /04/13 15:09:53 hk Exp $

8. Die Nullstellen der Zeta-Funktion

Einheitswurzeln und Polynome

n (n + 1) = 1(1 + 1)(1 + 2) 3 Induktionsschritt: Angenommen die Gleichung gilt für n N. Dann folgt: 1 2 = 2 =

Musterlösung zu Blatt 8 der Vorlesung Analysis I WS08/09

5. Übungsblatt Aufgaben mit Lösungen

Transkript:

O. Forster: Zetafuktio ud Riemasche Vermutug Ahag A: Die Gamma-Fuktio A.. Defiitio. Die Gamma-Fuktio ist für eie komplee Variable z mit Rez > durch das Euler-Itegral Γz := t z e t defiiert. Da mit := Rez gilt t z e t = t e t, folgt die Kovergez des Itegrals aus der etsprechede Tatsache im reelle Fall. Ma hat die Abschätzug Γz ΓRez für Rez >. Da das Itegral holomorph vo z abhägt, folgt, dass die Gamma-Fuktio i der Halbebee H = {z C : Rez > } holomorph ist. Wie im reelle Fall beweist ma mit partieller Itegratio die Fuktioalgleichug zγz = Γz +. Da Γ =, ergibt sich daraus Γ + =! für alle N. Durch + -malige Awedug der Fuktioalgleichug erhält ma Γz = Γz + + zz +... z +. I dieser Formel, die zuächst für Rez > hergeleitet wurde, stellt die rechte Seite eie i der Halbebee H = {z C : Rez > } meromorphe Fuktio dar, die Pole. Ordug a de Stelle z = k, k =,,..., hat. Daher ka ma diese Formel beutze, um die Gamma-Fuktio zu eier meromorphe Fuktio i der gaze komplee Ebee C fortzusetze. Diese fortgesetzte Fuktio hat Pole erster Ordug a de Stelle z =, N, ud ist sost überall holomorph. Ab jetzt sei als Gamma-Fuktio immer diese i gaz C meromorphe Fuktio verstade. Die Gamma-Fuktio ka folgedermaße aiomatisch charakterisiert werde: A.. Satz H. Wiela 939. Sei F eie meromorphe Fuktio i C mit folgede Eigeschafte: i F ist holomorph i der Halbebee H = {z C : Rez > }. ii F geügt der Fuktioalgleichug zfz = Fz +. iii F ist beschräkt im Streife {z C : Rez }. Ahag A zuletzt geädert am: 7--7 A.

Ahag A: Die Gamma-Fuktio Da ist F bis auf eie multiplaktive Kostate gleich der Gamma-Fuktio: Fz = c Γz, wobei c := F. Beweis. Es ist klar, dass Γ die Eigeschafte i bis iii besitzt. Die Eigeschaft iii folgt daraus, dass Γz ΓRez ud Γ auf dem Itervall als stetige Fuktio beschräkt ist. Wir setze c := F ud F z := Fz c Γz. Da geügt F ebeso de Bediguge i bis iii ud es gilt F =. Aus der Fuktioalgleichug F z = F z + /z folgt, dass F a der Stelle z = holomorph ist ud dass F im Streife S := {z C : Rez } beschräkt ist. Daher ist auch die Fuktio Φz := F zf z i S beschräkt. Es gilt Φz + = F z + F z = zf zf z = F zf z + = Φz. Daraus ergibt sich, dass Φ periodisch mit Periode ud i gaz C beschräkt ist. Nach dem Satz vo Liouville ist daher Φ kostat. Da Φ = Φ, muss die Kostate gleich sei. Aus der Gleichug = F zf z folgt u, dass auch F idetisch verschwidet, d.h. Fz = c Γz, q.e.d. A.3. Satz. a Für z C { Z : } gilt! z Γz = lim zz +... z + Dies ist die Gaußsche Darstellug der Gamma-Fuktio. b /Γ ist eie gaze holomorphe Fuktio mit der Weierstraßsche Produkt-Darstellug Γz = eγz z + z = e z/, γ = Euler-Mascheroische Kostate. Das Produkt kovergiert ormal i C. Beweis. Wir beweise a ud b simulta i mehrere Schritte. Sei Ez := ze z. Da gilt, wie ma aus der Potezreihe-Etwicklug sieht, Ez z + z + z +..., A.

