交换积分次序

为什么要交换积分次序

在二重积分计算中,有时按给定的积分次序无法求出原函数(如 ex2dx\int e^{-x^2} dxsinxxdx\int \frac{\sin x}{x} dxsinx2dx\int \sin x^2 dx 等),或者积分计算过于复杂。这时需要交换积分次序,将X-型区域转化为Y-型区域(或反之),从而简化计算。

交换积分次序的一般步骤

  1. 由原积分限写出积分区域 DD 的不等式表示
  2. 画出积分区域 DD 的草图
  3. 将区域 DD 用另一种类型表示(X-型 \leftrightarrow Y-型)
  4. 写出新的累次积分

基本题型

题型一:直接交换次序

abdxy1(x)y2(x)f(x,y)dy\int_a^b dx \int_{y_1(x)}^{y_2(x)} f(x,y) dy 交换为对 yy 先积分的形式。

步骤:

  1. 原区域(X-型):axb,y1(x)yy2(x)a \leq x \leq b, \, y_1(x) \leq y \leq y_2(x)
  2. 画图后确定 yy 的范围:cydc \leq y \leq d
  3. 对每个 yy,确定 xx 的范围:x1(y)xx2(y)x_1(y) \leq x \leq x_2(y)
  4. 新积分:cddyx1(y)x2(y)f(x,y)dx\int_c^d dy \int_{x_1(y)}^{x_2(y)} f(x,y) dx

题型二:需要拆分区域

有时原积分是一个区域,但换序后需要拆分成多个区域(或反之)。

典型例题

例题1:基本换序

交换积分 01dxx1f(x,y)dy\int_0^1 dx \int_x^1 f(x,y) dy 的积分次序。

参考答案(3 个标签)
交换积分次序X型转Y型三角形区域

解题思路: 先确定积分区域,画图后转换为Y-型。

详细步骤

  1. 原积分限(X-型):0x1,xy10 \leq x \leq 1, \, x \leq y \leq 1
  2. 区域由 y=xy=xy=1y=1x=0x=0 围成,是顶点为 (0,0)(0,0)(0,1)(0,1)(1,1)(1,1) 的三角形
  3. 转换为Y-型:yy 的范围是 0y10 \leq y \leq 1
  4. 对固定的 yyxx00yy(因为 yxy \geq x
  5. 新积分:01dy0yf(x,y)dx\int_0^1 dy \int_0^y f(x,y) dx

答案01dy0yf(x,y)dx\int_0^1 dy \int_0^y f(x,y) dx

例题2:换序后计算(不可积函数)

计算 01dxx1ey2dy\int_0^1 dx \int_x^1 e^{-y^2} dy

参考答案(4 个标签)
交换积分次序不可积函数高斯型积分三角形区域

解题思路ey2e^{-y^2} 的原函数不是初等函数,必须交换积分次序。

详细步骤

  1. 原区域(X-型):0x1,xy10 \leq x \leq 1, \, x \leq y \leq 1
  2. 转换为Y-型:0y1,0xy0 \leq y \leq 1, \, 0 \leq x \leq y
  3. 交换后: 01dxx1ey2dy=01dy0yey2dx\int_0^1 dx \int_x^1 e^{-y^2} dy = \int_0^1 dy \int_0^y e^{-y^2} dx
  4. 先对 xx 积分(ey2e^{-y^2}xx 无关): 0yey2dx=ey2[x]0y=yey2\int_0^y e^{-y^2} dx = e^{-y^2} \cdot [x]_0^y = y e^{-y^2}
  5. 再对 yy 积分: 01yey2dy=1201ey2d(y2)=12[ey2]01=12(e11)=12(1e1)\int_0^1 y e^{-y^2} dy = -\frac{1}{2}\int_0^1 e^{-y^2} d(-y^2) = -\frac{1}{2}[e^{-y^2}]_0^1 = -\frac{1}{2}(e^{-1} - 1) = \frac{1}{2}(1 - e^{-1})

答案12(11e)\frac{1}{2}(1 - \frac{1}{e})

