∫−∞∞e−x2dx 是一个比较常见的无穷积分,在许多领域有着重要应用。
在此介绍几种巧妙的解法,供读者欣赏。
1. 极坐标变换
(∫−∞∞e−x2dx)2∴∫−∞∞e−x2dx=∫−∞∞e−x2dx∫−∞∞e−y2dy=∫−∞∞∫−∞∞e−(x2+y2)dxdy(极坐标变换)=∫02π∫0∞e−r2rdrdθ=(∫02πdθ)(21∫0∞e−r2dr2)=2π21=π=π.
2. 几何做法(一)
S1S2S3={(x,y)∣x2+y2≤R2}={(x,y)∣0≤x≤R,0≤y≤R}={(x,y)∣x2+y2≤2R2} (∫0Re−x2dx)2=∫0Re−x2dx∫0Re−y2dy=∫0R∫0Re−(x2+y2)dxdy=∬S2e−(x2+y2)dxdy
∵e−(x2+y2)≥0∴∬S1e−(x2+y2)dxdy≤∬S2e−(x2+y2)dxdy≤∬S3e−(x2+y2)dxdy
∬S1e−(x2+y2)dxdy=∫0π/2∫0Re−r2rdrdθ=(∫0π/2dθ)(21∫0Re−r2dr2)=4π(1−e−R2)
同理∬S3e−(x2+y2)dxdy=4π(1−e−2R2).则4π(1−e−R2)≤∬S2e−(x2+y2)dxdy≤4π(1−e−2R2).两边取极限R→∞,则(∫0Re−x2dx)2=∬S2e−(x2+y2)dxdy=4π.所以,∫0∞e−x2dx=2π.
3. 几何做法(二)
考虑曲线z=e−x2绕z轴旋转一周生成的旋转体的体积,由高数知识
V=∫01πx2dz=π∫01(−lnz)dz=π(z−zlnz)∣∣∣01=π(1−z→0+lim(z−zlnz))=π
旋转体在几何上的表示如图所示,旋转生成的曲面方程为z=e−(x2+y2).旋转体的体积也可以理解为曲面z=e−(x2+y2)与xOy之间部分的体积,即
π=V=∬R2e−(x2+y2)dxdy=∫−∞∞e−x2dx∫−∞∞e−y2dy=(∫−∞∞e−x2dx)2则∫−∞∞e−x2dx=π.
4. 拉普拉斯变换
令f(t)=∫0∞e−x2tdx,对f(t)作拉普拉斯变换,令
F(s)=L[f(t)]=∫0∞L[e−x2t]tdx=∫0∞s+x21dx=s1∫0∞1+(sx)21d(sx)(letu=sx)=s1arctanu∣∣∣0∞=2πs−21
对F(s)作拉普拉斯反变换
f(t)=L−1[F(s)]=2πL−1[s−21+11]=2πΓ(−21+1)1t−21=2πΓ(21)1t−21
由余元公式:Γ(s)Γ(1−s)=sinπsπ.令s=21,则Γ(21)=π,则f(t)=2tπ,∫0∞e−x2dx=f(1)=2π.
5. 变量代换(一)
令t=x2,则dxdt=2x=2t,dx=2tdt.
∫0∞e−x2dx=∫0∞e−t2tdt=21∫0∞e−tt21−1dt=21Γ(21)
由上一种方法Γ(21)=π,则∫0∞e−x2dx=2π.
6. 变量代换(二)
记I=∫0∞e−x2dx,令x=ut,u>0为参数,则 Ie−u2I=u∫0∞e−u2t2dt=e−u2u∫0∞e−u2t2dt 两边对变量u积分,I∫0∞e−u2du=∫0∞(e−u2u∫0∞e−u2t2dt)du
右边交换积分次序,
I2=21∫0∞(∫0∞e−(1+t2)u2du)dt=21∫0∞1+t21dt=21arctant∣∣∣0∞=4π
所以I=2π.
7. 构造含参变量函数
记I=∫0∞e−x2dx.令f(x)=∫011+t2e−x(1+t2)dt,x≥0,则
f(0)=∫011+t21dt=arctant∣∣∣01=4πf(∞)=x→∞lim∫011+t2e−x(1+t2)dt=0
f′(x)=−∫01e−x(1+t2)dt=−e−x∫01e−xt2dt(let u=xt,dt=du/x)=−xe−x∫0xe−u2du
记g(x)=∫0xe−t2dt,则f′(x)=−xe−xg(x),g′(x)=e−x2,g(0)=0,g(∞)=I.
由牛顿-莱布尼兹公式,
f(∞)−f(0)=∫0∞f′(x)dx=−∫0∞xe−xg(x)dx(letu=x,du=2xdx)=−2∫0∞e−u2g(u)du=−2∫0∞g(u)g′(u)du=−2∫0∞g(u)d(g(u))=−∫0∞d(g(u)2)=g(0)2−g(∞)2
所以,0−4π=0−I2,I=2π.
8. Wallis 公式
Wallis 公式内容:
n→∞lim(2n)!!(2n−1)!!2n=π2 推导过程参见:Wallis公式_百度百科
∵n→∞lim(1+nx2)x2n∴n→∞lim(1+nx2)−n=e=e−x2
∫0∞e−x2dx=∫0∞n→∞lim(1+nx2)−ndx=n→∞lim∫0∞(1+nx2)−ndx
可以验证积分与极限次序是可交换的
令tant=nx,则dxdt=n1(1+nx2)−1,dx=n(1+nx2)dt.
原式=n→∞lim∫02πn(1+nx2)−n+1dt=n→∞lim∫02πn(1+(tant)2)−(n−1)dt=n→∞limn∫02π(cost)2n−2dt(∫02π(cost)2ndt=(2n)!!(2n−1)!!2π)=n→∞limn(2n−2)!!(2n−3)!!2π=2πn→∞lim(n−1)+1(2(n−1))!!(2(n−1)−1)!!(letn′=n−1)=2πn′→∞lim2n′n′+1(2n′)!!(2n′−1)!!2n′=22πn′→∞limn′n′+1n′→∞lim(2n′)!!(2n′−1)!!2n′=22π⋅1⋅π2=2π
所以∫0∞e−x2dx=2π.
如读者还有其他巧妙解法,请不吝赐教!