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東京大学 新領域創成科学研究科 複雑理工学専攻 2014年8月実施 専門基礎科目 第1問

Author

犬 (finalized by 祭音Myyura with assistance from GPT 6 Astra)

Description

自然数 nn と正の実数 aa に対し、次の積分を考える。ここで ee は自然対数の底である。

In(a)=0xneax2dx.I_n(a)=\int_0^\infty x^n e^{-ax^2}\,dx.
  1. I1(a)I_1(a) を求めよ。
  2. 次式が成り立つことを示せ。
I0(a)2=00ea(x2+y2)dxdy=π4a.I_0(a)^2=\int_0^\infty\int_0^\infty e^{-a(x^2+y^2)}\,dx\,dy=\frac\pi{4a}.
  1. 次の積分を求めよ。問2の関係を用いてもよい。
(1) 0x2eax2dx,(2) 0xexdx,\text{(1) }\int_0^\infty x^2e^{-ax^2}\,dx,\qquad \text{(2) }\int_0^\infty\sqrt{x}\,e^{-x}\,dx,
(3) 01loge(1/x)dx,(4) e4x2+3xdx.\text{(3) }\int_0^1\sqrt{\log_e(1/x)}\,dx,\qquad \text{(4) }\int_{-\infty}^\infty e^{-4x^2+3x}\,dx.
  1. n2n\ge2 に対して In(1)=n12In2(1)I_n(1)=\dfrac{n-1}{2}I_{n-2}(1) が成り立つことを示せ。
  2. I2n+1(1)I_{2n+1}(1) を求めよ。問4の関係を用いてもよい。

题目描述

对自然数 nn 和正实数 aa,定义下式,其中 ee 为自然对数的底:

In(a)=0xneax2dx.I_n(a)=\int_0^\infty x^n e^{-ax^2}\,dx.
  1. I1(a)I_1(a)
  2. 证明
I0(a)2=00ea(x2+y2)dxdy=π4a.I_0(a)^2=\int_0^\infty\int_0^\infty e^{-a(x^2+y^2)}\,dx\,dy=\frac\pi{4a}.
  1. 计算下列积分,可以使用第2问的结果。
(1) 0x2eax2dx,(2) 0xexdx,\text{(1) }\int_0^\infty x^2e^{-ax^2}\,dx,\qquad \text{(2) }\int_0^\infty\sqrt{x}\,e^{-x}\,dx,
(3) 01loge(1/x)dx,(4) e4x2+3xdx.\text{(3) }\int_0^1\sqrt{\log_e(1/x)}\,dx,\qquad \text{(4) }\int_{-\infty}^\infty e^{-4x^2+3x}\,dx.
  1. 证明 n2n\ge2 时,In(1)=n12In2(1)I_n(1)=\dfrac{n-1}{2}I_{n-2}(1)
  2. I2n+1(1)I_{2n+1}(1),可以使用第4问的结果。

Kai

問1

I1(a)=[eax22a]0=12a.I_1(a)=\left[-\frac{e^{-ax^2}}{2a}\right]_0^\infty=\boxed{\frac1{2a}}.

問2

x=rcosθx=r\cos\theta, y=rsinθy=r\sin\theta とおくと、ヤコビアンは rr であるから

I0(a)2=0 ⁣0ea(x2+y2)dxdy=0π/2 ⁣0ear2rdrdθ=π4a.I_0(a)^2=\int_0^\infty\!\int_0^\infty e^{-a(x^2+y^2)}\,dx\,dy =\int_0^{\pi/2}\!\int_0^\infty e^{-ar^2}r\,dr\,d\theta =\frac\pi{4a}.

I0(a)>0I_0(a)>0 より

I0(a)=π2a.\boxed{I_0(a)=\frac{\sqrt\pi}{2\sqrt a}}.

問3

(1) 部分積分により

0x2eax2dx=[xeax22a]0+12aI0(a)=π4a3/2.\int_0^\infty x^2e^{-ax^2}\,dx =\left[-\frac{x e^{-ax^2}}{2a}\right]_0^\infty+\frac1{2a}I_0(a) =\boxed{\frac{\sqrt\pi}{4a^{3/2}}}.

(2) x=t2x=t^2 とおくと

0xexdx=20t2et2dt=π2.\int_0^\infty\sqrt{x}e^{-x}\,dx=2\int_0^\infty t^2e^{-t^2}\,dt =\boxed{\frac{\sqrt\pi}{2}}.

(3) t=log(1/x)t=\log(1/x) とおくと、x=etx=e^{-t} より

01log(1/x)dx=0tetdt=π2.\int_0^1\sqrt{\log(1/x)}\,dx=\int_0^\infty\sqrt t\,e^{-t}\,dt =\boxed{\frac{\sqrt\pi}{2}}.

(4) 4x2+3x=4(x3/8)2+9/16-4x^2+3x=-4(x-3/8)^2+9/16 より

e4x2+3xdx=e9/16e4(x3/8)2dx=π2e9/16.\int_{-\infty}^\infty e^{-4x^2+3x}\,dx =e^{9/16}\int_{-\infty}^\infty e^{-4(x-3/8)^2}\,dx =\boxed{\frac{\sqrt\pi}{2}e^{9/16}}.

問4

n2n\ge2 に対し、部分積分すると

In(1)=[12xn1ex2]0+n120xn2ex2dx=n12In2(1).I_n(1)=\left[-\frac12x^{n-1}e^{-x^2}\right]_0^\infty +\frac{n-1}{2}\int_0^\infty x^{n-2}e^{-x^2}\,dx =\boxed{\frac{n-1}{2}I_{n-2}(1)}.

問5

問4を繰り返し、I1(1)=1/2I_1(1)=1/2 を用いると

I2n+1(1)=nI2n1(1)==n!I1(1)=n!2.I_{2n+1}(1)=nI_{2n-1}(1)=\cdots=n!I_1(1)=\boxed{\frac{n!}{2}}.