Gamma函数的Stirling公式

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Stirling公式最早是对正整数的阶乘的一个渐进公式,由亚伯拉罕·棣莫弗发现,形式为:
而Stirling计算出了其中的常数 ,因此我们现在才称它为Stirling公式,它也可以利用Gamma函数推广到复数,这也正是本文的内容
经典的Stirling公式
从阶乘对数来考虑
用Euler-Maclaurin求和公式可将右式写为
其中 ,
为第k个伯努利多项式,令
,用一次分部积分,可得
故当 时式中的积分收敛,由此不妨设
则
代回到式中,得
再根据 ,得
令 就是Stirling公式的雏形了,下面就来计算其中常数的值了

根据正弦函数的无穷乘积展开,
取 ,可得大名鼎鼎的Wallis乘积:
用双阶乘符号:
可将乘积公式写为
又不难注意到
由此可得
将之前得到的渐进公式代入,可得
即 ,于是便得到:
(经典Stirling公式)对足够大的正整数 N
或者

复Stirling公式
从Gamma函数的Weierstrass公式来考虑
对它取对数
再次用Euler-Maclaurin公式,有
其中积分项当 时收敛。由经典的估计
将他们相减并再减去经典的Stirling公式,有
令 ,可得
代回Weierstrass公式的对数中,得
即
(复Stirling公式)对
也可以将它取导数,即
且由 可得

带型区域上的估阶
接下来考虑Gamma函数在复平面上的带型区域中的状态,之所以要这样考虑,是因为在讨论Riemann zeta函数的函数方程时, 的实部并不会太大,反而虚部有可能会很大. 那么就假定有
,对
的情况,我们来对
的复Stirling公式一项一项看,
因此当 时,有
并且
因此
从而
其中
然后因 ,所以积分
由此将它们代入Stirling公式中,得
最后取个幂,得
好了,差不多了,溜了溜了