Problem
8. For a∈(−∞,∞) and b>0, define G(a,b)=∫0∞xa−1e−x/bdx. Which of the following statements is false?
(A) a→∞limG(a,1)<∞.
(B) G(a,b)<∞ for a>0, b>0.
(C) G(a,b)=baG(a,1) for a>1, b>0.
(D) G(a+1,1)=aG(a,1) for a>1.
(E) G(a,1)=∞ for a<0.
展開
換元建立 G 與 Γ 的關係。 令 t=x/b,即 x=bt,dx=bdt:
G(a,b)===∫0∞(bt)a−1e−t⋅bdtba−1⋅b∫0∞ta−1e−tdtbaΓ(a)
故 G(a,b)=baΓ(a),特別地 G(a,1)=Γ(a)。
逐一驗算各選項:
(A) a→∞limG(a,1)=a→∞limΓ(a)。
由遞推關係 Γ(a+1)=aΓ(a),可知 Γ(a)→∞ 當 a→∞。故 lima→∞G(a,1)=∞,並非有限值。此敘述為假。✗
(B) G(a,b)=baΓ(a),Γ(a) 在 a>0 時收斂至有限值,故 G(a,b)<∞。✓
(C) 由換元結果 G(a,b)=baΓ(a)=baG(a,1),直接成立。✓
(D) G(a+1,1)=Γ(a+1)=aΓ(a)=aG(a,1),這是 Gamma 函數的遞推性質。✓
(E) 觀察定積分定義的收斂性:
當 a<0 時,考慮被積函數 xa−1e−x 在 x→0+ 處的行為。由於 limx→0+e−x=1,在 x∈(0,1] 區間內存在常數 C>0 使得 e−x≥C。
此時:
∫01xa−1e−xdx≥C∫01xa−1dx
因為 a<0⟹a−1<−1,積分 ∫01xa−1dx 於下限 0 處發散至 ∞。
因此,由瑕積分定義所給出的 G(a,1)=∫0∞xa−1e−xdx 在 a<0 時必然發散至 ∞,即 G(a,1)=∞。此敘述為真。✓
結論: 選項 (A) 為唯一的錯誤敘述。正確答案為 (A)。
(註:部分解析會將 G(a,1) 混淆為經解析延拓後的 Gamma 函數 Γ(a) 值,因而誤認 a<0 時仍可收斂為實數值;但若嚴格依題目所給的瑕積分定義,該積分於 a<0 時確實發散至 ∞。)