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 n と正の実数 a に対し、次の積分を考える。ここで e は自然対数の底である。
In(a)=∫0∞xne−ax2dx.
- I1(a) を求めよ。
- 次式が成り立つことを示せ。
I0(a)2=∫0∞∫0∞e−a(x2+y2)dxdy=4aπ.
- 次の積分を求めよ。問2の関係を用いてもよい。
(1) ∫0∞x2e−ax2dx,(2) ∫0∞xe−xdx,
(3) ∫01loge(1/x)dx,(4) ∫−∞∞e−4x2+3xdx.
- n≥2 に対して In(1)=2n−1In−2(1) が成り立つことを示せ。
- I2n+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 n 和正实数 a,定义下式,其中 e 为自然对数的底:
In(a)=∫0∞xne−ax2dx.
- 求 I1(a)。
- 证明
I0(a)2=∫0∞∫0∞e−a(x2+y2)dxdy=4aπ.
- 计算下列积分,可以使用第2问的结果。
(1) ∫0∞x2e−ax2dx,(2) ∫0∞xe−xdx,
(3) ∫01loge(1/x)dx,(4) ∫−∞∞e−4x2+3xdx.
- 证明 n≥2 时,In(1)=2n−1In−2(1)。
- 求 I2n+1(1),可以使用第4问的结果。
Kai
I1(a)=[−2ae−ax2]0∞=2a1.
x=rcosθ, y=rsinθ とおくと、ヤコビアンは r であるから
I0(a)2=∫0∞∫0∞e−a(x2+y2)dxdy=∫0π/2∫0∞e−ar2rdrdθ=4aπ.
I0(a)>0 より
I0(a)=2aπ.
(1) 部分積分により
∫0∞x2e−ax2dx=[−2axe−ax2]0∞+2a1I0(a)=4a3/2π.
(2) x=t2 とおくと
∫0∞xe−xdx=2∫0∞t2e−t2dt=2π.
(3) t=log(1/x) とおくと、x=e−t より
∫01log(1/x)dx=∫0∞te−tdt=2π.
(4) −4x2+3x=−4(x−3/8)2+9/16 より
∫−∞∞e−4x2+3xdx=e9/16∫−∞∞e−4(x−3/8)2dx=2πe9/16.
n≥2 に対し、部分積分すると
In(1)=[−21xn−1e−x2]0∞+2n−1∫0∞xn−2e−x2dx=2n−1In−2(1).
問4を繰り返し、I1(1)=1/2 を用いると
I2n+1(1)=nI2n−1(1)=⋯=n!I1(1)=2n!.