$$$e^{- a x^{2}}$$$ の $$$x$$$ に関する積分

$$$\int e^{- a x^{2}}\, dx$$$ を求めよ。

$$$u=\sqrt{a} x$$$ とする。

すると $$$du=\left(\sqrt{a} x\right)^{\prime }dx = \sqrt{a} dx$$$（手順は»で確認できます）、$$$dx = \frac{du}{\sqrt{a}}$$$ となります。

積分は次のようになります

$${\color{red}{\int{e^{- a x^{2}} d x}}} = {\color{red}{\int{\frac{e^{- u^{2}}}{\sqrt{a}} d u}}}$$

定数倍の法則 $$$\int c f{\left(u \right)}\, du = c \int f{\left(u \right)}\, du$$$ を、$$$c=\frac{1}{\sqrt{a}}$$$ と $$$f{\left(u \right)} = e^{- u^{2}}$$$ に対して適用する:

$${\color{red}{\int{\frac{e^{- u^{2}}}{\sqrt{a}} d u}}} = {\color{red}{\frac{\int{e^{- u^{2}} d u}}{\sqrt{a}}}}$$

この積分（誤差関数）には閉形式はありません:

$$\frac{{\color{red}{\int{e^{- u^{2}} d u}}}}{\sqrt{a}} = \frac{{\color{red}{\left(\frac{\sqrt{\pi} \operatorname{erf}{\left(u \right)}}{2}\right)}}}{\sqrt{a}}$$

次のことを思い出してください $$$u=\sqrt{a} x$$$:

$$\frac{\sqrt{\pi} \operatorname{erf}{\left({\color{red}{u}} \right)}}{2 \sqrt{a}} = \frac{\sqrt{\pi} \operatorname{erf}{\left({\color{red}{\sqrt{a} x}} \right)}}{2 \sqrt{a}}$$

したがって、

$$\int{e^{- a x^{2}} d x} = \frac{\sqrt{\pi} \operatorname{erf}{\left(\sqrt{a} x \right)}}{2 \sqrt{a}}$$

積分定数を加える:

$$\int{e^{- a x^{2}} d x} = \frac{\sqrt{\pi} \operatorname{erf}{\left(\sqrt{a} x \right)}}{2 \sqrt{a}}+C$$

$$$\int e^{- a x^{2}}\, dx = \frac{\sqrt{\pi} \operatorname{erf}{\left(\sqrt{a} x \right)}}{2 \sqrt{a}} + C$$$A