ベータ関数の定義
実数 \(p, q\gt0\) に対し、次のベータ関数が定義される。
ベータ関数の性質
\(B(p,q)=\displaystyle\int_0^{1}x^{p-1}(1-x)^{q-1}dx\)\(\ :❶\)
1)ベータ関数の対称性
任意の変数の\(p と q\) 入れ換えても不変 \(B(p,q)=B(q,p)\) \(\ :❷\) 2)ベータ関数は三角関数の積分で表せる \(B(p,q)=2 \displaystyle \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} sin^{2p-1}θ\ cos^{2q-1}θ dθ\) \(\ :❸\) 3)ガンマ関数との関係 \(B(p,q)=\dsfr{Γ(p)Γ(q)}{Γ(p+q)}\) \(\ :❹\) 4)式❶と「+1」異なるベータ関数1 \(B(p,q+1)=\dsfr{q}{p} B(p+1,q)\)\(\ :❺\) \(B(p+1,q)=\dsfr{p}{q} B(p,q+1)\)\(\ :❺'\) 5)式❶と「+1」異なるベータ関数2 \(B(p,q+1)=\dsfr{q}{p+q} B(p,q)\)\(\ :❻\) \(B(p+1,q)=\dsfr{p}{p+q} B(p,q)\)\(\ :❻'\) 6)式❶を1回積分すると \(B(p,q)=\dsfr{q-1}{p} B(p+1,q-1)\)\(\ :❼\) 7)式❶を\((n-1)\)回積分すると(m,nは正の整数) \(B(m,n)=\dsfr{(m-1)!(n-1)!}{(m+n-1)!}\)\(\ :❽\) 8)\(\frac{1}{6}\)公式 (面積S fig1参照) \(S=|-a|\displaystyle \int_α^β (x-α)(x-β)dx\)\(=\frac{1}{6}|a|(β-α)^3\) \(:❾\) 9)第一種オイラー積分公式 \(\displaystyle\int_α^{β} (x-α)^m\ul{(x-β)}^n dx\)\(=\dsfr{\color{red}{(-1)^n} m! n!}{m+n+1}(β-α)^{m+n+1}\)\(:❿\) \(\displaystyle\int_α^{β} (x-α)^m \ul{(β-x)}^n dx\)\(=\dsfr{m! n!}{m+n+1}(β-α)^{m+n+1}\)\(:❿'\) |
変数、積分範囲などは異なるが、ガンマ関数の積分式形に似ています。
\(Γ(t)= \int_0^{\infty} x^{t-1}e^{-x}dx\)
\(x\)の項が分母に、かつ積分領域 0 の近くで \(x^{p-1}\)が\(\infty\)に近づくため広義積分になります。
\(\frac{1}{x^α}\cdots\)の形の広義積分です。
\( 0\le x \le \frac{1}{2}\)において
\(x^{p-1}(1-x)^{q-1}\le \ul{kx^{p-1}} \quad :㋐\)
\((=g(x))\)
・\((1-x)^{q-1}\)はあるKで抑えることができるので:
\(\quad (1-x)^{q-1}\le K\)とおける。
\(\int_0^{\frac{1}{2}}g(x)dx\)\(=\int_0^{\frac{1}{2}} \ul{ Kx^{p-1} }dx\)\(=K\displaystyle \lim_{a \to 0} [\frac{1}{p}x^p]_a^{\frac{1}{2}}\)
\(=\frac{K}{p}[x^p]_0^{\frac{1}{2}}\)\(=\frac{K}{p}(\frac{1}{2})^p\)\( :㋑ \) …有限であり収束する。
\((1-x)\)の項が分母に、かつ積分領域 1 の近くで \((1-x)^{q-1}\) が\(\infty\)に近づくため広義積分を使います。
\(\frac{1}{x^α}\cdots\)の形の広義積分です。
\( \frac{1}{2}\le x \le 1 \)において
\(x^{p-1}(1-x)^{q-1}\le \ul{J(1-x)^{q-1}}\) \(:㋒\)
\((=g(x))\)
