f : ( 0 , ∞ ) → ( 0 , ∞ ) f: (0,\infty) \to (0,\infty) f : ( 0 , ∞ ) → ( 0 , ∞ ) 가 f ( 1 ) = 1 f(1) = 1 f ( 1 ) = 1 과 f ( x + 1 ) = x f ( x ) f(x+1) = x\,f(x) f ( x + 1 ) = x f ( x ) (x > 0 x > 0 x > 0 )를 만족한다고 하자. 모든 양의 정수 n n n 에 대해 f ( n ) = ( n − 1 ) ! f(n) = (n-1)! f ( n ) = ( n − 1 )! 임을 증명하세요.
f ( 1 ) = 1 , f ( x + 1 ) = x f ( x ) ⟹ f ( n ) = ( n − 1 ) ! f(1) = 1, \qquad f(x+1) = x\,f(x) \quad \Longrightarrow \quad f(n) = (n-1)! f ( 1 ) = 1 , f ( x + 1 ) = x f ( x ) ⟹ f ( n ) = ( n − 1 )!
a = 0.3 a = 0.3 a = 0.3 , x 0 = 0.6 x_0 = 0.6 x 0 = 0.6 에서 impostor ln f a \ln f_a ln f a 의 secant 위반량 ≈ 0.297 > 0 \approx 0.297 > 0 ≈ 0.297 > 0 (볼록성 깨짐), ln Γ \ln\Gamma ln Γ 의 위반량은 10 − 9 10^{-9} 1 0 − 9 미만 (볼록성 유지).
증명 보기
밑 단계: f ( 1 ) = 1 = 0 ! f(1) = 1 = 0! f ( 1 ) = 1 = 0 ! — 가정에 의해 주어집니다.
귀납 단계: f ( k ) = ( k − 1 ) ! f(k) = (k-1)! f ( k ) = ( k − 1 )! 이라 가정합니다. 점화식을 x = k x = k x = k 에 적용하면 f ( k + 1 ) = k ⋅ f ( k ) = k ⋅ ( k − 1 ) ! = k ! f(k+1) = k \cdot f(k) = k \cdot (k-1)! = k! f ( k + 1 ) = k ⋅ f ( k ) = k ⋅ ( k − 1 )! = k ! 이 됩니다.
따라서 수학적 귀납법으로 모든 양의 정수 n n n 에 대해 f ( n ) = ( n − 1 ) ! f(n) = (n-1)! f ( n ) = ( n − 1 )! 입니다.
교훈: 이 증명은 처음 두 조건만 사용합니다 — 정수 사이에서는 f f f 가 전혀 결정되지 않습니다. 실제로 impostor f a ( x ) = Γ ( x ) ( 1 + a sin 2 π x ) f_a(x) = \Gamma(x)(1 + a\sin 2\pi x) f a ( x ) = Γ ( x ) ( 1 + a sin 2 π x ) 는 sin 2 π n = 0 \sin 2\pi n = 0 sin 2 π n = 0 이므로 모든 정수 n n n 에서 Γ \Gamma Γ 와 완전히 일치하면서도, 정수 사이에서는 전혀 다른 함수입니다. 세 번째 조건(로그볼록성)이 바로 이 틈을 메웁니다.
Hölder 부등식을 이용해 Γ \Gamma Γ 가 로그볼록함을 증명하세요: φ ( x ) = ln Γ ( x ) \varphi(x) = \ln\Gamma(x) φ ( x ) = ln Γ ( x ) 가 ( 0 , ∞ ) (0,\infty) ( 0 , ∞ ) 에서 볼록함수임을 보이세요.
Γ ( t x + ( 1 − t ) y ) ≤ Γ ( x ) t Γ ( y ) 1 − t ( 0 < t < 1 , x , y > 0 ) \Gamma(tx + (1-t)y) \le \Gamma(x)^t\,\Gamma(y)^{1-t} \qquad (0 < t < 1,\; x, y > 0) Γ ( t x + ( 1 − t ) y ) ≤ Γ ( x ) t Γ ( y ) 1 − t ( 0 < t < 1 , x , y > 0 )
H o ¨ lder: ∫ F G ≤ ( ∫ F p ) 1 / p ( ∫ G q ) 1 / q , 1 p + 1 q = 1 \text{H\"older: } \int FG \le \left(\int F^p\right)^{1/p}\left(\int G^q\right)^{1/q}, \quad \frac1p + \frac1q = 1 H o ¨ lder: ∫ F G ≤ ( ∫ F p ) 1/ p ( ∫ G q ) 1/ q , p 1 + q 1 = 1
a = 0.3 a = 0.3 a = 0.3 , x 0 = 0.6 x_0 = 0.6 x 0 = 0.6 에서 impostor ln f a \ln f_a ln f a 의 secant 위반량 ≈ 0.297 > 0 \approx 0.297 > 0 ≈ 0.297 > 0 (볼록성 깨짐), ln Γ \ln\Gamma ln Γ 의 위반량은 10 − 9 10^{-9} 1 0 − 9 미만 (볼록성 유지).
