$$$x^{2} e^{- 2 x}$$$ 的積分

求$$$\int x^{2} e^{- 2 x}\, dx$$$。

對於積分 $$$\int{x^{2} e^{- 2 x} d x}$$$，使用分部積分法 $$$\int \operatorname{u} \operatorname{dv} = \operatorname{u}\operatorname{v} - \int \operatorname{v} \operatorname{du}$$$。

令 $$$\operatorname{u}=x^{2}$$$ 與 $$$\operatorname{dv}=e^{- 2 x} dx$$$。

則 $$$\operatorname{du}=\left(x^{2}\right)^{\prime }dx=2 x dx$$$（步驟見 »），且 $$$\operatorname{v}=\int{e^{- 2 x} d x}=- \frac{e^{- 2 x}}{2}$$$（步驟見 »）。

所以，

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

套用常數倍法則 $$$\int c f{\left(x \right)}\, dx = c \int f{\left(x \right)}\, dx$$$，使用 $$$c=-1$$$ 與 $$$f{\left(x \right)} = x e^{- 2 x}$$$：

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

對於積分 $$$\int{x e^{- 2 x} d x}$$$，使用分部積分法 $$$\int \operatorname{u} \operatorname{dv} = \operatorname{u}\operatorname{v} - \int \operatorname{v} \operatorname{du}$$$。

令 $$$\operatorname{u}=x$$$ 與 $$$\operatorname{dv}=e^{- 2 x} dx$$$。

則 $$$\operatorname{du}=\left(x\right)^{\prime }dx=1 dx$$$（步驟見 »），且 $$$\operatorname{v}=\int{e^{- 2 x} d x}=- \frac{e^{- 2 x}}{2}$$$（步驟見 »）。

該積分可改寫為

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

套用常數倍法則 $$$\int c f{\left(x \right)}\, dx = c \int f{\left(x \right)}\, dx$$$，使用 $$$c=- \frac{1}{2}$$$ 與 $$$f{\left(x \right)} = e^{- 2 x}$$$：

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

令 $$$u=- 2 x$$$。

則 $$$du=\left(- 2 x\right)^{\prime }dx = - 2 dx$$$ (步驟見»)，並可得 $$$dx = - \frac{du}{2}$$$。

因此，

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

套用常數倍法則 $$$\int c f{\left(u \right)}\, du = c \int f{\left(u \right)}\, du$$$，使用 $$$c=- \frac{1}{2}$$$ 與 $$$f{\left(u \right)} = e^{u}$$$：

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

指數函數的積分為 $$$\int{e^{u} d u} = e^{u}$$$：

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

回顧一下 $$$u=- 2 x$$$：

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

因此，

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

化簡：

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

加上積分常數：

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

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