diff --git a/content/Mathematischer_Hintergrund.tex b/content/Mathematischer_Hintergrund.tex index 43136b8..d91f07e 100644 --- a/content/Mathematischer_Hintergrund.tex +++ b/content/Mathematischer_Hintergrund.tex @@ -96,7 +96,59 @@ Die Gamma-Funktion berechnet wie folgt die Fakultät in $\mathbb{N}$: \lim_{n\rightarrow\infty}\frac{n!}{\sqrt{2\pi n}\left(\frac{n}{e}\right)^n}=1 \] \end{satz} - +\begin{proof} + Der Ausgangspunkt ist die nach \cref{def:gammafunktion} definierte \textbf{Gamma-Funktion} + \[ + \Gamma(x)=\int_{0}^{\infty}t^{x-1}e^{-t} dt + \] + Wir schreiben den Integranden als Exponentialfunktion, dann haben wir + \[ + t^{x-1}e^{-t} = \exp((x-1)\ln t-t) + \] + also ist + \[ + \Gamma(x)=\int_{0}^{\infty}\exp((x-1)\ln t-t) dt + \] + Setze $t=xu$ und $f(u)=\ln u - u$, dann erhalten wir + \begin{align} + \Gamma(x)&=x^x\cdot\int_{0}^{\infty}u^{x-1}e^{-xu} du\\ + &=x^x\cdot\int_{0}^{\infty}\exp(x(\ln u-u)) du\\ + &=x^x\cdot \int_{0}^{\infty} e^{xf(u)}du + \end{align} + + Für große \(x\) wird das Integral durch die Umgebung des kritischen Punktes von \(f\) dominiert. Diese erhält man aus + \[ + f'(u)=\frac{1}{u}-1=0 \quad \Rightarrow \quad u=1. + \] + + Weiter gilt + \[ + f''(u)=-\frac{1}{u^2}, \quad \text{also } f''(1)=-1. + \] + + Damit besitzt \(f\) bei \(u=1\) einen stationären Punkt, und wir entwickeln \(f\) dort bis zur zweiten Ordnung: + \[ + f(u)\approx f(1)+\frac{f''(1)}{2}(u-1)^2 + = -1 - \frac{(u-1)^2}{2}. + \] + + Einsetzen liefert die lokale Approximation + \[ + \Gamma(x)\approx x^x e^{-x}\cdot\int_0^\infty \exp\!\left(-\frac{x}{2}(u-1)^2\right)\,du. + \] + + Da der Hauptbeitrag aus einer Umgebung von $u=1$ stammt, kann das Integral asymptotisch auf $\mathbb{R}$ erweitert werden. + \[ + \int_{-\infty}^{\infty} \exp\!\left(-\frac{x}{2}(u-1)^2\right)\,du + = \sqrt{\frac{2\pi}{x}}. + \] + + Damit erhält man + \[ + \Gamma(x)\sim \sqrt{2\pi}\, x^{x-\frac12} e^{-x}. + \] + +\end{proof}