I n t e g r a l o f e − x 2 Integral \ of \ {e^{-x^2}} I n t e g r a l o f e − x 2
Firstly, set the integral to be equal to I
I = ∫ e − x 2 d x I = \int{e^{-x^2}dx} I = ∫ e − x 2 d x
Squaring both sides,
I 2 = ( ∫ e − x 2 d x ) 2 = ( ∫ e − x 2 d x ) ( ∫ e − x 2 d x ) I^2 = {(\int{e^{-x^2}dx})}^2 =(\int{e^{-x^2}dx})(\int{e^{-x^2}dx}) I 2 = ( ∫ e − x 2 d x ) 2 = ( ∫ e − x 2 d x ) ( ∫ e − x 2 d x )
Since x is just a dummy variable, we can write,
I 2 = ( ∫ e − x 2 d x ) ( ∫ e − y 2 d y ) I^2=(\int{e^{-x^2}dx})(\int{e^{-y^2}dy}) I 2 = ( ∫ e − x 2 d x ) ( ∫ e − y 2 d y )
Combining, we have,
I 2 = ∫ − ∞ ∞ ( ∫ − ∞ ∞ e − ( x 2 + y 2 ) d x ) d y I^2=\int^{\infin}_{-\infin}(\int^{\infin}_{-\infin}{e^{-(x^2+y^2)} \ dx)dy} I 2 = ∫ − ∞ ∞ ( ∫ − ∞ ∞ e − ( x 2 + y 2 ) d x ) d y
I 2 = ∫ − ∞ ∞ ∫ − ∞ ∞ e − ( x 2 + y 2 ) d x d y I^2=\int^{\infin}_{-\infin}\int^{\infin}_{-\infin}{e^{-(x^2+y^2)} \ dxdy} I 2 = ∫ − ∞ ∞ ∫ − ∞ ∞ e − ( x 2 + y 2 ) d x d y
Converting from Cartesian Coordinates (x,y) to Polar Coordinates (r,θ)
( r 2 = x 2 + y 2 ) (r^2 =x^2 + y^2) ( r 2 = x 2 + y 2 )
( ( ( d x d y = d A = r d r d θ ) dxdy =dA = rdrd\,\theta) d x d y = d A = r d r d θ )
∴ I 2 = ∬ e − r 2 r d r d θ \therefore I^2 =\iint{e^{-r^2} rdrd\,\theta} ∴ I 2 = ∬ e − r 2 r d r d θ
I 2 = ∫ 0 2 π ( ∫ 0 ∞ e − r 2 r d r ) d θ I^2 =\int^{2\pi}_{0}(\int^{\infin}_{0}{e^{-r^2} r\,dr)d\,\theta} I 2 = ∫ 0 2 π ( ∫ 0 ∞ e − r 2 r d r ) d θ
I 2 = ∫ 0 2 π ( ∫ 0 ∞ r e − r 2 d r ) d θ I^2 =\int^{2\pi}_{0}(\int^{\infin}_{0}{re^{-r^2} dr)d\,\theta} I 2 = ∫ 0 2 π ( ∫ 0 ∞ r e − r 2 d r ) d θ
I 2 = 2 π ( ∫ 0 ∞ r e − r 2 d r ) I^2 =2\pi(\int^{\infin}_{0}{re^{-r^2}dr}) I 2 = 2 π ( ∫ 0 ∞ r e − r 2 d r )
I 2 = 2 π ∫ 0 ∞ r e − r 2 d r I^2 =2\pi\int^{\infin}_{0}{re^{-r^2} dr} I 2 = 2 π ∫ 0 ∞ r e − r 2 d r
Using u substitution,
u = r 2 u = r^2 u = r 2
d u d r = 2 r \dfrac{du}{dr} = 2r d r d u = 2 r
d u = 2 r d r du = 2r\,dr d u = 2 r d r
∴ I 2 = 2 π ∫ u = 0 ∞ r e − u d r \therefore I^2 =2\pi\int^{\infin}_{u =0}{re^{-u}dr} ∴ I 2 = 2 π ∫ u = 0 ∞ r e − u d r
Multiplying both sides of the equation by 2,
2 I 2 = 2 π ∫ u = 0 ∞ 2 r e − u d r 2I^2 =2\pi\int^{\infin}_{u =0}{2re^{-u}dr} 2 I 2 = 2 π ∫ u = 0 ∞ 2 r e − u d r
But du = 2rdr
∴ 2 I 2 = 2 π ∫ u = 0 ∞ e − u d u \therefore 2I^2 =2\pi\int^{\infin}_{u =0}{e^{-u}du} ∴ 2 I 2 = 2 π ∫ u = 0 ∞ e − u d u
2 I 2 = 2 π [ e 0 − e − ∞ ] 2I^2 =2\pi[e^{0}-e^{-\infin}] 2 I 2 = 2 π [ e 0 − e − ∞ ]
2 I 2 = 2 π ( 1 − 0 ) 2I^2 =2\pi(1-0) 2 I 2 = 2 π ( 1 − 0 )
2 I 2 = 2 π 2I^2 =2\pi 2 I 2 = 2 π
I 2 = π I^2 =\pi I 2 = π
I = π I =\sqrt\pi I = π
∴ T h e i n t e g r a l o f e − x 2 i s π \therefore \ The \ integral \ of \ e^{−x^2} \ is \ \sqrt{\pi} ∴ T h e in t e g r a l o f e − x 2 i s π
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