∫ − ∞ + ∞ ∫ − ∞ + ∞ ∫ − ∞ + ∞ e − x 2 − y 2 − z 2 d x d y d z
The above multiple integral can be expressed in form of π b a where a and b are coprime positive integers. Then find a + b .
This section requires Javascript.
You are seeing this because something didn't load right. We suggest you, (a) try
refreshing the page, (b) enabling javascript if it is disabled on your browser and,
finally, (c)
loading the
non-javascript version of this page
. We're sorry about the hassle.
Using polar coordinates:
⎩ ⎪ ⎪ ⎨ ⎪ ⎪ ⎧ x = r ⋅ cos ( θ ) ⋅ sin ( ϕ ) y = r ⋅ sin ( θ ) ⋅ sin ( ϕ ) z = r ⋅ cos ( ϕ )
0 < r < ∞ , 0 < θ < 2 π , − π < ϕ < π
∣ J ∣ = r 2 ⋅ sin ( ϕ )
The integral becomes:
∫ 0 2 π ∫ 0 π ∫ 0 ∞ r 2 sin ( ϕ ) e − r 2 d r d ϕ d θ
= ∫ 0 2 π d θ ∫ 0 π sin ( ϕ ) d ϕ ∫ 0 ∞ r 2 e − r 2 d r
= 4 π ∫ 0 ∞ r 2 e − r 2 d r
Now, let us define:
I ( k ) = ∫ 0 ∞ e − k m 2 d m
I ( k ) = 2 1 ∫ − ∞ ∞ e − k m 2 d m
I ( k ) 2 = 4 1 ∫ − ∞ ∞ ∫ − ∞ ∞ e − k ⋅ ( m 2 + n 2 ) d m d n
Using polar coordinates, m = ρ cos ( α ) , n = ρ sin ( α ) , ∣ J ∣ = ρ :
I ( k ) 2 = 4 1 ∫ 0 2 π ∫ 0 ∞ ρ e − k ρ 2 d ρ d α
I ( k ) 2 = 4 1 ∫ 0 2 π d α ∫ 0 ∞ ρ e − k ρ 2 d ρ
I ( k ) 2 = 4 1 2 π ⋅ 2 k 1 e − k ρ 2 ∣ ∣ ∣ ∣ ∣ ∞ 0
I ( k ) 2 = 4 k π
I ( k ) = 4 k π
∫ 0 ∞ e − k m 2 d m = 2 1 k π
Differentiating with respect to k in both sides:
− ∫ 0 ∞ m 2 e − k m 2 d m = − 4 1 k 3 π
∫ 0 ∞ m 2 e − k m 2 d m = 4 1 k 3 π
Making k = 1 :
∫ 0 ∞ m 2 e − m 2 d m = 4 1 π
Going back to our original integral:
= 4 π ∫ 0 ∞ r 2 e − r 2 d r
= 4 π ⋅ 4 1 π
= π 2 3
So:
a = 3 , b = 2 , a + b = 5
∫ − ∞ + ∞ ∫ − ∞ + ∞ ∫ − ∞ + ∞ e − x 2 − y 2 − z 2 d x d y d z = π 2 3 = π b a ⇒ a = 3 , b = 2 ⇒ a + b = 3 + 2 = 5
Problem Loading...
Note Loading...
Set Loading...
∫ − ∞ ∞ e − t 2 d t = 2 ∫ 0 ∞ e − t 2 d t ....(Even function)
Put x 2 = z = > 2 x d x = d z .Substituting this into integral 2 ∫ 0 ∞ e − z . 1 / 2 . z d z = Γ ( 1 / 2 ) = π
Now come to main integral ∫ − ∞ ∞ e − x 2 d x × ∫ − ∞ ∞ e − y 2 d x × ∫ − ∞ ∞ e − z 2 d x = ( π ) 3 = π 3 / 2