・\(x^{p-1}\)はあるJで抑えることができるので:
\(x^{p-1}\le J\)とおける
\(\int_{\frac{1}{2}}^1 g(x)dx\)\(=\int_{\frac{1}{2}}^1 \ul{J (1-x)^{q-1}}dx\)
\(=J \displaystyle \lim_{b \to 1}\) \(\int_{\frac{1}{2}}^b (1-x)^{q-1}dx\)
\(=\frac{J}{q}(\frac{1}{2})^q\)\(:㋓ \)
…有限であり収束する。
\(u=1-x\) \(,\ \)\(\frac{du}{dx}=-1\) \( ,\ \)\(dx=-du\)
\(x=1-u\) \(,\ \)\([x=0 \to 1]\) ⇔ \([u=1 \to 0 ]\)
\(B(p,q)=\int_0^{1} x^\color{red}{{p-1}}(1-x)^\color{blue}{{q-1}}dx\)
\(=\int_1^{0} (1-u)^{p-1}(1-(1-u))^{q-1}(-1)du\)
積分領域順序を換えると:
\(=\int_0^{1} (1-u)^{p-1}u^{q-1}du\)
ベータ関数の p とq の位置に注目
\(\therefore B(p,q)\)\(=\int_0^{1} u^\color{blue}{{q-1}} (1-u)^\color{red}{{p-1}}du\)\(=B(q,p)\)
\(x=sin^2θ\)\(,\ \) \(\frac{dx}{dθ}=2sinθcosθ\) \(,\ \) \(dx=2sinθcosθdθ\)
\([x=0 \to 1]\)⇔\([θ=0 \to \frac{\pi}{2}]\)
\(B(p,q)=\int_0^{1} x^{p-1}(1-x)^{q-1}dx\)
\(=\int_0^{\frac{\pi}{2}} (sin^2 θ)^{p-1}\color{red}{(1-sin^2 θ)}^{q-1} 2sinθcosθ dθ\)
\(=2\int_0^{\frac{\pi}{2}} [(sin^2 θ)^{p-1}sinθ] \ [(cos^2 θ)^{q-1} cosθ] dθ\)
\((1-sin^2 θ)=cos^2θ\)
\(\therefore B(p,q)=2\int_0^{\frac{\pi}{2}} (sinθ)^{2p-1} (cosθ)^{2q-1} dθ\)
\(Γ(p)=\int_0^{\infty}e^{-x}x^{p-1}dx\)
これまでガンマ関数の変数は\(t\)でしたが、ここではp,q です。
\(x=u^2\) \(,\ \) \(\frac{dx}{du}=2u\) \( ,\ \) \(dx=2udu\)
\([x=0 \to \infty]\) ⇔ \([u=0 \to \infty ]\)
\(=\int_0^{\infty}e^{-u^2}(u^2)^{p-1}2udu\)\(=\ul{2\int_0^{\infty}e^{-u^2} u^{2p-1}du}\)
\(Γ(q)=\int_0^{\infty}e^{-x}x^{q-1}dx\)
\(x=v^2\) \(,\ \) \(\frac{dx}{dv}=2v\) \( ,\ \) \(dx=2vdv\)
\([x=0 \to \infty]\) ⇔ \([v=0 \to \infty ]\)
\(=\int_0^{\infty}e^{-v^2}(v^2)^{q-1}2vdv\)\(=\ul{2\int_0^{\infty}e^{-v^2} v^{2q-1}dv}\)
\(e\)の指数に注目すると、極座標変換が使えて、積分が簡単になる。
\(uv座標\to rθ 極座標\) \(,\)\( \ u^2+v^2=r^2\)
\(u=rcosθ\)\(,\) \(v=rsinθ\) \(,\) \(dudv=Jdrdθ=rdrdθ\):(ヤコビアンJ=r)
\([u,v:0\to\infty]\) ⇔\([r:0\to\infty \quad θ:0\to\frac{\pi}{2}]\)
上記と以下の式を比較する。