증명 보기
0 < t < 1 0 < t < 1 0 < t < 1 , x , y > 0 x, y > 0 x , y > 0 이라 하고 z = t x + ( 1 − t ) y z = tx + (1-t)y z = t x + ( 1 − t ) y 라 둡니다. Γ ( z ) = ∫ 0 ∞ s z − 1 e − s d s \Gamma(z) = \int_0^\infty s^{z-1} e^{-s}\,ds Γ ( z ) = ∫ 0 ∞ s z − 1 e − s d s 의 피적분함수를 쪼갭니다: s z − 1 e − s = ( s x − 1 e − s ) t ⋅ ( s y − 1 e − s ) 1 − t s^{z-1} e^{-s} = \left(s^{x-1} e^{-s}\right)^t \cdot \left(s^{y-1} e^{-s}\right)^{1-t} s z − 1 e − s = ( s x − 1 e − s ) t ⋅ ( s y − 1 e − s ) 1 − t — 지수를 확인하면 t ( x − 1 ) + ( 1 − t ) ( y − 1 ) = z − 1 t(x-1) + (1-t)(y-1) = z - 1 t ( x − 1 ) + ( 1 − t ) ( y − 1 ) = z − 1 이고 e − s e^{-s} e − s 의 지수는 t + ( 1 − t ) = 1 t + (1-t) = 1 t + ( 1 − t ) = 1 입니다.
F = ( s x − 1 e − s ) t F = \left(s^{x-1} e^{-s}\right)^t F = ( s x − 1 e − s ) t , G = ( s y − 1 e − s ) 1 − t G = \left(s^{y-1} e^{-s}\right)^{1-t} G = ( s y − 1 e − s ) 1 − t 라 두고 지수 p = 1 t p = \frac1t p = t 1 , q = 1 1 − t q = \frac{1}{1-t} q = 1 − t 1 (1 p + 1 q = 1 \frac1p + \frac1q = 1 p 1 + q 1 = 1 )로 Hölder 부등식을 적용하면 ∫ 0 ∞ F G ≤ ( ∫ 0 ∞ F p ) 1 / p ( ∫ 0 ∞ G q ) 1 / q \int_0^\infty FG \le \left(\int_0^\infty F^p\right)^{1/p} \left(\int_0^\infty G^q\right)^{1/q} ∫ 0 ∞ F G ≤ ( ∫ 0 ∞ F p ) 1/ p ( ∫ 0 ∞ G q ) 1/ q 을 얻습니다.
그런데 F p = s x − 1 e − s F^p = s^{x-1} e^{-s} F p = s x − 1 e − s , G q = s y − 1 e − s G^q = s^{y-1} e^{-s} G q = s y − 1 e − s 이므로 우변은 Γ ( x ) t Γ ( y ) 1 − t \Gamma(x)^t\,\Gamma(y)^{1-t} Γ ( x ) t Γ ( y ) 1 − t 가 됩니다. 즉 Γ ( t x + ( 1 − t ) y ) ≤ Γ ( x ) t Γ ( y ) 1 − t \Gamma(tx + (1-t)y) \le \Gamma(x)^t\,\Gamma(y)^{1-t} Γ ( t x + ( 1 − t ) y ) ≤ Γ ( x ) t Γ ( y ) 1 − t — 양변에 로그를 취하면 φ ( t x + ( 1 − t ) y ) ≤ t φ ( x ) + ( 1 − t ) φ ( y ) \varphi(tx + (1-t)y) \le t\,\varphi(x) + (1-t)\,\varphi(y) φ ( t x + ( 1 − t ) y ) ≤ t φ ( x ) + ( 1 − t ) φ ( y ) 가 되어 φ = ln Γ \varphi = \ln\Gamma φ = ln Γ 는 볼록합니다.
수치 확인: 위의 secant 테스트는 볼록성의 정의(현이 그래프 위에 있음)를 직접 검사합니다. ln Γ \ln\Gamma ln Γ 에 대한 위반량은 10 − 9 10^{-9} 1 0 − 9 미만으로 0 — 증명과 일치합니다.