O. Forster: Zetafuktio ud Riemasche Vermutug also Ez z für z. Daraus folgt + z e z/ = + f z mit f z z für z. Deshalb kovergiert das uedliche Produkt Gz := e γz z + z e z/ = ormal i gaz C gege eie holomorphe Fuktio mit Nullstelle a de Stelle z = Z,. Wir setze Damit gilt! z F z := zz +... z + G z := e γz z + z e z/k. k k= F zg z = z e γz k= ud { e z/k = ep z log + γ k= }. k Daraus folgt ach Defiitio der Euler-Mascheroische Kostate lim F zg z = ep =. Da ach für alle z U := C { Z : } gilt Gz = lim G z, eistiert für alle z U auch der Limes Fz := lim F z mit Fz = Gz. 3 Es bleibt och zu beweise, dass Fz = Γz. Dies zeige wir mittels Satz A.. Bedigug i ist erfüllt, da Gz i der Halbebee H holomorph ud ugleich ist. Zur Fuktioalgleichug ii: Wege gilt F z + =! z+ z +... z + z + + F z + F z = z F z +, also lim = z. z + + F z A.3

Ahag A: Die Gamma-Fuktio Dies zeigt Fz + = zfz. Zu iii. Für := Rez gilt F z! +... + = F, also ach Grezübergag Fz F. Da aber F = im Itervall G stetig, also beschräkt ist, ist auch Fz im Streife Rez beschräkt. Nach Satz A. gilt also Fz = cγz mit eier Kostate c. Diese Kostate ist gleich F = lim F = lim! +! = lim + =, q.e.d. A.4. Lemma. Sei f : C C eie gaze holomorphe Fuktio. Es gebe positive reelle Kostate K, α ud r, so dass Re fz K z α für alle z C mit z r. Da ist f ei Polyom vom Grad α. Beweis. Sei fz = = c z die Taylor-Etwicklug vo f. Da gilt für z = re it Re fre it = Rec + Daraus folgt für alle r > c r e it + c r e it. = Re f = Rec = π Re fre it, π sowie für alle gaze Zahle c = π Re fre it e it. πr Da π e it =, folgt weiter c = π Kr α Re fre it e it. πr Für r r ist ach Voraussetzug Kr α Re fre it, also Kr α Re fre it = Kr α Re fre it. A.4

O. Forster: Zetafuktio ud Riemasche Vermutug Daraus ergibt sich die Abschätzug c π Kr α Re fre it = πr r Krα Ref. Lässt ma r gege gehe, erhält ma c = für alle > α, also ist f ei Polyom vom Grad α. A.5. Satz. Für die Gamma-Fuktio gelte folgede Formel: a Ergäzugssatz vo Euler: ΓzΓ z = siπz. π b Verdoppelugsformel vo Legedre: z z + Γ Γ = z π Γz. Bemerkug. Als Spezialfall vo a ergibt sich mit z = die bekate Formel Γ = π. Beweis a Da Γz für Rez beschräkt ist, sid die Fuktioe Γ+z ud Γ z für Rez beschräkt. Daraus folgt, dass die Fuktio Φz := ΓzΓ z = Γ + zγ z z z i S := {z C : Rez, Imz } beschräkt ist. Die Fuktio Φ hat Pole. Ordug i de Pukte z =, Z ud ist sost überall holomorph. Es gilt Φz + = Φz ud Φ z = Φz. Da siπz Nullstelle der Ordug a de Stelle z =, Z, hat, ist das Produkt Fz := siπzφz = siπzγzγ z auf gaz C holomorph ud überall. Außerdem ist F periodisch mit Periode ud eie gerade Fuktio, d.h. Fz = F z. Schreibt ma F i der Form Fz = siπz z Γ + zγ z, A.5

Ahag A: Die Gamma-Fuktio sieht ma F = π. Aus der Beschräktheit vo Φ auf S erhält ma mit eier Kostate K > eie Abschätzug Fz Ke π z für alle z S. Da F stetig ud periodisch ist, gilt eie solche Abschätzug auf gaz C. Weil F irgeds verschwidet, gibt es eie gaze holomorphe Fuktio g mit Fz = e gz für alle z C. Aus der Abschätzug für Fz ergibt sich wege log Fz = Re gz, dass Re gz K z für alle z r. mit geeigete Kostate K, r >. Aus Lemma A.4 folgt u Fz = e a+bz, a, b C. Da F eie gerade Fuktio ist, muss b = sei. Also ist F eie Kostate, d.h. Fz = F = π für alle z C. Damit ist Teil a bewiese. b Dies zeigt ma durch Awedug vo Satz A. auf die Fuktio z Fz := z Γ Γ z +. Es ist klar, dass Fz i der Halbebee Rez > holomorph ud im Streife Rez beschräkt ist. Ma berechet z + z z + z z Fz + = z+ Γ Γ + = z+ Γ Γ = zfz. Also gilt ach Satz A. Fz = cγz mit c = F = Γ = π. Daraus folgt die Behauptug. A.6. Corollar Produkt-Darstellug des Sius. siπz = πz z. = Beweis. Aus Satz A.3b folgt Γ z = zγ z = e γz z e z/. = Multipliziert ma dies mit der Produkt-Darstellug vo /Γz, ergibt sich mit Satz A.5a die Behauptug. A.6

