Théorème de Bohr-Mollerup
En mathématiques, le théorème de Bohr–Mollerup porte le nom des deux mathématiciens danois Harald Bohr et Johannes Mollerup (de), qui l'ont démontré en 1922[1].
Il caractérise la fonction gamma définie sur (par ) comme étant la seule fonction de dans vérifiant simultanément les trois conditions suivantes :
- ;
- pour tout ;
- est logarithmiquement convexe (i.e. est une fonction convexe).
Une démonstration particulièrement élégante en a été donnée par Emil Artin[2].
Ce théorème se généralise à une grande variété de fonctions (ayant des propriétés de convexité ou de concavité de n'importe quel ordre)[3].
Démonstration
La fonction gamma satisfait classiquement ces trois conditions (la première est immédiate, la deuxième se montre par intégration par parties et la troisième se déduit de l'inégalité de Cauchy-Schwarz).
Soit une fonction qui les satisfait aussi.
Les deux premières conditions permettent d'obtenir, pour tout entier naturel et tout réel :
On utilise ensuite la convexité de pour en déduire :
En particulier, pour tout réel et tout entier :
En substituant , on obtient ainsi l'encadrement suivant pour [4] :
et (puisque satisfait les mêmes hypothèses) le même encadrement pour .
Or quand tend vers l'infini, le majorant et le minorant sont équivalents. Par conséquent, ils tendent tous deux vers , auquel est donc égal.
Cette égalité, démontrée pour tout , s'étend à tout grâce à la deuxième condition, donc .
Remarque
Cette démonstration prouve de plus que pour tout , toute suite équivalente aux bornes de l'encadrement ci-dessus tend vers . En particulier :
Comme précédemment, cette égalité s'étend à tout .
Notes et références
- ↑ (da) H. Bohr et J. Mollerup, Lærebog i matematisk Analyse, vol. vol.3, Copenhague, Jul. Gjellerups Forlag, , 149-164 p..
- ↑ (en) E. Artin, The Gamma function, Dover, Holt, Rinehart, Winston,, , 14-15 p. (lire en ligne), (traduction par Michael Butler de Einführung in die Theorie der Gammafunktion, 1931)
- ↑ (en) J.-L. Marichal et N. Zenaïdi, « A Generalization of Bohr-Mollerup's Theorem for Higher Order Convex Functions », Developments in Mathematics, Cham, Switzerland, Springer, vol. 70, (DOI 10.1007/978-3-030-95088-0).
- ↑ Cette méthode, tirée de (en) « Proof of Bohr-Mollerup theorem, id3808 », sur PlanetMath, est essentiellement celle d'Artin.
Voir aussi
Article connexe
Liens externes
- (en) Eric W. Weisstein, « Bohr-Mollerup Theorem », sur MathWorld
- (en) « Proof of Bohr-Mollerup theorem, id6576 », sur PlanetMath
- Portail de l'analyse