Bohr–Mollerup 정리를 증명하세요: f : ( 0 , ∞ ) → ( 0 , ∞ ) f: (0,\infty) \to (0,\infty) f : ( 0 , ∞ ) → ( 0 , ∞ ) 가 (i) f ( 1 ) = 1 f(1) = 1 f ( 1 ) = 1 , (ii) f ( x + 1 ) = x f ( x ) f(x+1) = x\,f(x) f ( x + 1 ) = x f ( x ) , (iii) ln f \ln f ln f 가 볼록을 만족하면 f = Γ f = \Gamma f = Γ 입니다.
x ln ( n − 1 ) ≤ φ ( n + x ) − φ ( n ) ≤ x ln n ( 0 < x < 1 , n ≥ 2 ) x\ln(n-1) \le \varphi(n+x) - \varphi(n) \le x\ln n \qquad (0 < x < 1,\ n \ge 2) x ln ( n − 1 ) ≤ φ ( n + x ) − φ ( n ) ≤ x ln n ( 0 < x < 1 , n ≥ 2 )
( n − 1 ) x ( n − 1 ) ! ∏ k = 0 n − 1 ( x + k ) ≤ f ( x ) ≤ n x ( n − 1 ) ! ∏ k = 0 n − 1 ( x + k ) \frac{(n-1)^x (n-1)!}{\prod_{k=0}^{n-1}(x+k)} \le f(x) \le \frac{n^x (n-1)!}{\prod_{k=0}^{n-1}(x+k)} ∏ k = 0 n − 1 ( x + k ) ( n − 1 ) x ( n − 1 )! ≤ f ( x ) ≤ ∏ k = 0 n − 1 ( x + k ) n x ( n − 1 )!
a = 0.3 a = 0.3 a = 0.3 , x 0 = 0.6 x_0 = 0.6 x 0 = 0.6 에서 impostor ln f a \ln f_a ln f a 의 secant 위반량 ≈ 0.297 > 0 \approx 0.297 > 0 ≈ 0.297 > 0 (볼록성 깨짐), ln Γ \ln\Gamma ln Γ 의 위반량은 10 − 9 10^{-9} 1 0 − 9 미만 (볼록성 유지).
증명 보기
φ = ln f \varphi = \ln f φ = ln f 라 둡니다. 볼록함수의 기울기 단조성을 이용합니다: a < b < c a < b < c a < b < c 이면 φ ( b ) − φ ( a ) b − a ≤ φ ( c ) − φ ( b ) c − b \frac{\varphi(b) - \varphi(a)}{b-a} \le \frac{\varphi(c) - \varphi(b)}{c-b} b − a φ ( b ) − φ ( a ) ≤ c − b φ ( c ) − φ ( b ) 입니다. 0 < x < 1 0 < x < 1 0 < x < 1 , 정수 n ≥ 2 n \ge 2 n ≥ 2 에 대해 세 점 n − 1 < n < n + x n-1 < n < n+x n − 1 < n < n + x 와 n < n + x < n + 1 n < n+x < n+1 n < n + x < n + 1 에 적용하면 φ ( n ) − φ ( n − 1 ) ≤ φ ( n + x ) − φ ( n ) x ≤ φ ( n + 1 ) − φ ( n ) \varphi(n) - \varphi(n-1) \le \frac{\varphi(n+x) - \varphi(n)}{x} \le \varphi(n+1) - \varphi(n) φ ( n ) − φ ( n − 1 ) ≤ x φ ( n + x ) − φ ( n ) ≤ φ ( n + 1 ) − φ ( n ) 을 얻습니다.
조건 (i), (ii)로부터 (문제 1) f ( n ) = ( n − 1 ) ! f(n) = (n-1)! f ( n ) = ( n − 1 )! 이므로 φ ( n ) − φ ( n − 1 ) = ln ( n − 1 ) \varphi(n) - \varphi(n-1) = \ln(n-1) φ ( n ) − φ ( n − 1 ) = ln ( n − 1 ) , φ ( n + 1 ) − φ ( n ) = ln n \varphi(n+1) - \varphi(n) = \ln n φ ( n + 1 ) − φ ( n ) = ln n 입니다. x x x 를 곱하면 핵심 부등식 x ln ( n − 1 ) ≤ φ ( n + x ) − φ ( n ) ≤ x ln n x\ln(n-1) \le \varphi(n+x) - \varphi(n) \le x\ln n x ln ( n − 1 ) ≤ φ ( n + x ) − φ ( n ) ≤ x ln n 을 얻습니다.
