Question Number 141719 by qaz last updated on 22/May/21
$$\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \frac{{e}^{−{x}^{\mathrm{2}} } }{\left({x}^{\mathrm{2}} +\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\right)^{\mathrm{2}} }{dx}=? \\ $$
Answered by MJS_new last updated on 23/May/21
$$\int\frac{\mathrm{e}^{−{x}^{\mathrm{2}} } }{\left({x}^{\mathrm{2}} +\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\right)^{\mathrm{2}} }{dx}=\mathrm{2}\int\mathrm{e}^{−{x}^{\mathrm{2}} } −\mathrm{2}\int\frac{\left(\mathrm{4}{x}^{\mathrm{4}} +\mathrm{4}{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}\right)\mathrm{e}^{−{x}^{\mathrm{2}} } }{\left(\mathrm{2}{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }{dx} \\ $$$$\mathrm{2}\int\mathrm{e}^{−{x}^{\mathrm{2}} } {dx}=\sqrt{\pi}\mathrm{erf}\:{x} \\ $$$$\mathrm{I}\:\mathrm{tried}\:\mathrm{this}\:\mathrm{with}\:{f}\left({x}\right)\:\mathrm{being}\:\mathrm{a}\:\mathrm{polynome} \\ $$$$\int\frac{\left(\mathrm{4}{x}^{\mathrm{4}} +\mathrm{4}{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}\right)\mathrm{e}^{−{x}^{\mathrm{2}} } }{\left(\mathrm{2}{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }{dx}=\frac{{f}\left({x}\right)\mathrm{e}^{−{x}^{\mathrm{2}} } }{\mathrm{2}{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}} \\ $$$$\frac{{d}}{{dx}}\left[\frac{{f}\left({x}\right)\mathrm{e}^{−{x}^{\mathrm{2}} } }{\mathrm{2}{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\right]=\frac{\left(\mathrm{2}{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right){f}\:'\left({x}\right)−\mathrm{2}{x}\left(\mathrm{2}{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{3}\right){f}\left({x}\right)}{\left(\mathrm{2}{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\mathrm{e}^{−{x}^{\mathrm{2}} } \\ $$$$\Rightarrow \\ $$$$\left(\mathrm{2}{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right){f}\:'\left({x}\right)−\mathrm{2}{x}\left(\mathrm{2}{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{3}\right){f}\left({x}\right)=\mathrm{4}{x}^{\mathrm{4}} +\mathrm{4}{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1} \\ $$$$\mathrm{good}\:\mathrm{luck}! \\ $$$${f}\left({x}\right)=−{x} \\ $$$$\Rightarrow \\ $$$$\int\frac{\left(\mathrm{4}{x}^{\mathrm{4}} +\mathrm{4}{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}\right)\mathrm{e}^{−{x}^{\mathrm{2}} } }{\left(\mathrm{2}{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }{dx}=−\frac{{x}\mathrm{e}^{−{x}^{\mathrm{2}} } }{\mathrm{2}{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}} \\ $$$$\Rightarrow \\ $$$$\int\frac{\mathrm{e}^{−{x}^{\mathrm{2}} } }{\left({x}^{\mathrm{2}} +\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\right)^{\mathrm{2}} }{dx}=\sqrt{\pi}\mathrm{erf}\:{x}\:+\frac{\mathrm{2}{x}\mathrm{e}^{−{x}^{\mathrm{2}} } }{\mathrm{2}{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}+{C} \\ $$$$\Rightarrow\:\mathrm{answer}\:\mathrm{is}\:\sqrt{\pi} \\ $$
Commented by qaz last updated on 23/May/21
$${Congratulation}\:{Sir}\:. \\ $$$${You}\:{have}\:{passed}\:{the}\:{China}\:{Postgraduate}\:{Entrance}\:{Examination}. \\ $$
Commented by greg_ed last updated on 23/May/21
$$\mathrm{cool}\:! \\ $$
Answered by mathmax by abdo last updated on 23/May/21
