1

المرجع الالكتروني للمعلوماتية

تاريخ الرياضيات

الاعداد و نظريتها

تاريخ التحليل

تار يخ الجبر

الهندسة و التبلوجي

الرياضيات في الحضارات المختلفة

العربية

اليونانية

البابلية

الصينية

المايا

المصرية

الهندية

الرياضيات المتقطعة

المنطق

اسس الرياضيات

فلسفة الرياضيات

مواضيع عامة في المنطق

الجبر

الجبر الخطي

الجبر المجرد

الجبر البولياني

مواضيع عامة في الجبر

الضبابية

نظرية المجموعات

نظرية الزمر

نظرية الحلقات والحقول

نظرية الاعداد

نظرية الفئات

حساب المتجهات

المتتاليات-المتسلسلات

المصفوفات و نظريتها

المثلثات

الهندسة

الهندسة المستوية

الهندسة غير المستوية

مواضيع عامة في الهندسة

التفاضل و التكامل

المعادلات التفاضلية و التكاملية

معادلات تفاضلية

معادلات تكاملية

مواضيع عامة في المعادلات

التحليل

التحليل العددي

التحليل العقدي

التحليل الدالي

مواضيع عامة في التحليل

التحليل الحقيقي

التبلوجيا

نظرية الالعاب

الاحتمالات و الاحصاء

نظرية التحكم

بحوث العمليات

نظرية الكم

الشفرات

الرياضيات التطبيقية

نظريات ومبرهنات

علماء الرياضيات

500AD

500-1499

1000to1499

1500to1599

1600to1649

1650to1699

1700to1749

1750to1779

1780to1799

1800to1819

1820to1829

1830to1839

1840to1849

1850to1859

1860to1864

1865to1869

1870to1874

1875to1879

1880to1884

1885to1889

1890to1894

1895to1899

1900to1904

1905to1909

1910to1914

1915to1919

1920to1924

1925to1929

1930to1939

1940to the present

علماء الرياضيات

الرياضيات في العلوم الاخرى

بحوث و اطاريح جامعية

هل تعلم

طرائق التدريس

الرياضيات العامة

نظرية البيان

الرياضيات : التفاضل و التكامل :

Beta Function

المؤلف:  Abramowitz, M. and Stegun, I. A

المصدر:  "Beta Function" and "Incomplete Beta Function." §6.2 and 6.6 in Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables, 9th printing. New York: Dover

الجزء والصفحة:  ...

16-8-2018

3463

Beta Function

BetaFunction

The beta function B(p,q) is the name used by Legendre and Whittaker and Watson (1990) for the beta integral (also called the Eulerian integral of the first kind). It is defined by

 B(p,q)=(Gamma(p)Gamma(q))/(Gamma(p+q))=((p-1)!(q-1)!)/((p+q-1)!).

(1)

The beta function B(a,b) is implemented in the Wolfram Language as Beta[ab].

To derive the integral representation of the beta function, write the product of two factorials as

 m!n!=int_0^inftye^(-u)u^mduint_0^inftye^(-v)v^ndv.

(2)

Now, let u=x^2v=y^2, so

m!n! = 4int_0^inftye^(-x^2)x^(2m+1)dxint_0^inftye^(-y^2)y^(2n+1)dy

(3)

= int_(-infty)^inftyint_(-infty)^inftye^(-(x^2+y^2))|x|^(2m+1)|y|^(2n+1)dxdy.

(4)

Transforming to polar coordinates with x=rcosthetay=rsintheta

m!n! = int_0^(2pi)int_0^inftye^(-r^2)|rcostheta|^(2m+1)|rsintheta|^(2n+1)rdrdtheta

(5)

= int_0^inftye^(-r^2)r^(2m+2n+3)drint_0^(2pi)|cos^(2m+1)thetasin^(2n+1)theta|dtheta

(6)

= 4int_0^inftye^(-r^2)r^(2m+2n+3)drint_0^(pi/2)cos^(2m+1)thetasin^(2n+1)thetadtheta

(7)

= 2(m+n+1)!int_0^(pi/2)cos^(2m+1)thetasin^(2n+1)thetadtheta.

