広島大学 先進理工系科学研究科 情報科学プログラム 2017年8月実施 専門科目I 問題2
Author
samparker
Description
(1) α>0 とする時、関数 f(x)=xαe−x の [0,∞) における最大値を求めよ。
(2) 以下の広義積分が x>0 において収束することを示せ。
Γ(x)=∫0∞tx−1e−tdt
(3) 極限 limx→+0xΓ(x) を求めよ。
(1) For α>0, find the maximum of the function f(x)=xαe−x on [0,∞).
(2) Show the following improper integral converges on x>0:
Γ(x)=∫0∞tx−1e−tdt
(3) Find the limit:
x→+0limxΓ(x)
Kai
(1)
f′(x)=0⇒αxα−1e−x−xαe−x=0⇒e−x(αxα−1−xα)=0⇒x=α
Note that f′(x)>0 when x<α and f′(x)<0 when x>α. Therefore, the maximum of f(x) is f(α)=ααe−α.
(2)
Let’s divide the integral in a sum of two terms,
Γ(x)=∫01tx−1e−tdt+∫1∞tx−1e−tdt
For the first term, since the function e−t is decreasing, it's maximum on the interval [0,1] is attained at t=0, hence
∫01tx−1e−tdt<∫01tx−1dt.
But for x>0, this last integral converges to 1/x.
For the second term, since the exponential grows faster than any polynomial, for every x we can take N∈N so big that t≥N⇒et/2>tx−1 so
∫1∞tx−1e−tdt=∫1Ntx−1e−tdt+∫N∞tx−1e−tdt<∫1Ntx−1e−tdt+∫N∞et/2e−tdt=∫1Ntx−1e−tdt+∫N∞e−t/2dt<∞
which completes the proof.
(3)
Γ(x+1)=∫0∞txe−tdt=[−e−ttx]0∞+x∫0∞tx−1e−tdt=x∫0∞tx−1e−tdt=xΓ(x)
x→+0limxΓ(x)=x→+0limΓ(x+1)=Γ(1)=1