曲线 =(x)^4(e)^-(x^2)(xgeqslant 0) 与x轴围成的区域面积为 __

题目解答
答案

解析
考查要点:本题主要考查定积分的计算,特别是涉及幂函数与指数函数乘积的积分,需要掌握分部积分法或伽马函数的应用。
解题核心思路:
曲线与x轴围成的面积即为函数在定义域上的定积分。由于函数形式为$x^4 e^{-x^2}$,直接积分较复杂,需通过分部积分法逐步降幂,或利用伽马函数的性质快速求解。
破题关键点:
- 确定积分区间:由$x \geq 0$且函数在$x \to \infty$时趋近于0,积分区间为$[0, +\infty)$。
- 选择合适方法:分部积分法或伽马函数均可简化计算,需熟练掌握其应用条件。
步骤1:写出面积表达式
面积$S = \int_{0}^{+\infty} x^4 e^{-x^2} \, dx$。
步骤2:应用分部积分法
设$u = x^3$,$dv = x e^{-x^2} dx$,则$du = 3x^2 dx$,$v = -\frac{1}{2} e^{-x^2}$。
分部积分公式:
$\int u \, dv = uv - \int v \, du$
代入得:
$\begin{aligned}\int x^4 e^{-x^2} dx &= -\frac{x^3 e^{-x^2}}{2} + \frac{3}{2} \int x^2 e^{-x^2} dx.\end{aligned}$
步骤3:计算剩余积分
已知$\int_{0}^{+\infty} x^2 e^{-x^2} dx = \frac{\sqrt{\pi}}{4}$(可通过伽马函数或分部积分推导),代入得:
$S = \left[ -\frac{x^3 e^{-x^2}}{2} \right]_{0}^{+\infty} + \frac{3}{2} \cdot \frac{\sqrt{\pi}}{4}.$
步骤4:计算边界项
当$x \to +\infty$时,$x^3 e^{-x^2} \to 0$;当$x=0$时,项为0。因此边界项为0,最终结果为:
$S = \frac{3}{8} \sqrt{\pi}.$