O. Forster: Zetafuktio ud Riemasche Vermutug A.7. Corollar. a Wallissche Produktformel: π = +. = b Für gilt die asymptotische Beziehug. π Bemerkug. I b ist =! der mittlere Biomial-Koeffiziet i der Formel! + = k= k =. Die Zahl lässt sich iterpretiere als die Wahrscheilichkeit, dass beim - malige Müzwurf als Ergebis geau -mal Zahl ud geau -mal Wappe erscheit. Beweis. a Aus dem Sius-Produkt Corollar A.6 erhält ma mit z = = π = π 4 = Daraus folgt die Behauptug. b Die Wallissche Formel besagt π = lim k= = k k k + +. = lim +! 3 3 5 5.... Durch Wurzelziehe erhält ma π = lim +! 3 5.... Da k =!, folgt weiter! k= π = lim +!! Daraus ergibt sich die Behauptug. = lim. A.7

Ahag A: Die Gamma-Fuktio A.8. Satz Stirligsche Formel. Für hat ma die asymptotische Beziehug! π e Beweis. Wir wede die Euler-Maclaurische Summeformel f = f + f + fd + k= auf die Fuktio f = log a ud erhalte log! = log k = log + log d + k= = log + log + + sawf d saw Durch Awedug der Epoetialfuktio wird daraus! = e α, e saw d. d wobei α = + saw d = + B + B d. Die letzte Darstellug zeigt, dass der Limes α := lim α = + saw eistiert. Wir habe also die asymptotische Beziehug! e α. e Es bleibt zu zeige, dass e α = π. Dies sieht ma wie folgt: Divisio der asymptotische Beziehuge d! e e α ud e! α e ergibt e α. Nu folgt mit Corollar A.7c, dass e α = π, q.e.d. A.8

O. Forster: Zetafuktio ud Riemasche Vermutug Für spätere Gebrauch merke wir och a, dass wir hiermit bewiese habe: + saw d = log π. Aus der klassische Stirligsche Formel lässt sich u ihre Verallgemeierug für die Gamma-Fuktio ableite. A.9. Satz Asymptotische Etwicklug der Gamma-Fuktio. Für jede gaze Zahl r ad alle z C { R : } gilt log Γz = z log z z + log π + B r t r z + t r. r k= B k k k z k Hier sid log Γz ud log z diejeige Zweige des Logarithmus, die für positive reelle Argumete reelle Werte habe. Beispiel. Für r = 5 lautet die Summe 5 k= B k k k z = k z 36z + 3 6z 5 68z + 7 88z 9. Beweis. Wir gehe aus vo der Gaußsche Darstellug der Gamma-Fuktio Satz A.3.a ud erhalte log Γz = lim z log + log k k= k= Nach der Euler-Maclaurische Summeformel gilt log k = log + log t + k= = log + log + + logz + k. sawt t sawt t ud logz + k = log z + logz + + logz + t + k= = sawt z + t log z + logz + + z + logz + z log z sawt + z + t. A.9

Ahag A: Die Gamma-Fuktio Daraus folgt Da ud erhalte wir z log + log k k= logz + k k= = z log z z + + log + z + sawt sawt + t z + t. lim z + + log + z = z lim + sawt = log π, siehe, t log Γz = z log z z + log π sawt z + t. Die Behauptug des Satzes ergibt sich u durch mehrmalige partielle Itegratio vo sawt = lim z + t sawt z + t wie beim Beweis der allgemeie Euler-Maclaurische Summatios-Formel uter Verwedug vo d k z + t = k! k z + t k+. Die Ausführug sei dem Leser überlasse. Bei der Utersuchug der Nullstelle der Zetafuktio im kritische Streife beötigt ma das Verhalte vo log Γz für Imz. Dazu ist der folgede Satz ützlich. A.. Satz. Das Restglied aus Satz A.9 geügt für r ud y := Imz > der Abschätzug B r t r z + t r B r π r y r. Beweis. O.B.d.A. sei Imz >, also z = + iy mit, y R, y >. Es geügt zu zeige, dass π z + t r y r. A.

O. Forster: Zetafuktio ud Riemasche Vermutug Dies sieht ma so: also z + t r = + t + iy r = + t + y r, z + t r = + t + y = r y r y r t + y r + t/y = r y r + t = π y r, q.e.d. + t r A.