Integralen av $$$x^{2} e^{- 2 x}$$$

Bestäm $$$\int x^{2} e^{- 2 x}\, dx$$$.

För integralen $$$\int{x^{2} e^{- 2 x} d x}$$$, använd partiell integration $$$\int \operatorname{u} \operatorname{dv} = \operatorname{u}\operatorname{v} - \int \operatorname{v} \operatorname{du}$$$.

Låt $$$\operatorname{u}=x^{2}$$$ och $$$\operatorname{dv}=e^{- 2 x} dx$$$.

Då gäller $$$\operatorname{du}=\left(x^{2}\right)^{\prime }dx=2 x dx$$$ (stegen kan ses ») och $$$\operatorname{v}=\int{e^{- 2 x} d x}=- \frac{e^{- 2 x}}{2}$$$ (stegen kan ses »).

Integralen blir

$${\color{red}{\int{x^{2} e^{- 2 x} d x}}}={\color{red}{\left(x^{2} \cdot \left(- \frac{e^{- 2 x}}{2}\right)-\int{\left(- \frac{e^{- 2 x}}{2}\right) \cdot 2 x d x}\right)}}={\color{red}{\left(- \frac{x^{2} e^{- 2 x}}{2} - \int{\left(- x e^{- 2 x}\right)d x}\right)}}$$

Tillämpa konstantfaktorregeln $$$\int c f{\left(x \right)}\, dx = c \int f{\left(x \right)}\, dx$$$ med $$$c=-1$$$ och $$$f{\left(x \right)} = x e^{- 2 x}$$$:

$$- \frac{x^{2} e^{- 2 x}}{2} - {\color{red}{\int{\left(- x e^{- 2 x}\right)d x}}} = - \frac{x^{2} e^{- 2 x}}{2} - {\color{red}{\left(- \int{x e^{- 2 x} d x}\right)}}$$

För integralen $$$\int{x e^{- 2 x} d x}$$$, använd partiell integration $$$\int \operatorname{u} \operatorname{dv} = \operatorname{u}\operatorname{v} - \int \operatorname{v} \operatorname{du}$$$.

Låt $$$\operatorname{u}=x$$$ och $$$\operatorname{dv}=e^{- 2 x} dx$$$.

Då gäller $$$\operatorname{du}=\left(x\right)^{\prime }dx=1 dx$$$ (stegen kan ses ») och $$$\operatorname{v}=\int{e^{- 2 x} d x}=- \frac{e^{- 2 x}}{2}$$$ (stegen kan ses »).

Integralen kan omskrivas som

$$- \frac{x^{2} e^{- 2 x}}{2} + {\color{red}{\int{x e^{- 2 x} d x}}}=- \frac{x^{2} e^{- 2 x}}{2} + {\color{red}{\left(x \cdot \left(- \frac{e^{- 2 x}}{2}\right)-\int{\left(- \frac{e^{- 2 x}}{2}\right) \cdot 1 d x}\right)}}=- \frac{x^{2} e^{- 2 x}}{2} + {\color{red}{\left(- \frac{x e^{- 2 x}}{2} - \int{\left(- \frac{e^{- 2 x}}{2}\right)d x}\right)}}$$

Tillämpa konstantfaktorregeln $$$\int c f{\left(x \right)}\, dx = c \int f{\left(x \right)}\, dx$$$ med $$$c=- \frac{1}{2}$$$ och $$$f{\left(x \right)} = e^{- 2 x}$$$:

$$- \frac{x^{2} e^{- 2 x}}{2} - \frac{x e^{- 2 x}}{2} - {\color{red}{\int{\left(- \frac{e^{- 2 x}}{2}\right)d x}}} = - \frac{x^{2} e^{- 2 x}}{2} - \frac{x e^{- 2 x}}{2} - {\color{red}{\left(- \frac{\int{e^{- 2 x} d x}}{2}\right)}}$$

Låt $$$u=- 2 x$$$ vara.

Då $$$du=\left(- 2 x\right)^{\prime }dx = - 2 dx$$$ (stegen kan ses »), och vi har att $$$dx = - \frac{du}{2}$$$.

Integralen kan omskrivas som

$$- \frac{x^{2} e^{- 2 x}}{2} - \frac{x e^{- 2 x}}{2} + \frac{{\color{red}{\int{e^{- 2 x} d x}}}}{2} = - \frac{x^{2} e^{- 2 x}}{2} - \frac{x e^{- 2 x}}{2} + \frac{{\color{red}{\int{\left(- \frac{e^{u}}{2}\right)d u}}}}{2}$$

Tillämpa konstantfaktorregeln $$$\int c f{\left(u \right)}\, du = c \int f{\left(u \right)}\, du$$$ med $$$c=- \frac{1}{2}$$$ och $$$f{\left(u \right)} = e^{u}$$$:

$$- \frac{x^{2} e^{- 2 x}}{2} - \frac{x e^{- 2 x}}{2} + \frac{{\color{red}{\int{\left(- \frac{e^{u}}{2}\right)d u}}}}{2} = - \frac{x^{2} e^{- 2 x}}{2} - \frac{x e^{- 2 x}}{2} + \frac{{\color{red}{\left(- \frac{\int{e^{u} d u}}{2}\right)}}}{2}$$

Integralen av den exponentiella funktionen är $$$\int{e^{u} d u} = e^{u}$$$:

$$- \frac{x^{2} e^{- 2 x}}{2} - \frac{x e^{- 2 x}}{2} - \frac{{\color{red}{\int{e^{u} d u}}}}{4} = - \frac{x^{2} e^{- 2 x}}{2} - \frac{x e^{- 2 x}}{2} - \frac{{\color{red}{e^{u}}}}{4}$$

Kom ihåg att $$$u=- 2 x$$$:

$$- \frac{x^{2} e^{- 2 x}}{2} - \frac{x e^{- 2 x}}{2} - \frac{e^{{\color{red}{u}}}}{4} = - \frac{x^{2} e^{- 2 x}}{2} - \frac{x e^{- 2 x}}{2} - \frac{e^{{\color{red}{\left(- 2 x\right)}}}}{4}$$

Alltså,

$$\int{x^{2} e^{- 2 x} d x} = - \frac{x^{2} e^{- 2 x}}{2} - \frac{x e^{- 2 x}}{2} - \frac{e^{- 2 x}}{4}$$

Förenkla:

$$\int{x^{2} e^{- 2 x} d x} = \frac{\left(- 2 x^{2} - 2 x - 1\right) e^{- 2 x}}{4}$$

Lägg till integrationskonstanten:

$$\int{x^{2} e^{- 2 x} d x} = \frac{\left(- 2 x^{2} - 2 x - 1\right) e^{- 2 x}}{4}+C$$

$$$\int x^{2} e^{- 2 x}\, dx = \frac{\left(- 2 x^{2} - 2 x - 1\right) e^{- 2 x}}{4} + C$$$A