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Cómo calcular esta integral impropia $\int_0^{+\infty} e^{-(ax+\frac{b}{x})^2}\mathrm{d}x$ ?

Cómo calcular esta integral impropia $$ \int_{0}^{\infty}{\rm e}^{-\left(ax\ +\ b/x\right)^2}\,{\rm d}x\ {\large ?} $$

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9voto

psychotik Puntos 171

Tenga en cuenta que

$$ \int_{0}^{\infty} e^{-\left( ax + \frac{b}{x} \right)^{2}} \, dx = e^{-4ab} \int_{0}^{\infty} e^{-\left( ax - \frac{b}{x} \right)^{2}} \, dx. $$

Esto demuestra que basta con considerar la integral del lado derecho. Asociado a esto consideramos una situación más general. Supongamos $a > 0, b > 0$ y $f$ es un integrable incluso función. Con la sustitución

$$ x = \frac{b}{at} \quad \Longrightarrow \quad dx = -\frac{b}{at^2} \, dt, $$

obtenemos

$$ \int_{0}^{\infty} f\left( ax - \frac{b}{x} \right) \, dx = \int_{0}^{\infty} \frac{b}{at^2} f\left( at - \frac{b}{t} \right) \, dt. $$

Así, si denotamos este valor común por $I$ entonces

\begin{align*} 2aI = \int_{0}^{\infty} \left( a + \frac{b}{x^2} \right) f\left( ax - \frac{b}{x} \right) \, dx = \int_{-\infty}^{\infty} f (u) \, du, \end{align*}

donde utilizamos la sustitución

$$ u = ax - \frac{b}{x}, \quad du = \left( a + \frac{b}{x^2} \right) \, dx. $$

Por lo tanto, obtenemos la siguiente identidad.

$$ \int_{0}^{\infty} f\left( ax - \frac{b}{x} \right) \, dx = \frac{1}{2a} \int_{-\infty}^{\infty} f (x) \, dx $$

Esto nos da

$$ \int_{0}^{\infty} e^{-\left( ax + \frac{b}{x} \right)^{2}} \, dx = \frac{\sqrt{\pi}}{2a} e^{-4ab}. $$

3voto

Felix Marin Puntos 32763

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