Question Number 66330 by mathmax by abdo last updated on 12/Aug/19
$${let}\:{I}_{{n}} =\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:{x}^{{n}} \:{e}^{−{x}} \:{dx}\:\:\:\:{with}\:{n}\:{integr}\:{natural} \\ $$$$\left.\mathrm{1}\right)\:{calculate}\:{I}_{\mathrm{0}} \:,\:{I}_{\mathrm{1}} \:{and}\:{I}_{\mathrm{2}} \\ $$$$\left.\mathrm{2}\right){find}\:{arelation}\:{between}\:{I}_{{n}} \:{and}\:{I}_{{n}} \\ $$$$\left.\mathrm{3}\right)\:{find}\:{I}_{{n}} \:{interms}\:{of}\:{n}. \\ $$
Commented by mathmax by abdo last updated on 18/Aug/19
$$\left.\mathrm{1}\right){I}_{{n}} =\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:{x}^{{n}} \:{e}^{−{x}} \:{dx}\:\Rightarrow{I}_{\mathrm{0}} =\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:{e}^{−{x}} {dx}\:=\left[−{e}^{−{x}} \right]_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} =\mathrm{1}−{e}^{−\mathrm{1}} \\ $$$${I}_{\mathrm{1}} =\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:{x}\:{e}^{−{x}} {dx}\:=_{{by}\:{parts}} \left[−{xe}^{−{x}} \right]_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:+\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} {e}^{−{x}} {dx}=−{e}^{−\mathrm{1}} +\:\mathrm{1}−{e}^{−\mathrm{1}} \\ $$$$=\mathrm{1}−\mathrm{2}{e}^{−\mathrm{1}} \\ $$$${I}_{\mathrm{2}} =\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:{x}^{\mathrm{2}} \:{e}^{−{x}} {dx}\:=_{{by}\:{psrts}} \:\:\left[−{x}^{\mathrm{2}} {e}^{−{x}} \right]_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:+\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \mathrm{2}{x}\:{e}^{−{x}} {dx} \\ $$$$=−{e}^{−\mathrm{1}} \:+\mathrm{2}\left(\mathrm{1}−\mathrm{2}{e}^{−\mathrm{1}} \right)\:=\mathrm{2}−\mathrm{3}{e}^{−\mathrm{1}} \: \\ $$$$\left.\mathrm{2}\right)\:{by}\:{parts}\:{u}\:={x}^{{n}} \:{and}\:{v}^{'} \:={e}^{−{x}} \:\Rightarrow{I}_{{n}} =\left[−{x}^{{n}} \:{e}^{−{x}} \right]_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} +\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} {nx}^{{n}−\mathrm{1}} \:{e}^{−{x}} {dx} \\ $$$$=−{e}^{−\mathrm{1}} \:+{n}\int_{\mathrm{0}} ^{\mathrm{1}} \:{x}^{{n}−\mathrm{1}} \:{e}^{−{x}} {dx}\:={n}\:{I}_{{n}−\mathrm{1}} −\frac{\mathrm{1}}{{e}}\:\Rightarrow{I}_{{n}} ={nI}_{{n}−\mathrm{1}} −\frac{\mathrm{1}}{{e}} \\ $$$$\left.\mathrm{3}\right){let}\:{V}_{{n}} =\frac{{I}_{{n}} }{{n}!}\:\:{we}\:{have}\:{V}_{{n}+\mathrm{1}} −{V}_{{n}} =\frac{{I}_{{n}+\mathrm{1}} }{\left({n}+\mathrm{1}\right)!}−\frac{{I}_{{n}} }{{n}!} \\ $$$$=\frac{\left({n}+\mathrm{1}\right){I}_{{n}} −\frac{\mathrm{1}}{{e}}}{\left({n}+\mathrm{1}\right)!}\:−\frac{{I}_{{n}} }{{n}!}\:=\frac{{I}_{{n}} }{{n}!}−\frac{\mathrm{1}}{{e}\left({n}+\mathrm{1}\right)!}−\frac{{I}_{{n}} }{{n}!}\:=−\frac{\mathrm{1}}{{e}\left({n}+\mathrm{1}\right)!}\:\Rightarrow \\ $$$$\sum_{{k}=\mathrm{0}} ^{{n}−\mathrm{1}} \left({V}_{{k}+\mathrm{1}} −{V}_{{k}} \right)\:=−\frac{\mathrm{1}}{{e}}\sum_{{k}=\mathrm{0}} ^{{n}−\mathrm{1}} \:\frac{\mathrm{1}}{\left({k}+\mathrm{1}\right)!}\:=−\frac{\mathrm{1}}{{e}}\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \:\frac{\mathrm{1}}{{k}!}\:\Rightarrow \\ $$$${V}_{{n}} −{V}_{\mathrm{0}} =−\frac{\mathrm{1}}{{e}}\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \:\frac{\mathrm{1}}{{k}!}\:\:{but}\:{V}_{\mathrm{0}} ={I}_{\mathrm{0}} =\mathrm{1}−\frac{\mathrm{1}}{{e}}\:\Rightarrow \\ $$$${V}_{{n}} =−\frac{\mathrm{1}}{{e}}\left(\sum_{{k}=\mathrm{1}} ^{{n}} \:\frac{\mathrm{1}}{{k}!}+\mathrm{1}\right)+\mathrm{1}\:=\mathrm{1}−\frac{\mathrm{1}}{{e}}\sum_{{k}=\mathrm{0}} ^{{n}} \:\frac{\mathrm{1}}{{k}!}\:\Rightarrow \\ $$$${I}_{{n}} ={n}!\left\{\mathrm{1}−\frac{\mathrm{1}}{{e}}\sum_{{k}=\mathrm{0}} ^{{n}} \:\frac{\mathrm{1}}{{k}!}\right\}\:\:\left({n}\geqslant\mathrm{1}\right) \\ $$