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111 政治大學微積分 第 8 題

考題 / 轉學考微積分 / 政大 / 微積分

111學年度 · 111微積分 · 第 8 題

題目

Problem

8. For a(,)a \in (-\infty, \infty) and b>0b > 0, define G(a,b)=0xa1ex/bdxG(a,b) = \displaystyle\int_0^\infty x^{a-1}e^{-x/b}\,\mathrm{d}x. Which of the following statements is false?

(A) limaG(a,1)<\displaystyle\lim_{a\to\infty} G(a,1) < \infty.

(B) G(a,b)<G(a,b) < \infty for a>0a > 0, b>0b > 0.

(C) G(a,b)=baG(a,1)G(a,b) = b^a G(a,1) for a>1a > 1, b>0b > 0.

(D) G(a+1,1)=aG(a,1)G(a+1, 1) = aG(a, 1) for a>1a > 1.

(E) G(a,1)=G(a, 1) = \infty for a<0a < 0.

解答

解法一

思路

展開
  1. 先做換元 t=x/bt = x/b,把 G(a,b)G(a,b) 化為 ba0ta1etdtb^a \int_0^\infty t^{a-1}e^{-t}\,\mathrm{d}t。這個積分正是Gamma 函數 Γ(a)\Gamma(a) 的定義,因此 G(a,b)=baΓ(a)G(a,b) = b^a\,\Gamma(a)G(a,1)=Γ(a)G(a,1) = \Gamma(a)
  2. 有了這個關係,所有選項都可以轉換成 Γ(a)\Gamma(a) 的已知性質來判斷:
    • Γ(a)\Gamma(a)a>0a > 0 時收斂(B 正確)。
    • limaΓ(a)=\lim_{a\to\infty}\Gamma(a) = \infty(A 錯誤)。
    • G(a,b)=baΓ(a)=baG(a,1)G(a,b) = b^a\Gamma(a) = b^a G(a,1)(C 正確)。
    • Γ(a+1)=aΓ(a)\Gamma(a+1) = a\Gamma(a)(D 正確)。
    • a0a \le 0aa 為非正整數時,Γ(a)\Gamma(a) 有奇點(E 的精確程度要確認)。

答題過程

展開

換元建立 GGΓ\Gamma 的關係。t=x/bt = x/b,即 x=btx = btdx=bdt\mathrm{d}x = b\,\mathrm{d}t

G(a,b)=0(bt)a1etbdt=ba1b0ta1etdt=baΓ(a)\begin{align*} G(a,b) =&\, \int_0^\infty (bt)^{a-1}e^{-t}\cdot b\,\mathrm{d}t \\[4mm] =&\, b^{a-1}\cdot b\int_0^\infty t^{a-1}e^{-t}\,\mathrm{d}t \\[4mm] =&\, b^a\,\Gamma(a) \end{align*}

G(a,b)=baΓ(a)G(a,b) = b^a\,\Gamma(a),特別地 G(a,1)=Γ(a)G(a,1) = \Gamma(a)


逐一驗算各選項:

(A) limaG(a,1)=limaΓ(a)\displaystyle\lim_{a\to\infty}G(a,1) = \lim_{a\to\infty}\Gamma(a)

由遞推關係 Γ(a+1)=aΓ(a)\Gamma(a+1) = a\Gamma(a),可知 Γ(a)\Gamma(a) \to \inftyaa \to \infty。故 limaG(a,1)=\lim_{a\to\infty}G(a,1) = \infty,並非有限值此敘述為假。✗

(B) G(a,b)=baΓ(a)G(a,b) = b^a\Gamma(a)Γ(a)\Gamma(a)a>0a > 0 時收斂至有限值,故 G(a,b)<G(a,b) < \infty。✓

(C) 由換元結果 G(a,b)=baΓ(a)=baG(a,1)G(a,b) = b^a\Gamma(a) = b^a G(a,1),直接成立。✓

(D) G(a+1,1)=Γ(a+1)=aΓ(a)=aG(a,1)G(a+1,1) = \Gamma(a+1) = a\Gamma(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:

a<0a < 0 時,考慮被積函數 xa1exx^{a-1}e^{-x}x0+x \to 0^+ 處的行為。由於 limx0+ex=1\lim_{x\to 0^+} e^{-x} = 1,在 x(0,1]x \in (0, 1] 區間內存在常數 C>0C > 0 使得 exCe^{-x} \ge C

此時:

01xa1exdxC01xa1dx\int_0^1 x^{a-1}e^{-x}\,\mathrm{d}x \ge C \int_0^1 x^{a-1}\,\mathrm{d}x

因為 a<0    a1<1a < 0 \implies a-1 < -1,積分 01xa1dx\int_0^1 x^{a-1}\,\mathrm{d}x 於下限 00 處發散至 \infty

因此,由瑕積分定義所給出的 G(a,1)=0xa1exdxG(a,1) = \int_0^\infty x^{a-1}e^{-x}\,\mathrm{d}xa<0a < 0 時必然發散至 \infty,即 G(a,1)=G(a,1) = \infty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)G(a,1) 混淆為經解析延拓後的 Gamma 函數 Γ(a)\Gamma(a) 值,因而誤認 a<0a < 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<0a < 0 時確實發散至 \infty。)