Stirling公式
Stirling公式
- 事实上,在高等数学中,只需要知道下式即可。上述的内容,不需要引入Wallis公式便能得到结论。
Stirling公式的推导
参见Stirling公式的一些思考 - 知乎
阶乘大小估计——积分的矩形公式
我们先从 n! 大小的估计出发. 阶乘实际为累乘,数学上对累乘处理的工具十分少,一般都会选择取对数转换为累加,然后借助已有工具处理。
因此只需要估计 的值就可以了。而对于这种简单累加,很容易想到积分。因此考虑函数 在的积分与累加的大小比较。由于 是单调递增的函数,所以在任意的 区间上有
两边从到积分,得到不等式
对 k 从 1 到 n 这 n 个不等式进行累加得到
即
整理后可有
因此
这已经是一个初步的比较好看的结果了. 但精度还是不够, 得到这个公式本质上是用矩形公式逼近 的积分. 我们知道, 是一个单调递增的凹函数, 如果改用梯形公式, 则精度会提高很多.
精细化结果——梯形公式
在 上, 由于 是一个凹函数, 即函数图像在割线之上, 因此
两边积分得到
对 累加得到
即
整理后再取回指数就可以得到
我们记
则 是一个有界数列, 只需要 是单调的就可以知道极限存在. 下面考察 的单调性.
因此 ,为单调递减的数列, 极限存在. 接下来只需要证明, 这个极限不是0就可以了. 这里回溯一下我们得到阶乘估计的方法: 积分的梯形公式. 因此需要估计梯形公式的误差.
梯形公式的误差估计——正项级数收敛判别法
设$$a_n\to c$$, 把阶乘表示为
取对数后为
即
记 , 则此为梯形公式的误差公式, 那么
这就回归到了正项级数是否发散的判别上了. 这里
记
则。注意到 , 因此为凹函数, 函数图象在任意一条切线的下方, 因此
这样我们可以给出梯形公式误差的一个估计:
由Taylor公式的Lagrange余项,
因此
这说明
是收敛的. 这也说明
从而给出 的一个下界
这已经足以得到我们 (在这篇文章中) 需要的结论:
甚至给出更精细的范围
而证明 一般需要借助Wallis公式, 在一般的数学分析教科书中都可以查阅到.
Stirling公式——借助Wallis公式计算极限的值
事实上, 由Wallis公式
我们知道
记
并把
代入 的表达式可以得到
而 , 在上式两端令 得到
这说明