Застряли на этом? Решите с помощью ИИ
Calculus · real student question

Вычислить несобственный интеграл x·e^(−x²) dx от x = 0 до бесконечности.

Question

Вычислить

∫0∞x e−x2dx\int_0^{\infty}x\,e^{-x^2}dx

Step-by-step solution

  1. Запишем несобственный интеграл как предел. Верхний предел интегрирования равен бесконечности, поэтому по определению несобственного интеграла рассматривается предел определённых интегралов. Это позволяет корректно говорить о сходимости:

    ∫0∞x e−x2dx=lim⁡b→∞∫0bx e−x2dx\int_0^{\infty}x\,e^{-x^2}dx=\lim_{b\to\infty}\int_0^{b}x\,e^{-x^2}dx

  2. Выполним замену переменной u=x2u=x^2. Множитель xx в подынтегральной функции идеально подходит для такой подстановки — именно поэтому x e−x2x\,e^{-x^2} интегрируется в элементарных функциях, а e−x2e^{-x^2} — нет:

    u=x2,du=2x dx,x dx=du2u=x^2,\qquad du=2x\,dx,\qquad x\,dx=\frac{du}{2}

    Пределы интегрирования также меняются: x=0⇒u=0x=0\Rightarrow u=0 и x=b⇒u=b2x=b\Rightarrow u=b^2.

  3. Выполним интегрирование по uu.

    ∫0bx e−x2dx=12∫0b2e−udu=12[−e−u]0b2=12(1−e−b2)\int_0^{b}x\,e^{-x^2}dx=\frac12\int_0^{b^2}e^{-u}du=\frac12\left[-e^{-u}\right]_0^{b^2}=\frac12\left(1-e^{-b^2}\right)

  4. Переходим к пределу. При b→∞b\to\infty имеем b2→∞b^2\to\infty и e−b2→0e^{-b^2}\to 0:

    ∫0∞x e−x2dx=lim⁡b→∞12(1−e−b2)=12\int_0^{\infty}x\,e^{-x^2}dx=\lim_{b\to\infty}\frac12\left(1-e^{-b^2}\right)=\frac12

    Интеграл сходится, причём остаток быстро убывает: уже при b=3b=3 вклад хвоста — всего 12e−9≈6×10−5\tfrac12 e^{-9}\approx 6\times 10^{-5}.

  5. Сравним с родственным результатом. Поскольку подынтегральная функция нечётная, тот же первообразный даёт ∫−∞∞x e−x2dx=0\int_{-\infty}^{\infty}x\,e^{-x^2}dx=0, а вот для чётного случая ∫0∞e−x2dx=π2≈0.886\int_0^{\infty}e^{-x^2}dx=\tfrac{\sqrt\pi}{2}\approx 0.886 первообразная не выражается через элементарные функции. Сравнение показывает, как один множитель xx радикально меняет задачу: с ним — точное значение 12\tfrac12, без него — только через «гауссов трюк».

Answer

12\frac{1}{2}

Need to solve a different problem like this? Open the solver →