(8)

The beta function is then defined by

B(m+1,n+1) = 2int_0^(pi/2)cos^(2m+1)thetasin^(2n+1)thetadtheta

(9)

= (m!n!)/((m+n+1)!).

(10)

Rewriting the arguments then gives the usual form for the beta function,

B(p,q) = (Gamma(p)Gamma(q))/(Gamma(p+q))

(11)

= ((p-1)!(q-1)!)/((p+q-1)!).

(12)

By symmetry,

 B(p,q)=B(q,p).

(13)

The general trigonometric form is

 int_0^(pi/2)sin^nxcos^mxdx=1/2B(1/2(n+1),1/2(m+1)).

(14)

Equation (14) can be transformed to an integral over polynomials by letting u=cos^2theta,

B(m+1,n+1) = (m!n!)/((m+n+1)!)

(15)

= int_0^1u^m(1-u)^ndu

(16)

B(m,n) = (Gamma(m)Gamma(n))/(Gamma(m+n))

(17)

= int_0^1u^(m-1)(1-u)^(n-1)du.

(18)

For any z_1,z_2 with R[z_1],R[z_2]>0,

 B(z_1,z_2)=B(z_2,z_1)

(19)

(Krantz 1999, p. 158).

To put it in a form which can be used to derive the Legendre duplication formula, let x=sqrt(u), so u=x^2 and du=2xdx, and

B(m,n) = int_0^1x^(2(m-1))(1-x^2)^(n-1)(2xdx)

(20)

= 2int_0^1x^(2m-1)(1-x^2)^(n-1)dx.

(21)

To put it in a form which can be used to develop integral representations of the Bessel functions and hypergeometric function, let u=x^2/(1-x^2), so

 B(m+1,n+1)=int_0^infty(u^mdu)/((1+u)^(m+n+2)).

(22)

Derivatives of the beta function are given by

d/(da)B(a,b) = B(a,b)[psi_0(a)-psi_0(a+b)]

(23)

d/(db)B(a,b) = B(a,b)[psi_0(b)-psi_0(a+b)]

(24)

(d^2)/(db^2)B(a,b) = B(a,b)<span style={[psi_0(b)-psi_0(a+b)]^2+psi_1(b)-psi_1(a+b)}," src="http://mathworld.wolfram.com/images/equations/BetaFunction/Inline70.gif" style="height:21px; width:296px" />

(25)

(d^2)/(dadb)B(a,b) = B(a,b)<span style={[psi_0(a)-psi_0(a+b)]×[psi_0(b)-psi_0(a+b)]-psi_1(a+b)}," src="http://mathworld.wolfram.com/images/equations/BetaFunction/Inline73.gif" style="height:14px; width:368px" />

(26)

where psi_n(x) is the polygamma function.

Various identities can be derived using the Gauss multiplication formula

B(np,nq) = (Gamma(np)Gamma(nq))/(Gamma(n(p+q)))

(27)

= n^(-nq)(B(p,q)B(p+1/n,q)...B(p+(n-1)/n,q))/(B(q,q)B(2q,q)...B((n-1)q,q)).

(28)

Additional identities include

B(p,q+1) = (Gamma(p)Gamma(q+1))/(Gamma(p+q+1))

(29)

= q/p(Gamma(p+1)Gamma(q))/(Gamma((p+1)+q))

(30)

= q/pB(p+1,q)

(31)

 B(p,q)=B(p+1,q)+B(p,q+1)

(32)

 B(p,q+1)=q/(p+q)B(p,q).

(33)

If n is a positive integer, then

 B(p,n+1)=(1·2...n)/(p(p+1)...(p+n))

(34)

 B(p,p)B(p+1/2,p+1/2)=pi/(2^(4p-1)p)

(35)

 B(p+q)B(p+q,r)=B(q,r)B(q+r,p).

