关于在带形区域$0\leq\text{Re}(s)\leq1$内证明$|\Gamma(s)\Gamma(1-s)\sin(\pi s)|=O(e^{i\text{Im}(s)})$的技术问询
嗨,我来帮你梳理这个问题的解决思路!首先得提一句,其实经典的余元公式直接就给出$\Gamma(s)\Gamma(1-s)=\frac{\pi}{\sin(\pi s)}$,这意味着$\Gamma(s)\Gamma(1-s)\sin(\pi s)=\pi$——本身就是个常数!不过既然你想要通过「增长估计+讲义里的Lemma 17.14」这个路径来推导,那咱们就按这个逻辑走一遍:
第一步:证明$\Gamma(s)\Gamma(1-s)$在带形$0\leq\text{Re}(s)\leq1$内当$\text{Im}(s)\to\infty$时有界
令$s=x+iy$,其中$0\leq x\leq1$,$y\to+\infty$。我们用Gamma函数的斯特林渐近公式:当$|\arg z|\leq\pi-\epsilon$时,$\Gamma(z)\sim z{z-1/2}e{-z}\sqrt{2\pi}$。
对$\Gamma(s)$和$\Gamma(1-s)$分别应用斯特林公式:
- $\Gamma(s)\sim (x+iy){x+iy-1/2}e{-(x+iy)}\sqrt{2\pi}$
- $\Gamma(1-s)=\Gamma(1-x-iy)\sim (1-x-iy){(1-x)-iy-1/2}e{-(1-x-iy)}\sqrt{2\pi}$
计算模长的乘积:
$$|\Gamma(s)\Gamma(1-s)|\sim |x+iy|^{x-1/2} \cdot |x+iy|^{iy} \cdot |1-x-iy|^{(1-x)-1/2} \cdot |1-x-iy|^{-iy} \cdot 2\pi e{-x}e{-(1-x)}$$
化简各项:
- 指数衰减项:$e{-x}e{-(1-x)}=e^{-1}$,是常数;
- 幂次项:$|x+iy|\sim y$,$|1-x-iy|\sim y$,所以$y{(x-1/2)+(1-x-1/2)}=y0=1$,也就是这部分是有界的;
- 虚指数项:$|x+iy|{iy}=e{iy\ln|x+iy|}\sim e^{iy\ln y}$,$|1-x-iy|{-iy}=e{-iy\ln|1-x-iy|}\sim e^{-iy\ln y}$,两者相乘刚好抵消为1。
所以最终$|\Gamma(s)\Gamma(1-s)|=O(1)$,也就是在带形内当$y\to\infty$时是有界的。
第二步:估计$|\sin(\pi s)|$的增长速度
还是令$s=x+iy$,利用三角函数的复变展开:
$$\sin(\pi s)=\sin(\pi x+i\pi y)=\sin(\pi x)\cosh(\pi y)+i\cos(\pi x)\sinh(\pi y)$$
计算模长:
$$|\sin(\pi s)|=\sqrt{\sin^2(\pi x)\cosh^2(\pi y)+\cos^2(\pi x)\sinh^2(\pi y)}$$
利用恒等式$\cosh^2 z - \sinh^2 z=1$化简后,可得:
$$|\sin(\pi s)|=\cosh(\pi y)\sim \frac{1}{2}e^{\pi y}$$
也就是$|\sin(\pi s)|=O(e{\pi\text{Im}(s)})$(你提问里写的$O(e{i\text{Im}(s)})$应该是笔误,指数部分应该是实数的指数增长)。
第三步:结合引理17.14推导常数结论
把两者的估计结合起来:
$$|\Gamma(s)\Gamma(1-s)\sin(\pi s)|=|\Gamma(s)\Gamma(1-s)|\cdot|\sin(\pi s)|=O(1)\cdot O(e{\pi\text{Im}(s)})=O(e{\pi\text{Im}(s)})$$
从图里的上下文推测,Lemma 17.14应该是带形区域的Liouville定理推广:若全纯函数在$0\leq\text{Re}(s)\leq1$内全纯,且当$\text{Im}(s)\to\pm\infty$时满足指数增长估计,同时在带形内有界,则函数为常数。这里我们的乘积函数满足增长估计,且它在带形内是全纯的(Gamma函数在复平面除负整数和0外全纯,$\sin(\pi s)$在复平面全纯,所以乘积在$0\leq\text{Re}(s)\leq1$内全纯),因此可以直接用引理17.14得出$\Gamma(s)\Gamma(1-s)\sin(\pi s)$是常数。
另外提一句,你发现的讲义里的笔误确实存在:正确的$|\sin(\pi s)|$应该是$\frac{1}{2}|e^{i\pi s}-e^{-i\pi s}|$,作者不仅漏了指数里的$\pi$,还错误地用了共轭$\overline{s}$,确实是个小失误。
备注:内容来源于stack exchange,提问作者Epsilon-Delta




