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:
∫0∞∫y∞y2e−x2dxdy.
解答
解法一:交換積分順序法(常規解法)
思路
展開
- 本題給出一個二重積分 ∫0∞∫y∞y2e−x2dxdy。
- 由於被積函數含有 e−x2,我們無法直接對 x 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 y 進行積分。
- 第一步:分析積分區域 D:
- 區域的邊界為: y 從 0 到 ∞,且對於每個固定的 y, x 從 y 到 ∞。
- 這對應不等式: 0≤y<∞ 且 y≤x<∞。
- 將其寫成以 x 為外層積分的形式: 0≤x<∞,且對於每個固定的 x, y 的範圍從 0 到 x。
- 積分區域可表示為: D={(x,y)∣0≤x<∞, 0≤y≤x}。
- 第二步:寫出新的累次積分並求解:
I=∫0∞∫0xy2e−x2dydx
先積內層 y:
∫0xy2e−x2dy=e−x2[3y3]0x=31x3e−x2
代回外層對 x 進行積分。
- 第三步:利用換元法與 Gamma 函數計算單變數積分:
- 欲求 31∫0∞x3e−x2dx。
- 令 u=x2⟹du=2xdx⟹x3dx=21udu。
- 變更積分界限: x=0⟹u=0; x→∞⟹u→∞。
- 積分化為: 61∫0∞ue−udu=61Γ(2)=61。
答題過程
展開
給定二重積分:
I=∫0∞∫y∞y2e−x2dxdy
我們分析其積分區域 D:
D={(x,y)∣0≤y<∞, y≤x<∞}
此區域在第一象限內,夾在直線 y=x 與 x 軸(y=0)之間,往右無限延伸。
我們交換積分順序,將其改寫為先對 y 積分、再對 x 積分的累次積分:
I=∫0∞∫0xy2e−x2dydx
先計算內層關於 y 的積分,此時 e−x2 視為常數:
∫0xy2e−x2dy=e−x2[3y3]0x=31x3e−x2
代回外層積分:
I=31∫0∞x3e−x2dx
為了求解此定積分,我們使用換元積分法。令:
u=x2⟹du=2xdx⟹xdx=21du
將被積式拆分整理:
x3e−x2dx=x2e−x2(xdx)=ue−u(21du)
積分上下限不變(當 x=0⟹u=0;當 x→∞⟹u→∞)。代入得:
I=31∫0∞ue−u(21du)=61∫0∞ue−udu
利用伽瑪函數(Gamma Function)的定義 Γ(z)=∫0∞tz−1e−tdt。此處 z−1=1⟹z=2:
I=61Γ(2)
由於當 n 為正整數時, Γ(n)=(n−1)!,故 Γ(2)=1!=1。
I=61⋅1=61
結論:
(1) 填入 61。