Fonction gamma incomplète

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En analyse mathématique, il existe plusieurs définitions de fonctions gamma incomplètes[1] : pour un paramètre complexe a de partie réelle strictement positive,

\begin{align}
\gamma(a,x)&=\int_0^x t^{a-1}{\rm e}^{-t}{\rm d}t,\\
\Gamma(a,x)&=\int_x^\infty t^{a-1}{\rm e}^{-t}{\rm d}t=\Gamma(a)-\gamma(a,x),\\
P(a,x)&=\frac{\gamma(a,x)}{\Gamma(a)}=\frac1{\Gamma(a)}\int_0^x{\rm e}^{-t}t^{a-1}{\rm d}t,\\
\gamma^*(a,x)&=x^{-a} P(a,x)=\frac{x^{-a}}{\Gamma(a)}\gamma(a,x).
\end{align}

Dérivées[modifier | modifier le code]

La dérivée de la fonction gamma incomplète Γ(a, x) par rapport à x est l'opposée de l'intégrande de sa définition intégrale :

\frac{\partial\Gamma(a,x)}{\partial x}=-x^{a-1}{\rm e}^{-x}.

La dérivée par rapport au paramètre a est donnée par[2]

\frac{\partial\Gamma(a,x)}{\partial a}=\ln(x)\Gamma(a,x)+x~T(3,a,x)

et la dérivée seconde par

\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)),

où la fonction T(m, a, x) est un cas particulier de la fonction G de Meijer (en)

T(m,a,z)=G_{m-1,m}^{~m,~0}\left(x\left|\begin{array}{c}0,0,\ldots0\\-1,-1,\ldots,a-1,-1\end{array}\right.\right).

Ce cas particulier possède des propriétés internes de fermeture qui lui sont propres parce qu'il permet d'exprimer toutes les dérivées successives. En général,

\frac{\partial^m\Gamma(a,x)}{\partial a^m}=\ln^m(x)\Gamma(a,x)+mx~\sum_{i=0}^{m-1}P_i^{m-1}\ln^{m-i-1}(x)~T(3+i,a,x)

P désigne la factorielle décroissante :

P_j^i=\frac{i!}{(i-j)!}.

Toutes ces dérivées peuvent être produites à partir de \frac{\partial T(m,a,x)}{\partial a}=\ln(x)~T(m,a,x)+(m-1)T(m+1,a,x) et \frac{\partial T(m,a,x)}{\partial x}=-\frac1x(T(m-1,a,x)+T(m,a,x)).

Cette fonction T(m, a, x) peut être calculée par sa représentation en série, valide pour |z| < 1 :

T(m,a,z)=-\frac{(-1)^{m-1}}{(m-2)!}\left.\frac{{\rm d}^{m-2}}{{\rm d}t^{m-2}}\left[\Gamma(a-t)z^{t-1}\right]\right|_{t=0}+\sum_{i=0}^{\infty}\frac{(-1)^iz^{a-1+i}}{i! (-a-i)^{m-1}}

et pourvu que le paramètre a ne soit pas un entier négatif ou nul. Dans ce dernier cas, on doit employer une limite. Des résultats pour |z| ≥ 1 peuvent être obtenus par prolongement analytique. Quelques cas particuliers de cette fonction peuvent être simplifiés. Par exemple,

T(2,a,x)=\frac{\Gamma(a,x)}x\quad{\rm et}\quad x~T(3,1,x)={\rm E}_1(x),

E1 est l'exponentielle intégrale. Les dérivées et la fonction T(m, a, x) fournissent les solutions exactes à un certain nombre d'intégrales par la différentiation répétée de la définition intégrale de la fonction gamma incomplète Γ(a, x). Par exemple,

\int_x^{\infty}t^{a-1}\ln^m(t)~{\rm e}^{-t}{\rm d}t=\frac{\partial^m}{\partial a^m}\int_x^{\infty}t^{a-1}{\rm e}^{-t}{\rm d}t=\frac{\partial^m}{\partial a^m}\Gamma(a,x).

Cette formule peut être "gonflée" davantage ou généralisée à une classe considérable de transformées de Laplace ou de Mellin. Une fois combinée avec un système de calcul formel, l'exploitation des fonctions spéciales fournit une méthode puissante pour résoudre des intégrales définies, en particulier celles rencontrées par les applications pratiques des ingénieurs.

Notes et références[modifier | modifier le code]

(en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Incomplete gamma function » (voir la liste des auteurs).

  1. (en) Milton Abramowitz et Irene Stegun, Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables [détail de l’édition] (lire en ligne).
  2. (en) K. O. Geddes (en), M. L. Glasser, R. A. Moore et 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, p. 149-165, DOI:10.1007/BF01810298.

Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • (en) K. O. Geddes et T. C. Scott, « Recipes for classes of definite integrals involving exponentials and logarithms », dans E. Kaltofen et S. M. Watt, Computers and Mathematics, Springer-Verlag,‎ (DOI 10.1007/978-1-4613-9647-5_24), p. 192-201
  • (en) Serge Winitzki, « Computing the incomplete Gamma function to arbitrary precision », dans Computational Science and Its Applications — ICCSA 2003 (lire en ligne), p. 790-798