e的x的2次方的积分是什么

怎么计算e的x的2次方的不定积分

在学习高等数学时,我曾产生了这个问题。经过搜索引擎搜索,我发现很难找到该问题的正确答案,回答者多半当作定积分来计算了,其他的使用分部积分法,然后上传了一个错误地答案。
首先使用分部积分法是没有可能计算出结果的,其结果如下:
∫ e x 2   d x = x e x − ∫ x   d e x 2 = x e x − ∫ e x 2 ⋅ 2 x   d x \int e^{x^2}\,\mathrm{d}x =xe^x-\int x\,\mathrm{d}{e^{x^2}} =xe^x-\int e^{x^2}\cdot 2x\,\mathrm{d}x ex2dx=xexxdex2=xexex22xdx
这之后就没有办法往下算了,错者多半是将 2 x 2x 2x抄掉了。

那么是不是该函数不存在原函数呢?
根据原函数存在定理,不难发现 e x 2 e^{x^2} ex2 在全区间上都是连续函数,因此它的原函数的一定是存在的。

但是,有原函数并不代表它能够用基本初等函数形式来表达

故我们可以考虑,使用泰勒公式在0点处将 e x 2 e^{x^2} ex2进行展开,计算其收敛域,在它的收敛域上计算不定积分。
①将 e x 2 e^{x^2} ex2展开为幂级数。
e x 2 = 1 + x 2 + x 4 2 ! + x 6 3 ! + ⋯   + x 2 n n !   + ⋯ = ∑ n = 0 ∞ x 2 n n ! e^{x^2}=1+x^2+\frac{x^4}{2!}+\frac{x^6}{3!}+\cdots\,+\frac{x^{2n}}{n!}\,+\cdots =\sum_{n=0}^\infty\frac{x^{2n}}{n!} ex2=1+x2+2!x4+3!x6++n!x2n+=n=0n!x2n
②根据幂级数的收敛域求法:
lim ⁡ n → ∞ ∣ a n + 1 a n ∣ = ρ \lim_{n\to\infty}\left\vert \frac{a_{n+1}}{a_n} \right\vert=\rho limn anan+1 =ρ ,则 ∑ n = 0 ∞ a n x n \sum_{n=0}^\infty a_nx^n n=0anxn 的收敛半径 R R R 的表达式为
R = { 1 ρ , ρ ≠ 0 + ∞ , ρ = 0 0 , ρ = + ∞ R=\begin{cases} \frac{1}{\rho},&\rho\ne0\\ +\infty,&\rho=0\\ 0,&\rho=+\infty \end{cases} R= ρ1,+,0,ρ=0ρ=0ρ=+
求①中所得幂级数的收敛半径R:
ρ = lim ⁡ n → ∞ ∣ 1 ( n + 1 ) ! 1 n ! ∣ = lim ⁡ n → ∞ 1 n + 1 = 0   ⇒ R = + ∞ \rho=\lim_{n\to\infty}\left\vert \frac{\frac{1}{(n+1)!}}{\frac{1}{n!}} \right\vert =\lim_{n\to\infty}\frac{1}{n+1}=0\, \Rightarrow R=+\infty ρ=nlim n!1(n+1)!1 =nlimn+11=0R=+
则①中幂级数的收敛域为 I = ( − ∞ , + ∞ ) I=(-\infty,+\infty) I=(,+)

③根据幂级数求和函数的性质:
幂级数 ∑ n = 0 ∞ a n x n \sum_{n=0}^\infty a_nx^n n=0anxn 的和函数 S ( x ) S(x) S(x) 在其收敛域 I I I 上可积,且有逐项积分公式
∫ 0 x S ( t )   d t = ∫ 0 x ∑ n = 0 ∞ a n t n   d t = ∑ n = 0 ∞ a n ∫ 0 x t n   d t = ∑ n = 0 ∞ a n n + 1 x n + 1   (   x ∈ I ) \int_0^xS(t)\,\mathrm{d}t=\int_0^x\sum_{n=0}^\infty a_nt^n\,\mathrm{d}t=\sum_{n=0}^\infty a_n\int_0^xt^n\,\mathrm{d}t=\sum_{n=0}^\infty \frac{a_n}{n+1}x^{n+1}\,(\,x\in I) 0xS(t)dt=0xn=0antndt=n=0an0xtndt=n=0n+1anxn+1(xI)
新的幂级数 ∑ n = 0 ∞ a n n + 1 x n + 1 \sum_{n=0}^\infty \frac{a_n}{n+1}x^{n+1} n=0n+1anxn+1收敛域半径与原级数相同。

因此 e x 2 e^{x^2} ex2的不定积分终于可以计算了:
∫ e x 2   d x = ∫ a x e t 2 d t = ∫ a 0 e t 2 d t   + ∫ 0 x e t 2 d t = ∫ a 0 e t 2 d t   + ∫ 0 x ∑ n = 0 ∞ t 2 n n !   d t = ∑ n = 0 ∞ x 2 n + 1 ( 2 n + 1 )   n !   + C ,      x ∈ ( − ∞ , + ∞ ) \begin{aligned} \int e^{x^2}\,\mathrm{d}x &= \int_a^xe^{t^2}\mathrm{d}t\\&=\int_a^0e^{t^2}\mathrm{d}t\,+\int_0^xe^{t^2}\mathrm{d}t\\&=\int_a^0e^{t^2}\mathrm{d}t\,+\int_0^x\sum_{n=0}^\infty \frac{t^{2n}}{n!}\,\mathrm{d}t\\&=\sum_{n=0}^\infty \frac{x^{2n+1}}{(2n+1)\,n!}\,+C,\,\,\,\,x\in (-\infty,+\infty) \end{aligned} ex2dx=axet2dt=a0et2dt+0xet2dt=a0et2dt+0xn=0n!t2ndt=n=0(2n+1)n!x2n+1+C,x(,+)
希望对读者有所帮助

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