\(Γ(p)=2\int_0^{\infty}e^{-u^2} u^{2p-1}du\) \(,\) \(B(p,q)=2 \int_0^{\frac{\pi}{2}} (sinθ)^{2p-1} (cosθ)^{2q-1} dθ\)
\(=\int_0^{1} (\frac{1}{p}x^p)'(1-x)^{q}dx\)
\(=[\frac{1}{p}x^p (1-x)^{q}]_0^1\)\(-\int_0^{1} \frac{1}{p}x^p (-1)q(1-x)^{q-1}dx\)
\(=0+\frac{q}{p}\int_0^{1} x^p (1-x)^{q-1}dx\)
\(=\frac{q}{p}\int_0^{1} x^p (1-x)^{q-1}dx\)
定義式と比較して:
\(=\dsfr{q}{p} B(p+1,q)\)
従い
\(B(p,q+1)\)\(=\dsfr{q}{p} B(p+1,q)\)\(:❺\)
左辺を右辺替えると
\(B(p+1,q)\)\(=\dsfr{p}{q} B(p,q+1)\)\(:❺'\)
\(=\frac{p}{q} \int \{ x^{p-1}(1-x)^{q-1}-x^{p}(1-x)^{q-1}\} dx\)
\(=\frac{p}{q} \int x^{p-1}(1-x)^{q-1}dx -\int x^{p}(1-x)^{q-1}dx\)
\(=\frac{p}{q}\{\int_0^1 x^{p-1}(1-x)^{q-1}dx -\int_0^1 x^{p}(1-x)^{q-1}dx\}\)
\(=\frac{p}{q}B(p,q)-\frac{p}{q}B(p+1,q)\)
\(B(p+1,q)=\frac{p}{q}B(p,q)-\frac{p}{q}B(p+1,q)\)
\(B(p,q)=\int_0^{1} \ul{x^{p-1}(1-x)^{q-1}}dx\)--定義式
\(=\int_0^{1} (\frac{1}{p}x^p)' (1-x)^{q-1}dx\)
\(= [(\frac{1}{p}x^p)(1-x)^{q-1}]_0^1\)\(- \int_0^{1} \frac{1}{p}x^{p} ((1-x)^{q-1})' dx\)
\(=0+\frac{q-1}{p} \int_0^{1} \ul{x^{p} (1-x)^{q-2}} dx\)
\(\therefore B(p,q)=\frac{q-1}{p}\ul{B(p+1,q-1)}\)
\(=\frac{ Γ(\frac{1}{2})Γ(\frac{1}{2}) } { Γ( \frac{1}{2}+\frac{1}{2} ) }\)
\(=\frac{ (Γ(\frac{1}{2}))^2 } { Γ(1) }\) \(=\frac{ (\sqrt{\pi})^2 } { 0! }\)\(=\frac{\pi}{1}=\pi\)
メモ:\(\frac{9}{2}\to\frac{7}{2}+1\)\(\to\frac{5}{2}+1\to\frac{3}{2}+1\)
\( Γ(\frac{9}{2})=\frac{7}{2}\frac{5}{2}\frac{3}{2}Γ(\frac{3}{2})\)
\(=\frac{105}{8}Γ(\frac{3}{2})\)
\(B(p,q)=2 \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} sin^{2p-1}θ\ cos^{2q-1}θ dθ\)より
\(2p-1=3 \to p=2\) \(, \ 2q-1=1 \to q=1\)
\(B(p,q)=\displaystyle\int_0^{1}x^{p-1}(1-x)^{q-1}dx\)
\(p-1=2\ \to p=3, q-1=1\ \to q=2 \)
\(B(p,q)=\int_0^{1} x^{p-1}(1-x)^{q-1}dx\)
\(=[\frac{1}{p}x^p(1-x)^{q-1}]_0^1-\int_0^{1} \frac{1}{p}x^p ((1-x)^{q-1})'dx\)
\(=0+\frac{q-1}{p} \int_0^{1} (-1) x^p (1-x)^{q-2} dx\)
