題目
Problem
7. Let f(u)=∫0ue−x2dx for u∈(−∞,∞) and let I=u→∞limf(u). Which of the following statements is false?
(A) f is strictly increasing on (−∞,∞).
(B) ∫−∞∞e−x2/2dx=22I.
(C) ∬R2e−x2−y2d(x,y)=4I2.
(D) There exists some positive integer k such that kπ∫0∞re−r2dr=I2.
(E) There exists some positive integer k such that I=kπ/2.
解答
解法一
思路
展開
- I=∫0∞e−x2dx 是著名的高斯積分,其結果為 I=2π,因此 I2=4π。這個數值是解本題的核心。
- 選項 (A) 直接由 f′(u)=e−u2>0 即可判斷。
- 選項 (B) 是一個換元練習——把 ∫e−x2/2dx 透過令 u=x/2 轉換成 I。
- 選項 (C) 是高斯積分最經典的二維推廣:∬e−x2−y2dA=(∫e−x2dx)2。
- 選項 (D) 是本題的陷阱——要確認 kπ∫0∞re−r2dr=I2 中的 k 能否是正整數。直接算出 ∫0∞re−r2dr=21,代入方程式求解 k。
- 選項 (E) 只需確認 k=1 代入 kπ/2=π/2=I 是否成立。
答題過程
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預備:高斯積分的值。
利用極座標法可以證明(這裡直接引用結果):
I=∫0∞e−x2dx=2π
故 I2=4π。
逐一驗算各選項:
(A) f′(u)=e−u2>0 對所有 u∈R 成立,故 f 嚴格遞增。✓
(B) 令 t=x/2,則 dx=2dt:
∫−∞∞e−x2/2dx=2∫−∞∞e−t2dt=2⋅2I=22I
✓
(C) 積分域是整個 R2,且被積函數可以分離變數:
∬R2e−x2−y2dA=∫−∞∞e−x2dx⋅∫−∞∞e−y2dy=(2I)2=4I2
✓
(D) 先計算 ∫0∞re−r2dr。令 s=r2,ds=2rdr:
∫0∞re−r2dr=21∫0∞e−sds=21
代入方程式,所求條件為:
kπ⋅21=I2=4π⟹k=21
k=21 不是正整數,故不存在滿足條件的正整數 k。此敘述為假。✗
(E) 取 k=1:kπ/2=π/2=I。正整數 k=1 滿足條件。✓
結論: 選項 (D) 為錯誤敘述。kπ∫0∞re−r2dr=I2 需要 k=21,不是正整數。