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Aufgabe:

Ich bräuchte hilfe um auf das Ergebnis dieses integrals zu kommen

\( \int \limits_{0}^{\infty} x^{n} \mathrm{e}^{-\lambda x} \mathrm{~d} x \)

Aufgrund des n denke ich, dass ich irgendwie substituieren muss, da die partielle integration ja nicht n male durchgeführt werden kann, oder? (n ist nicht bekannt)

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Aloha :)

Wir setzen:$$I(n)\coloneqq\int\limits_0^\infty x^ne^{-\lambda x}dx\quad;\quad\lambda>0$$und führen eine partielle Integration durch:$$I(n)=\int\limits_0^\infty \underbrace{x^n}_{=u}\cdot\underbrace{e^{-\lambda x}}_{=v'}dx=\left.\underbrace{x^n}_{=u}\cdot\underbrace{\frac{e^{-\lambda x}}{-\lambda}}_{=v}\right|_{x=0}^\infty-\int\limits_0^\infty\underbrace{nx^{n-1}}_{=u'}\cdot\underbrace{\frac{e^{-\lambda x}}{-\lambda}}_{=v}\,dx$$Wenn \(\lambda>0\) ist, verschwindet der erste Term auf der rechten Seite:$$\lim\limits_{x\to\infty}\left(x^n\cdot\frac{e^{-\lambda x}}{-\lambda}\right)=-\frac{1}{\lambda}\lim\limits_{x\to\infty}\left(\frac{x^n}{e^{\lambda x}}\right)=0\quad;\quad 0^n\cdot\frac{e^{-\lambda\cdot0}}{-\lambda}=0$$Wenn \(\lambda<0\) ist, konvergiert der erste Term nicht, sodass das Integral nicht existiert. Damit haben wir:$$I(n)=\frac{n}{\lambda}\int\limits_0^\infty x^{n-1}\,e^{-\lambda x}dx=\frac{n}{\lambda}\cdot I(n-1)$$

Das sieht schon fast wie eine Rekursionsformel aus. Es muss uns nur noch gelingen, einen Startwert zu finden. Versuch macht klug, deswegen probieren wir diesen für \(n=0\) zu berechnen:$$I(0)=\int\limits_0^\infty x^0e^{-\lambda x}dx=\int\limits_0^\infty e^{-\lambda x}dx=\left[\frac{e^{-\lambda x}}{-\lambda}\right]_{x=0}^\infty\stackrel{(\lambda>0)}{=}\left(0-\left(-\frac{1}{\lambda}\right)\right)=\frac{1}{\lambda}$$

Damit haben wir folgende Rekursionsgleichung erhalten:$$I(n)=\frac{n}{\lambda}\cdot I(n-1)\quad;\quad I(0)=\frac{1}{\lambda}$$Diese lässt sich leicht auflösen:

$$I(n)=\frac{n}{\lambda}\,I(n-1)=\frac{n}{\lambda}\,\frac{n-1}{\lambda}\,I(n-2)=\frac{n}{\lambda}\,\frac{n-1}{\lambda}\,\frac{n-2}{\lambda}\,I(n-3)$$$$\phantom{I(n)}=\frac{n}{\lambda}\,\frac{n-1}{\lambda}\,\frac{n-2}{\lambda}\cdots\frac{1}{\lambda}\, I(0)=\frac{n!}{\lambda^n}\,I(0)=\frac{n!}{\lambda^n}\,\frac{1}{\lambda}=\frac{n!}{\lambda^{n+1}}$$Also haben wir:$$\boxed{I(n)=\frac{n!}{\lambda^{n+1}}}\quad;\quad n\in\mathbb N_0\quad;\quad\lambda>0$$

Avatar von 152 k 🚀
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da die partielle integration ja nicht n male durchgeführt werden kann


Doch. Letztendlich solltest du dafür einen allgemeinen Term erhalten.


Mit etwas Hilfestellung für n=8:

https://www.wolframalpha.com/input/?i=Integral%28x%5E8*exp%28-x*a%29%29

Avatar von 55 k 🚀

aber n ist nicht bekannt

Integriere dreimal partiell und ziehe Schlussfolgerungen, wie die Stammfunktionen bei weiteren Integrationen aussehen würden.

Lass die Grenzen noch außer acht, es geht nur um die Gestalt der Stammfunktionen.

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