(36)

The beta function is also given by the product

 B(x,y)=(x+y)/(xy)product_(k=1)^infty(1+(x+y)/k)/((1+x/k)(1+y/k))

(37)

(Andrews et al. 1999, p. 8).

Gosper gave the general formulas

 product_(i=0)^(2n)B(i/(2n+1)+a,i/(2n+1)+b) 
=((2n+1)^((2n+1)/2)pi^nB(n,1/2[(b+a)(2n+1)+1])B(a(2n+1),b(2n+1)))/((n-1)!)

(38)

for odd n, and

 product_(i=0)^(2n-1)B(i/(2n)+a,i/(2n)+b) 
=(n^npi^nB(n,2(a+b)n)B(2an,2bn))/(2^(2(a+b)n-n-1)(n-1)!B((a+b)n,(a+b+1)n)),

(39)

which are an immediate consequence of the analogous identities for gamma functions. Plugging n=1 and n=2 into the above give the special cases

 B(a,b)B(a+1/3,b+1/3)B(a+2/3,b+2/3)=(6pisqrt(3)B(3a,3b))/(1+3(a+b))

(40)

 B(a,b)B(a+1/4,b+1/4)B(a+1/2,b+1/2)B(a+3/4,b+3/4) 
=(2^(3-4(a+b))pi^2B(4a,4b))/((a+b)[1+4(a+b)]B(2(a+b),2(a+b+1))).

(41)


REFERENCES:

Abramowitz, M. and Stegun, I. A. (Eds.). "Beta Function" and "Incomplete Beta Function." §6.2 and 6.6 in Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables, 9th printing. New York: Dover, pp. 258 and 263, 1972.

Andrews, G. E.; Askey, R.; and Roy, R. Special Functions. Cambridge, England: Cambridge University Press, 1999.

Bailey, D. H.; Borwein, P. B.; and Plouffe, S. "On the Rapid Computation of Various Polylogarithmic Constants." Math. Comput. 66, 903-913, 1997.

Arfken, G. "The Beta Function." §10.4 in Mathematical Methods for Physicists, 3rd ed. Orlando, FL: Academic Press, pp. 560-565, 1985.

Erdélyi, A.; Magnus, W.; Oberhettinger, F.; and Tricomi, F. G. "The Beta Function." §1.5 in Higher Transcendental Functions, Vol. 1. New York: Krieger, pp. 9-13, 1981.

Jeffreys, H. and Jeffreys, B. S. "The Beta Function." §15.02 in Methods of Mathematical Physics, 3rd ed. Cambridge, England: Cambridge University Press, pp. 463-464, 1988.

Koepf, W. Hypergeometric Summation: An Algorithmic Approach to Summation and Special Function Identities. Braunschweig, Germany: Vieweg, pp. 6-9, 1998.

Krantz, S. G. "The Beta Function." §13.1.11 in Handbook of Complex Variables. Boston, MA: Birkhäuser, pp. 157-158, 1999.

Morse, P. M. and Feshbach, H. Methods of Theoretical Physics, Part I. New York: McGraw-Hill, p. 425, 1953.

Press, W. H.; Flannery, B. P.; Teukolsky, S. A.; and Vetterling, W. T. "Gamma Function, Beta Function, Factorials, Binomial Coefficients" and "Incomplete Beta Function, Student's Distribution, F-Distribution, Cumulative Binomial Distribution." §6.1 and 6.2 in Numerical Recipes in FORTRAN: The Art of Scientific Computing, 2nd ed. Cambridge, England: Cambridge University Press, pp. 206-209 and 219-223, 1992.

Spanier, J. and Oldham, K. B. "The Incomplete Beta Function B(nu;mu;x)." Ch. 58 in An Atlas of Functions. Washington, DC: Hemisphere, pp. 573-580, 1987.

Whittaker, E. T. and Watson, G. N. A Course of Modern Analysis, 4th ed. Cambridge, England: Cambridge University Press, 1990.

EN

تصفح الموقع بالشكل العمودي