Question Number 63214 by mathmax by abdo last updated on 30/Jun/19 | ||
$${calculate}\:\:\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:{x}\:{e}^{−\frac{{x}^{\mathrm{2}} }{{a}^{\mathrm{2}} }} \:\:{sin}\left({bx}\right){dx}\:\:{with}\:\:{a}>\mathrm{0}\:{and}\:{b}>\mathrm{0} \\ $$ | ||
Commented bymathmax by abdo last updated on 01/Jul/19 | ||
$${let}\:{I}\:=\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\:{x}\:{e}^{−\frac{{x}^{\mathrm{2}} }{{a}^{\mathrm{2}} }} \:{s}\:{in}\left({bx}\right){dx}\:\Rightarrow\:\mathrm{2}{I}\:=\int_{−\infty} ^{+\infty} \:\:{x}\:{e}^{−\frac{{x}^{\mathrm{2}} }{{a}^{\mathrm{2}} }} \:{sin}\left({bx}\right){dx}\:\:{by}\:{parts} \\ $$ $${u}^{'} \:={x}\:{e}^{−\frac{{x}^{\mathrm{2}} }{{a}^{\mathrm{2}} }} \:\:\:{and}\:{v}\:={sin}\left({bx}\right)\:\Rightarrow \\ $$ $$\mathrm{2}{I}\:=\left[−\frac{{a}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{2}}\:{e}^{−\frac{{x}^{\mathrm{2}} }{{a}^{\mathrm{2}} }} \:{sin}\left({bx}\right)\right]_{−\infty} ^{+\infty} \:−\int_{−\infty} ^{+\infty} \:\:−\frac{{a}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{2}}\:{e}^{−\frac{{x}^{\mathrm{2}} }{{a}^{\mathrm{2}} }} \:{b}\:{cos}\left({bx}\right)\:{dx} \\ $$ $$=\frac{{a}^{\mathrm{2}} {b}}{\mathrm{2}}\:\int_{−\infty} ^{+\infty} \:\:{e}^{−\frac{{x}^{\mathrm{2}} }{{a}^{\mathrm{2}} }} \:{cos}\left({bx}\right){dx}\:\:\:{let}\:{determine}\:{A}_{\lambda} =\int_{−\infty} ^{+\infty} \:{e}^{−\lambda{x}^{\mathrm{2}} } {cos}\left({bx}\right){dx}\:{with}\:\lambda>\mathrm{0} \\ $$ $${A}_{\lambda} ={Re}\:\left(\int_{−\infty} ^{+\infty} \:{e}^{−\lambda{x}^{\mathrm{2}} +{ibx}} {dx}\right) \\ $$ $$\int_{−\infty} ^{+\infty} \:\:{e}^{−\lambda{x}^{\mathrm{2}} \:+{ibx}} {dx}\:=\int_{−\infty} ^{+\infty} \:\:{e}^{−\left\{\:\left(\sqrt{\lambda}{x}\right)^{\mathrm{2}} −\mathrm{2}\sqrt{\lambda}{x}\frac{{ib}}{\mathrm{2}\sqrt{\lambda}}\:\:−\frac{{b}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{4}\lambda}\:+\frac{{b}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{4}\lambda}\right\}} {dx} \\ $$ $$=\int_{−\infty} ^{+\infty} \:\:{e}^{−\left(\:\sqrt{\lambda}{x}\:+\frac{{ib}}{\mathrm{2}\sqrt{\lambda}}\right)^{\mathrm{2}} } \:{e}^{−\frac{{b}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{4}\lambda}} \:{dx}\:=_{\sqrt{\lambda}{x}\:+\frac{{ib}}{\mathrm{2}\sqrt{\upsilon}}={u}} \:\:\:\:\:{e}^{−\frac{{b}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{4}\lambda}} \int_{−\infty} ^{+\infty} \:{e}^{−{u}^{\mathrm{2}} } \frac{{du}}{\sqrt{\lambda}}\:=\frac{\sqrt{\pi}}{\sqrt{\lambda}}\:\Rightarrow\:{A}_{\lambda} =\frac{\sqrt{\pi}}{\sqrt{\lambda}}\:{e}^{−\frac{{b}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{4}\lambda}} \:\Rightarrow \\ $$ $$\mathrm{2}{I}\:=\frac{{a}^{\mathrm{2}} {b}}{\mathrm{2}}\:\frac{\sqrt{\pi}}{\sqrt{\lambda}}\:{e}^{−\frac{{b}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{4}\lambda}} \:\:\:\:\:\:\:\:{and}\:\lambda\:=\frac{\mathrm{1}}{{a}^{\mathrm{2}} }\:\Rightarrow \\ $$ $${I}\:=\frac{{a}^{\mathrm{2}} {b}}{\mathrm{4}}\:\frac{\sqrt{\pi}}{\frac{\mathrm{1}}{{a}}}\:{e}^{−\frac{{b}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{4}\frac{\mathrm{1}}{{a}^{\mathrm{2}} }}} =\frac{\sqrt{\pi}}{\mathrm{4}}\:{a}^{\mathrm{3}} {b}\:{e}^{−\frac{{a}^{\mathrm{2}} {b}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{4}}} \\ $$ $$ \\ $$ | ||