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斯特林级数


伽玛函数的渐近级数由下式给出

 Gamma(z)∼e^(-z)z^(z-1/2)sqrt(2pi)(1+1/(12z)+1/(288z^2)-(139)/(51840z^3)-(571)/(2488320z^4)+...)
(1)

(OEIS A001163A001164)。

系数 a_nz^(-n) 可以由下式显式给出

 a_n=sum_(k=1)^(2n)(-1)^k(d_3(2n+2k,k))/(2^(n+k)(n+k)!),
(2)

其中 d_3(n,k)n 的排列数,具有 k排列环,所有排列环的长度都 >=3 (Comtet 1974, p. 267)。 a_ns 的另一个公式由以下递推关系给出

 b_n=1/(n+1)(b_(n-1)-sum_(k=2)^(n-1)kb_kb_(n+1-k)),
(3)

其中 b_0=b_1=1,则

 a_n=(2n+1)!!b_(2n+1),
(4)

其中 x!!双阶乘 (Borwein 和 Corless 1999)。

通过添加一个额外的因子 z,可以得到 z! 的级数

z!=Gamma(z+1)
(5)
∼e^(-z)z^(z+1/2)sqrt(2pi)(1+1/(12z)+1/(288z^2)-(139)/(51840z^3)-(571)/(2488320z^4)+...).
(6)

lnGamma(z) 的展开式通常被称为斯特林级数。它由以下简单的解析表达式给出

lnGamma(z)=1/2ln(2pi)+(z-1/2)lnz-z+sum_(n=1)^(infty)(B_(2n))/(2n(2n-1)z^(2n-1))
(7)
=1/2ln(2pi)+(z-1/2)lnz-z+1/(12z)-1/(360z^3)+1/(1260z^5)-...
(8)

(OEIS A046968A046969),其中 B_n伯努利数。有趣的是,虽然这个展开式中的分子与前几百项的 B_(2n)/(2n) 分子相同,但在 n=574、1185、1240、1269、1376、1906、1910 等处有所不同 (OEIS A090495),相应的比率分别为 37、103、37、59、131、37、67 等 (OEIS A090496)。


另请参阅

伯努利数, 伽玛函数, K-函数, 对数伽玛函数, 排列环, 斯特林近似

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参考文献

Abramowitz, M. 和 Stegun, I. A. (Eds.). 数学函数手册,包含公式、图表和数学表格,第 9 版。 New York: Dover, p. 257, 1972.Arfken, G. "斯特林级数。" §10.3 in 物理学家的数学方法,第 3 版。 Orlando, FL: Academic Press, pp. 555-559, 1985.Borwein, J. M. 和 Corless, R. M. "实验数学的新兴工具。" Amer. Math. Monthly 106, 899-909, 1999.Comtet, L. 高级组合数学:有限和无限展开的艺术,修订增补版。 Dordrecht, Netherlands: Reidel, p. 267, 1974.Conway, J. H. 和 Guy, R. K. "斯特林公式。" In 数字之书。 New York: Springer-Verlag, pp. 260-261, 1996.Havil, J. Gamma:探索欧拉常数。 Princeton, NJ: Princeton University Press, pp. 86-88, 2003.Marsaglia, G. 和 Marsaglia, J. C. "n! 斯特林近似的新推导。" Amer. Math. Monthly 97, 826-829, 1990.Morse, P. M. 和 Feshbach, H. 理论物理方法,第一部分。 New York: McGraw-Hill, p. 443, 1953.Sloane, N. J. A. 序列 A001163/M5400, A001164/M4878, A046968, A046969, A090495, 和 A090496 in "整数序列在线百科全书"。Uhler, H. S. "logGamma(z) 斯特林级数的系数。" Proc. Nat. Acad. Sci. U.S.A. 28, 59-62, 1942.Wrench, J. W. Jr. "关于伽玛函数的两个级数。" Math. Comput. 22, 617-626, 1968.

在 Wolfram|Alpha 中被引用

斯特林级数

请引用为

Weisstein, Eric W. "斯特林级数。" 来自 MathWorld--Wolfram 网络资源。 https://mathworld.net.cn/StirlingsSeries.html

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