$$$\frac{x^{2} e^{- x}}{2}$$$ 的積分

求$$$\int \frac{x^{2} e^{- x}}{2}\, dx$$$。

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 $$$f{\left(x \right)} = x^{2} e^{- x}$$$：

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

對於積分 $$$\int{x^{2} e^{- x} d x}$$$，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 $$$\operatorname{dv}=e^{- x} dx$$$。

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

因此，

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

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

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

對於積分 $$$\int{x e^{- x} d x}$$$，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 $$$\operatorname{dv}=e^{- x} dx$$$。

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

所以，

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

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 $$$f{\left(x \right)} = e^{- x}$$$：

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

令 $$$u=- x$$$。

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

因此，

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

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

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

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

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

回顧一下 $$$u=- x$$$：

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

因此，

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

化簡：

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

加上積分常數：

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

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