习题2.3
第 1 题
计算下列积分.
(1) \(\int_{0}^{+\infty}\dfrac{e^{-ax^2}-e^{-bx^2}}{x}\text{d}{x}(a, b > 0)\);
(2) \(\int_{0}^{+\infty}xe^{-ax^2}\sin yx \text{d}{x}(a > 0)\);
(3) \(\int_{0}^{+\infty}\dfrac{\cos ax - \cos bx}{x^2}\text{d}{x}(a, b > 0)\)(提示: 将 \(\cos ax - \cos bx\) 写成积分的形式, 并且 \(\int_{0}^{+\infty}\dfrac{\sin x}{x} = \dfrac{\pi}{2}\)).
解
(1) 因为 \(\dfrac{e^{-ax^2}-e^{-bx^2}}{x} = x\int_a^be^{-x^2y}\text{d}{y}\), 故
(2)
(3) 由于 \(\cos ax - \cos bx = x\int_a^b\sin yx\text{d}{y}\), 故
第 2 题
利用对参变量的求导, 求下列积分.
(1) \(\int_{0}^{+\infty}e^{-tx^2}x^{2n}\text{d}{x}(t > 0)\)(提示: 利用 \(\int_{0}^{+\infty}e^{-x^2}\text{d}{x} = \dfrac{\sqrt{\pi}}{2}\));
(2) \(\int_{0}^{+\infty}\dfrac{\text{d}{x}}{(y + x^2)^{n+1}} = \dfrac{\pi(2n - 1)!!}{2(2n)!!}y^{-\left(n + \frac{1}{2}\right)}(y > 0)\)(提示: 利用 \(\int_{0}^{+\infty}\dfrac{\text{d}{x}}{y + x^2}\) 的值).
解
(1) 考虑 \(I(t) = \int_{0}^{+\infty}e^{-tx^2}\text{d}{x}\), 则其 \(n\) 阶导数为 \(I^{(n)}(t) = \int_{0}^{+\infty}e^{-tx^2}x^{2n}\text{d}{x}\) 即为所求. 注意到
因此有 \(\int_{0}^{+\infty}e^{-tx^2}x^{2n}\text{d}{x} = I^{(n)}(t) = \dfrac{\sqrt{\pi}}{2}\cdot\dfrac{(2n-1)!!}{2^n}(-1)^nt^{-\left(n+\frac{1}{2}\right)}\).
(2) 考虑 \(I(y) = \int_{0}^{+\infty}\dfrac{\text{d}{x}}{y + x^2}\), 则 \(\dfrac{(-1)^n}{n!}I^{(n)}(y) = \int_{0}^{+\infty}\dfrac{\text{d}{x}}{(y + x^2)^{n+1}}\) 即为所求. 由于
因此 \(I^{(n)}(y) = \dfrac{\pi}{2}\cdot\dfrac{(2n-1)!!}{2^n}(-1)^ny^{-\left(n + \frac{1}{2}\right)}\). 故 \(\int_{0}^{+\infty}\dfrac{\text{d}{x}}{(y + x^2)^{n+1}} = \dfrac{(-1)^n}{n!}I^{(n)}(y) = \dfrac{\pi(2n - 1)!!}{2(2n)!!}y^{-\left(n + \frac{1}{2}\right)}\).