$$\Psi=\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{e}^{−\mathrm{x}^{\mathrm{2}} } }{\left(\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\right)^{\mathrm{2}} }\mathrm{dx}\:=\Phi\left(\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}\right)\:\mathrm{with}\:\Phi\left(\mathrm{a}\right)=\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\frac{\mathrm{e}^{−\mathrm{x}^{\mathrm{2}} } }{\left(\mathrm{x}^{\mathrm{2}\:} +\mathrm{a}^{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{2}} }\mathrm{dx}\:\:\left(\mathrm{a}>\mathrm{0}\right) \\ $$$$\Phi\left(\mathrm{a}\right)=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\int_{−\infty} ^{+\infty} \:\frac{\mathrm{e}^{−\mathrm{x}^{\mathrm{2}} } }{\left(\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{a}^{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{2}} }\mathrm{dx}\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\left(\mathrm{2i}\pi\right)\mathrm{Res}\left(\mathrm{f}\:\:,\mathrm{ai}\right)\:=\mathrm{i}\pi\mathrm{Res}\left(\mathrm{f},\mathrm{ai}\right) \\ $$$$\mathrm{f}\left(\mathrm{z}\right)=\frac{\mathrm{e}^{−\mathrm{z}^{\mathrm{2}} } }{\left(\mathrm{z}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{a}^{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{2}} }\:\Rightarrow\mathrm{f}\left(\mathrm{z}\right)=\frac{\mathrm{e}^{−\mathrm{z}^{\mathrm{2}} } }{\left(\mathrm{z}−\mathrm{ia}\right)^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{z}+\mathrm{ia}\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$$\mathrm{Res}\left(\mathrm{f},\mathrm{ai}\right)\:=\mathrm{lim}_{\mathrm{z}\rightarrow\mathrm{ai}} \:\:\:\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{2}−\mathrm{1}\right)!}\left\{\:\frac{\mathrm{e}^{−\mathrm{z}^{\mathrm{2}} } }{\left(\mathrm{z}+\mathrm{ia}\right)^{\mathrm{2}} }\right\}^{\left(\mathrm{1}\right)} \\ $$$$=\mathrm{lim}_{\mathrm{z}\rightarrow\mathrm{ai}} \:\frac{−\mathrm{2ze}^{−\mathrm{z}^{\mathrm{2}} } \left(\mathrm{z}+\mathrm{ia}\right)^{\mathrm{2}} −\mathrm{2}\left(\mathrm{z}+\mathrm{ia}\right)\mathrm{e}^{−\mathrm{z}^{\mathrm{2}} } }{\left(\mathrm{z}+\mathrm{ia}\right)^{\mathrm{4}} } \\ $$$$=\mathrm{lim}_{\mathrm{z}\rightarrow\mathrm{ai}} \:\:\:\:\:\frac{\left(−\mathrm{2z}\:\left(\mathrm{z}+\mathrm{ia}\right)−\mathrm{2}\right)\mathrm{e}^{−\mathrm{z}^{\mathrm{2}} } }{\left(\mathrm{z}+\mathrm{ia}\right)^{\mathrm{3}} } \\ $$$$=−\mathrm{2lim}_{\mathrm{z}\rightarrow\mathrm{ia}} \:\:\:\frac{\left(\mathrm{z}^{\mathrm{2}} +\mathrm{iaz}\:+\mathrm{1}\right)\mathrm{e}^{−\mathrm{z}^{\mathrm{2}} } }{\left(\mathrm{z}+\mathrm{ia}\right)^{\mathrm{3}} } \\ $$$$=−\mathrm{2}\:\frac{\left(−\mathrm{a}^{\mathrm{2}} −\mathrm{a}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}\right)\mathrm{e}^{\mathrm{a}^{\mathrm{2}} } }{\left(\mathrm{2ia}\right)^{\mathrm{3}} }\:=−\mathrm{2}\:\frac{\left(\mathrm{1}−\mathrm{2a}^{\mathrm{2}} \right)\mathrm{e}^{\mathrm{a}^{\mathrm{2}} } }{−\mathrm{8i}\:\mathrm{a}^{\mathrm{3}} } \\ $$$$=\frac{\left(\mathrm{1}−\mathrm{2a}^{\mathrm{2}} \right)\mathrm{e}^{\mathrm{a}^{\mathrm{2}} } }{\mathrm{4ia}^{\mathrm{3}} }\:\Rightarrow\Phi\left(\mathrm{a}\right)=\mathrm{i}\pi.\frac{\left(\mathrm{1}−\mathrm{2a}^{\mathrm{2}} \right)\mathrm{e}^{\mathrm{a}^{\mathrm{2}} } }{\mathrm{4ia}^{\mathrm{3}} }=\frac{\pi}{\mathrm{4a}^{\mathrm{3}} }\left(\mathrm{1}−\mathrm{2a}^{\mathrm{2}} \right)\mathrm{e}^{\mathrm{a}^{\mathrm{2}} } \\ $$$$\Rightarrow\Phi\left(\frac{\mathrm{1}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}\right)=\mathrm{0}\:=\Psi…!! \\ $$