\(=\frac{q-1}{p}B(p+1,q-1)\)\(=k_1 I_1(p+1,q-1)\)
\(I_1(p+1,q-1)=\frac{q-2}{p+1}I_2(p+2,q-2)\)
\(I_2(p+2,q-2)=\frac{q-3}{p+2}I_3(p+3,q-3)\)
\(I_{q-3}(p+q-2,2)\)
\(=\int_0^{1} x^{p+q-1}(1-x)^2 dx\)
\(=0- \int_0^{1} x^{p+q-2}(1-x)^1(-1) dx\)
\(=(\frac{1}{p+q-2})I_{q-2}(p+q-1,1)\)
\(I_{q-2}(p+q-1,1)\)
\(=\int_0^{1} x^{p+q-1}(1-x)^1 dx\)
\(=0- \int_0^{1} x^{p+q-1}(1-x)^0(-1) dx\)
\(=\frac{1}{p+q-1}[x^{p+q}]_0^1\)
\(=\frac{1}{p+q-1}\)
上図の右側で\(h\) が放物線 \(h=bx^2+dx+f\)のときは:
\(S=\int_α^β f(x)dx\) \(=\ul{|(b-a)|\int_α^β (x-α)(x-β)dx} ©' \)
\(S=\int_α^β f(x)dx\)
\(=\int_α^β -a(x-α)(x-β)dx\)
\(=-a\int_α^β (x-α)\{(x-α)+(α-β)\}dx\)
\(=-a\int_α^β \{(x-α)^2+(α-β)(x-α)\}dx\)
\(=-a [\frac{1}{3}(x-α)^3]_α^β -(β-α)\frac{1}{2}[(x-α)^2]_α^β\)
\(= a\{-\frac{1}{3}(β-α)^3+\frac{1}{2}(β-α)^3\} \)
\(\therefore S=\frac{1}{6}|a|(β-α)^3\) \(:❾\)
上図の右側で\(h\) が放物線\(h=bx^2+dx+f\)のときは:
\(\therefore S=\frac{1}{6}|(b-a)|(β-α)^3\) \(:❾\)
fig1(左):放物線と直線:(2次と1次)
\(\therefore S=\frac{1}{6}|a|(β-α)^3\) \(:❾\)
fig1(右):放物線と放物線:(2次と1次)
\(\therefore S=\frac{1}{6}|b-a|(β-α)^3\) \(:❾'\)
次式は第一種オイラー積分といわれています。(本によっては「先のベータ関数の定義式❶」を示していることもあります)
式❶を一般化した形式になっています。(∵下記の1)の如く、本式から式❶が導かれる)
式❿の \(α=0\ , \ β=1\) \(, \ m=p-1 \ , \ n=q-1\) と置くだけで導出できる:
式❿の左辺\(=\int_0^{1} x^{p-1}(1-x)^{q-1} dx\)
式❿の右辺\(=\dsfr{(p-1)!(q-1)n!}{(p+q-1)!}=B(p,q)\)
\(\int_α^β (x-α)(x-β)dx\)\(=\int_α^β(x-α)(x-α+\ul{α-β})dx\)\(=\int_α^β \{(x-α)^2\ul{-(β-α)}(x-α)\}dx\)
\(=\frac{1}{3}[(x-α)^2]_α^β-(β-α)[(x-α)]_α^β\)
\(=\cdots =-\dsfr{1}{6}(β-α)^3\)
\(\int_α^β (x-α)^2(x-β)dx\)\(=\int_α^β(x-α)^2(x-α+\ul{α-β})dx\) \(=\int_α^β \{(x-α)^3\ul{-(β-α)}(x-α)^2\}dx\)
\(=\frac{1}{4}[(x-α)^4]_α^β\)\(-\frac{1}{3}(β-α)[(x-α)^3]_α^β\)
\(=\cdots =-\dsfr{1}{12}(β-α)^4\)
\(X=(x-β),Y=(α-β)\)
\((X-Y)^2 X^2\)\(=X^4-2X^3Y+X^2Y^2\)
注:
ここではベータ関数の応用として1/6、1/12、1/30公式の代表例を紹介しました、関数の次元、交わり方により何通りかあるので注意して下さい。