Skip to content
CalcGospel 微積分福音
返回

105 台聯大微積分(A3/A4/A6) 第 9 題

考題 / 轉學考微積分 / 台聯大 / 微積分A3/A4/A6

105學年度 · 105微積分A3/A4/A6 · 第 9 題

題目

Problem

9. (10 points): Evaluate

∫0∞(x−x32+x52⋅4−x72⋅4⋅6+⋯ )(1+x222+x422⋅42+x622⋅42⋅62+⋯ )dx.\int_0^\infty\left(x-\frac{x^3}{2}+\frac{x^5}{2\cdot 4}-\frac{x^7}{2\cdot 4\cdot 6}+\cdots\right) \left(1+\frac{x^2}{2^2}+\frac{x^4}{2^2\cdot 4^2}+\frac{x^6}{2^2\cdot 4^2\cdot 6^2}+\cdots\right)dx.

解答

解法一

思路

展開

第一個級數是 xe−x2/4xe^{-x^2/4};第二個級數是修正 Bessel 函數 I0(x)I_0(x)。利用其角度積分表示,可把所求式化為二維高斯積分。

答題過程

展開

先辨認兩個級數:

x-\frac{x^3}{2}+\frac{x^5}{2\cdot4}-\cdots =&\,xe^{-x^2/4}, 1+\frac{x^2}{2^2}+\frac{x^4}{2^2\cdot4^2}+\cdots =&\,I_0(x).

其中 I0I_0 滿足

I0(r)=12π∫02πercos⁡θ dθ.I_0(r)=\frac1{2\pi}\int_0^{2\pi}e^{r\cos\theta}\,\mathrm{d}\theta.

因此,將二維高斯積分改用極坐標計算,

2π∫0∞re−r2/4I0(r) dr= ∬R2e−(u2+v2)/4+u du dv= e∬R2e−((u−2)2+v2)/4 du dv= 4πe.\begin{align*} 2\pi\int_0^\infty r e^{-r^2/4}I_0(r)\,\mathrm{d}r =&\,\iint_{\mathbb R^2}e^{-(u^2+v^2)/4+u}\,\mathrm{d}u\,\mathrm{d}v\\[4mm] =&\,e\iint_{\mathbb R^2}e^{-((u-2)^2+v^2)/4}\,\mathrm{d}u\,\mathrm{d}v\\[4mm] =&\,4\pi e. \end{align*}

故原瑕積分為

2e.\boxed{2e}.