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113 台聯大微積分(A2) 第 1 題

考題 / 轉學考微積分 / 台聯大 / 微積分A2

113學年度 · 113微積分A2 · 第 1 題

題目

Problem

一、填充題:共8題,每題8分、總計64分。請在答案卷上列出題號並依序作答。

(1) Evaluate the integral:

0yy2ex2dxdy.\int_0^\infty \int_y^\infty y^2 e^{-x^2} \,\mathrm{d}x\mathrm{d}y \,.

解答

解法一:交換積分順序法(常規解法)

思路

展開
  1. 本題給出一個二重積分 0yy2ex2dxdy\int_0^\infty \int_y^\infty y^2 e^{-x^2} \,\mathrm{d}x\mathrm{d}y
  2. 由於被積函數含有 ex2e^{-x^2},我們無法直接對 xx 求不定積分(因為其原函數為非初等函數,即誤差函數)。這提示我們必須交換積分順序,先對 yy 進行積分。
  3. 第一步:分析積分區域 DD
    • 區域的邊界為: yy00\infty,且對於每個固定的 yyxxyy\infty
    • 這對應不等式: 0y<0 \le y < \inftyyx<y \le x < \infty
    • 將其寫成以 xx 為外層積分的形式: 0x<0 \le x < \infty,且對於每個固定的 xxyy 的範圍從 00xx
    • 積分區域可表示為: D={(x,y)0x<, 0yx}D = \{ (x, y) \mid 0 \le x < \infty, \ 0 \le y \le x \}
  4. 第二步:寫出新的累次積分並求解I=00xy2ex2dydxI = \int_0^\infty \int_0^x y^2 e^{-x^2} \,\mathrm{d}y\mathrm{d}x 先積內層 yy0xy2ex2dy=ex2[y33]0x=13x3ex2\int_0^x y^2 e^{-x^2} \,\mathrm{d}y = e^{-x^2} \left[ \frac{y^3}{3} \right]_0^x = \frac{1}{3} x^3 e^{-x^2} 代回外層對 xx 進行積分。
  5. 第三步:利用換元法與 Gamma 函數計算單變數積分
    • 欲求 130x3ex2dx\frac{1}{3} \int_0^\infty x^3 e^{-x^2} \,\mathrm{d}x
    • u=x2    du=2xdx    x3dx=12uduu = x^2 \implies \mathrm{d}u = 2x\,\mathrm{d}x \implies x^3 \,\mathrm{d}x = \frac{1}{2} u \,\mathrm{d}u
    • 變更積分界限: x=0    u=0x=0 \implies u=0x    ux\to\infty \implies u\to\infty
    • 積分化為: 160ueudu=16Γ(2)=16\frac{1}{6} \int_0^\infty u e^{-u} \,\mathrm{d}u = \frac{1}{6} \Gamma(2) = \frac{1}{6}

答題過程

展開

給定二重積分:

I=0yy2ex2dxdyI = \int_0^\infty \int_y^\infty y^2 e^{-x^2} \,\mathrm{d}x\mathrm{d}y

我們分析其積分區域 DD

D={(x,y)0y<, yx<}D = \{ (x, y) \mid 0 \le y < \infty, \ y \le x < \infty \}

此區域在第一象限內,夾在直線 y=xy = xxx 軸(y=0y = 0)之間,往右無限延伸。

我們交換積分順序,將其改寫為先對 yy 積分、再對 xx 積分的累次積分:

I=00xy2ex2dydxI = \int_0^\infty \int_0^x y^2 e^{-x^2} \,\mathrm{d}y\mathrm{d}x

先計算內層關於 yy 的積分,此時 ex2e^{-x^2} 視為常數:

0xy2ex2dy=ex2[y33]0x=13x3ex2\int_0^x y^2 e^{-x^2} \,\mathrm{d}y = e^{-x^2} \left[ \frac{y^3}{3} \right]_0^x = \frac{1}{3} x^3 e^{-x^2}

代回外層積分:

I=130x3ex2dxI = \frac{1}{3} \int_0^\infty x^3 e^{-x^2} \,\mathrm{d}x

為了求解此定積分,我們使用換元積分法。令:

u=x2    du=2xdx    xdx=12duu = x^2 \implies \mathrm{d}u = 2x\,\mathrm{d}x \implies x\,\mathrm{d}x = \frac{1}{2}\mathrm{d}u

將被積式拆分整理:

x3ex2dx=x2ex2(xdx)=ueu(12du)x^3 e^{-x^2} \,\mathrm{d}x = x^2 e^{-x^2} (x\,\mathrm{d}x) = u e^{-u} \left( \frac{1}{2}\mathrm{d}u \right)

積分上下限不變(當 x=0    u=0x = 0 \implies u = 0;當 x    ux \to \infty \implies u \to \infty)。代入得:

I=130ueu(12du)=160ueuduI = \frac{1}{3} \int_0^\infty u e^{-u} \left( \frac{1}{2}\mathrm{d}u \right) = \frac{1}{6} \int_0^\infty u e^{-u} \,\mathrm{d}u

利用伽瑪函數(Gamma Function)的定義 Γ(z)=0tz1etdt\Gamma(z) = \int_0^\infty t^{z-1} e^{-t} \,\mathrm{d}t。此處 z1=1    z=2z-1 = 1 \implies z = 2

I=16Γ(2)I = \frac{1}{6} \Gamma(2)

由於當 nn 為正整數時, Γ(n)=(n1)!\Gamma(n) = (n-1)!,故 Γ(2)=1!=1\Gamma(2) = 1! = 1

I=161=16I = \frac{1}{6} \cdot 1 = \frac{1}{6}

結論: (1) 填入 16\displaystyle \frac{1}{6}