不完全ガンマ関数

数学において、不完全ガンマ関数（ふかんぜんガンマかんすう、英: incomplete gamma function）あるいは、ルジャンドルの不完全ガンマ関数は、ガンマ関数の一般化の一つ。（完全）ガンマ関数の積分表示から、積分区間の端点の一方（すなわち積分域の始点か終点）を変数に置き換えたものとして定義される。 不完全ガンマ関数には2種類あり、ガンマ関数の積分区間[0,∞]を2つに分けて以下のように定義される。 0以上の実数 x と、 実部が正の複素数 a に対し 第1種不完全ガンマ関数 γ ( a , x ) {\displaystyle \gamma (a,x)} γ ( a , x ) = ∫ 0 x t a − 1 e − t d t {\displaystyle \gamma (a,x)=\int _{0}^{x}t^{a-1}\,e^{-t}\,dt\,\!} 第2種不完全ガンマ関数 Γ ( a , x ) {\displaystyle \Gamma (a,x)} Γ ( a , x ) = ∫ x ∞ t a − 1 e − t d t {\displaystyle \Gamma (a,x)=\int _{x}^{\infty }t^{a-1}\,e^{-t}\,dt\,\!} ガンマ関数の定義は Γ ( a ) = ∫ 0 ∞ t a − 1 e − t d t {\displaystyle \Gamma (a)=\int _{0}^{\infty }t^{a-1}\,e^{-t}\,dt} であるから、 γ ( a , x ) + Γ ( a , x ) = Γ ( a ) {\displaystyle \gamma (a,x)+\Gamma (a,x)=\Gamma (a)} となる。 また、不完全ガンマ関数の定義式に部分積分を用いることで γ ( a + 1 , x ) = a γ ( a , x ) − x a e − x Γ ( a + 1 , x ) = a Γ ( a , x ) + x a e − x {\displaystyle {\begin{aligned}\gamma (a+1,x)&=a\gamma (a,x)-x^{a}e^{-x}\\\Gamma (a+1,x)&=a\Gamma (a,x)+x^{a}e^{-x}\end{aligned}}} という関係が成り立つことも分かる。 さらに、以下のような式が成り立つ。 Γ ( a , 0 ) = Γ ( a ) γ ( a , x ) → Γ ( a ) ( x → ∞ ) Γ ( 0 , x ) = − Ei ⁡ ( − x )  for  x > 0 Γ ( 1 / 2 , x ) = π erfc ⁡ ( x ) γ ( 1 / 2 , x ) = π erf ⁡ ( x ) Γ ( 1 , x ) = e − x γ ( 1 , x ) = 1 − e − x {\displaystyle {\begin{aligned}\Gamma (a,0)&=\Gamma (a)\\\gamma (a,x)&\to \Gamma (a)\quad (x\to \infty )\\\Gamma (0,x)&=-\operatorname {Ei} (-x)\quad {\text{ for }}x>0\\\Gamma (1/2,x)&={\sqrt {\pi }}\operatorname {erfc} \left({\sqrt {x}}\right)\\\gamma (1/2,x)&={\sqrt {\pi }}\operatorname {erf} \left({\sqrt {x}}\right)\\\Gamma (1,x)&=e^{-x}\\\gamma (1,x)&=1-e^{-x}\end{aligned}}} ここで、 Ei : 指数積分 erf : 誤差関数 erfc :相補誤差関数で、erfc(x) = 1 − erf(x) である。 ∂ Γ ( a , x ) ∂ x = − x a − 1 e x {\displaystyle {\frac {\partial \Gamma (a,x)}{\partial x}}=-{\frac {x^{a-1}}{e^{x}}}} MeijerのG関数から: T ( m , a , x ) = G m − 1 , m m , 0 ( 0 , 0 , … , 0 a − 1 , − 1 , … , − 1 | x ) {\displaystyle T(m,a,x)=G_{m-1,\,m}^{\,m,\,0}\!\left(\left.{\begin{matrix}0,0,\dots ,0\\a-1,-1,\dots ,-1\end{matrix}}\;\right|\,x\right)} T ( m , a , z ) = − ( − 1 ) m − 1 ( m − 2 ) ! d m − 2 d t m − 2 [ Γ ( a − t ) z t − 1 ] | t = 0 + ∑ n = 0 ∞ ( − 1 ) n z a − 1 + n n ! ( − a − n ) m − 1 {\displaystyle T(m,a,z)=-{\frac {(-1)^{m-1}}{(m-2)!}}{\frac {{\rm {d}}^{m-2}}{{\rm {d}}t^{m-2}}}\left[\Gamma (a-t)z^{t-1}\right]{\Big |}_{t=0}+\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {(-1)^{n}z^{a-1+n}}{n!(-a-n)^{m-1}}}} 時 | z | < 1 {\displaystyle |z|<1} ∂ Γ ( a , x ) ∂ a = ln ⁡ x Γ ( a , x ) + x T ( 3 , a , x ) {\displaystyle {\frac {\partial \Gamma (a,x)}{\partial a}}=\ln x\Gamma (a,x)+x\,T(3,a,x)} ∂ 2 Γ ( a , x ) ∂ a 2 = ln 2 ⁡ x Γ ( a , x ) + 2 x [ ln ⁡ x T ( 3 , a , x ) + T ( 4 , a , x ) ] {\displaystyle {\frac {\partial ^{2}\Gamma (a,x)}{\partial a^{2}}}=\ln ^{2}x\Gamma (a,x)+2x[\ln x\,T(3,a,x)+T(4,a,x)]} ∂ m Γ ( a , x ) ∂ a m = ln m ⁡ x Γ ( a , x ) + m x ∑ n = 0 m − 1 P n m − 1 ln m − n − 1 ⁡ x T ( 3 + n , a , x ) {\displaystyle {\frac {\partial ^{m}\Gamma (a,x)}{\partial a^{m}}}=\ln ^{m}x\Gamma (a,x)+mx\,\sum _{n=0}^{m-1}P_{n}^{m-1}\ln ^{m-n-1}x\,T(3+n,a,x)} と P j n = ( n j ) j ! = n ! ( n − j ) ! . {\displaystyle P_{j}^{n}=\left({\begin{array}{l}n\\j\end{array}}\right)j!={\frac {n!}{(n-j)!}}.} ^ K.O. Geddes, M.L. Glasser, R.A. Moore and T.C. Scott, Evaluation of Classes of Definite Integrals Involving Elementary Functions via Differentiation of Special Functions, AAECC (Applicable Algebra in Engineering, Communication and Computing), vol. 1, (1990), pp. 149-165, [1] M. Abramowitz and I. A. Stegun, eds. Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables. New York: Dover, 1972. (See Chapter 6.) G. Arfken and H. Weber. Mathematical Methods for Physicists. Harcourt/Academic Press, 2000. (See Chapter 10.) W. H. Press, B. P. Flannery, S. A. Teukolsky, and W. T. Vetterling. Numerical Recipes in C. Cambridge, UK: Cambridge University Press, 1988. (See Section 6.2.) 関数一覧 ガンマ関数 ゼータ関数 ベータ関数 階乗 特殊関数 複素解析 ガンマ関数とベータ関数 (PDF) （日本語） [リンク切れ]