지수화하면 ( n − 1 ) x ≤ f ( n + x ) f ( n ) ≤ n x (n-1)^x \le \frac{f(n+x)}{f(n)} \le n^x ( n − 1 ) x ≤ f ( n ) f ( n + x ) ≤ n x , 즉 ( n − 1 ) x ( n − 1 ) ! ≤ f ( n + x ) ≤ n x ( n − 1 ) ! (n-1)^x (n-1)! \le f(n+x) \le n^x (n-1)! ( n − 1 ) x ( n − 1 )! ≤ f ( n + x ) ≤ n x ( n − 1 )! 입니다. 한편 (ii)를 n n n 번 반복하면 f ( n + x ) = x ( x + 1 ) ⋯ ( x + n − 1 ) f ( x ) = f ( x ) ∏ k = 0 n − 1 ( x + k ) f(n+x) = x(x+1)\cdots(x+n-1)\,f(x) = f(x)\prod_{k=0}^{n-1}(x+k) f ( n + x ) = x ( x + 1 ) ⋯ ( x + n − 1 ) f ( x ) = f ( x ) ∏ k = 0 n − 1 ( x + k ) 이므로, 나누어 ( n − 1 ) x ( n − 1 ) ! ∏ k = 0 n − 1 ( x + k ) ≤ f ( x ) ≤ n x ( n − 1 ) ! ∏ k = 0 n − 1 ( x + k ) \frac{(n-1)^x (n-1)!}{\prod_{k=0}^{n-1}(x+k)} \le f(x) \le \frac{n^x (n-1)!}{\prod_{k=0}^{n-1}(x+k)} ∏ k = 0 n − 1 ( x + k ) ( n − 1 ) x ( n − 1 )! ≤ f ( x ) ≤ ∏ k = 0 n − 1 ( x + k ) n x ( n − 1 )! 을 얻습니다.
위쪽 bound와 아래쪽 bound의 비는 ( n n − 1 ) x → 1 \left(\frac{n}{n-1}\right)^x \to 1 ( n − 1 n ) x → 1 (n → ∞ n \to \infty n → ∞ )입니다. 아래쪽 bound를 L n L_n L n , 위쪽을 U n U_n U n 이라 하면 L n ≤ f ( x ) ≤ U n L_n \le f(x) \le U_n L n ≤ f ( x ) ≤ U n 이고 U n − L n = L n ( ( n n − 1 ) x − 1 ) ≤ f ( x ) ( ( n n − 1 ) x − 1 ) → 0 U_n - L_n = L_n\left(\left(\frac{n}{n-1}\right)^x - 1\right) \le f(x)\left(\left(\frac{n}{n-1}\right)^x - 1\right) \to 0 U n − L n = L n ( ( n − 1 n ) x − 1 ) ≤ f ( x ) ( ( n − 1 n ) x − 1 ) → 0 이므로, 조임 정리로 두 bound는 같은 극한 G ( x ) G(x) G ( x ) 로 수렴하고 f ( x ) = G ( x ) f(x) = G(x) f ( x ) = G ( x ) 입니다 (0 < x < 1 0 < x < 1 0 < x < 1 ).
마지막으로 (ii)로 확장합니다: x > 0 x > 0 x > 0 을 x = y + m x = y + m x = y + m (0 < y ≤ 1 0 < y \le 1 0 < y ≤ 1 , 정수 m ≥ 0 m \ge 0 m ≥ 0 )이라 쓰면 f ( x ) = y ( y + 1 ) ⋯ ( y + m − 1 ) f ( y ) f(x) = y(y+1)\cdots(y+m-1)\,f(y) f ( x ) = y ( y + 1 ) ⋯ ( y + m − 1 ) f ( y ) 이고 Γ \Gamma Γ 도 같은 점화식을 만족하므로, ( 0 , 1 ] (0,1] ( 0 , 1 ] 에서의 일치가 모든 x > 0 x > 0 x > 0 으로 확장되어 f = Γ f = \Gamma f = Γ 입니다.
정직한 표시: G ( x ) = Γ ( x ) G(x) = \Gamma(x) G ( x ) = Γ ( x ) 라는 동일시는 Γ \Gamma Γ 의 Gauss 곱 공식이며, 그 증명(( 1 − t / n ) n ↗ e − t (1-t/n)^n \nearrow e^{-t} ( 1 − t / n ) n ↗ e − t 와 베타 적분을 이용)은 이 사이트에서는 아이디어 수준으로만 스케치하고 여기서는 증명하지 않습니다.