例题3:需要拆分区域

交换积分 02dxx22xf(x,y)dy\int_0^2 dx \int_{x^2}^{2x} f(x,y) dy 的积分次序。

参考答案(3 个标签)
交换积分次序拆分区域抛物线与直线

解题思路: 原区域由抛物线 y=x2y=x^2 和直线 y=2xy=2x 围成。换序后需要拆分区域,因为右边界在不同 yy 范围内由不同曲线给出。

详细步骤

  1. 原区域(X-型):0x2,x2y2x0 \leq x \leq 2, \, x^2 \leq y \leq 2x
  2. 求交点:x2=2xx=0x^2 = 2x \Rightarrow x=0x=2x=2,对应 (0,0)(0,0)(2,4)(2,4)
  3. yy 的范围:0y40 \leq y \leq 4
  4. 对固定的 yy
    • 左边界:由 y=2xy = 2xx=y2x = \frac{y}{2}
    • 右边界:由 y=x2y = x^2x0x \geq 0)得 x=yx = \sqrt{y}
  5. 注意:在 0y40 \leq y \leq 4 范围内,y2y\frac{y}{2} \leq \sqrt{y}(验证:y=1y=10.510.5 \leq 1y=4y=4222 \leq 2
  6. 因此不需要拆分,Y-型表示为:0y4,y2xy0 \leq y \leq 4, \, \frac{y}{2} \leq x \leq \sqrt{y}
  7. 新积分:04dyy/2yf(x,y)dx\int_0^4 dy \int_{y/2}^{\sqrt{y}} f(x,y) dx

答案04dyy/2yf(x,y)dx\int_0^4 dy \int_{y/2}^{\sqrt{y}} f(x,y) dx

例题4:极坐标与直角坐标之间的换序

将极坐标积分 0π/2dθ02cosθf(ρ,θ)ρdρ\int_0^{\pi/2} d\theta \int_0^{2\cos\theta} f(\rho,\theta) \rho \, d\rho 转换为直角坐标下的累次积分。

参考答案(3 个标签)
极坐标转直角坐标交换积分次序偏心圆

解题思路: 先确定极坐标区域,再转换为直角坐标区域。

详细步骤

  1. 极坐标区域:0θπ2,0ρ2cosθ0 \leq \theta \leq \frac{\pi}{2}, \, 0 \leq \rho \leq 2\cos\theta
  2. ρ2cosθρ22ρcosθx2+y22x\rho \leq 2\cos\theta \Rightarrow \rho^2 \leq 2\rho\cos\theta \Rightarrow x^2 + y^2 \leq 2x,即 (x1)2+y21(x-1)^2 + y^2 \leq 1
  3. 0θπ20 \leq \theta \leq \frac{\pi}{2}x0,y0x \geq 0, y \geq 0,即第一象限部分
  4. 直角坐标区域(X-型):0x2,0y2xx20 \leq x \leq 2, \, 0 \leq y \leq \sqrt{2x - x^2}
  5. 累次积分:02dx02xx2f(x,y)dy\int_0^2 dx \int_0^{\sqrt{2x-x^2}} f(x,y) dy

答案02dx02xx2f(x,y)dy\int_0^2 dx \int_0^{\sqrt{2x-x^2}} f(x,y) dy


练习题

练习1

交换积分 01dyyyf(x,y)dx\int_0^1 dy \int_y^{\sqrt{y}} f(x,y) dx 的积分次序。

参考答案(3 个标签)
交换积分次序Y型转X型抛物线

解题思路: 原区域(Y-型):0y1,yxy0 \leq y \leq 1, \, y \leq x \leq \sqrt{y}。注意 yyy \leq \sqrt{y}0y10 \leq y \leq 1 时成立。

详细步骤

  1. 边界曲线:x=yx = y(即 y=xy=x)和 x=yx = \sqrt{y}(即 y=x2y=x^2
  2. 交点:(0,0)(0,0)(1,1)(1,1)
  3. X-型:0x10 \leq x \leq 1,对固定 xxyyx2x^2xx(因为 x2xx^2 \leq x[0,1][0,1] 上)
  4. 新积分:01dxx2xf(x,y)dy\int_0^1 dx \int_{x^2}^x f(x,y) dy

答案01dxx2xf(x,y)dy\int_0^1 dx \int_{x^2}^x f(x,y) dy

练习2

计算 01dxx1sinyydy\int_0^1 dx \int_x^1 \frac{\sin y}{y} dy

参考答案(3 个标签)
交换积分次序不可积函数三角形区域

解题思路sinyy\frac{\sin y}{y} 的原函数不是初等函数,必须交换积分次序。

详细步骤

  1. 原区域:0x1,xy10 \leq x \leq 1, \, x \leq y \leq 1
  2. 换序后:0y1,0xy0 \leq y \leq 1, \, 0 \leq x \leq y
  3. 01dxx1sinyydy=01dy0ysinyydx=01sinyyydy=01sinydy=1cos1\int_0^1 dx \int_x^1 \frac{\sin y}{y} dy = \int_0^1 dy \int_0^y \frac{\sin y}{y} dx = \int_0^1 \frac{\sin y}{y} \cdot y \, dy = \int_0^1 \sin y \, dy = 1 - \cos 1

答案1cos11 - \cos 1


总结

本文出现的符号

符号类型读音/说明在本文中的含义
abdxy1(x)y2(x)\int_a^b dx \int_{y_1(x)}^{y_2(x)}累次积分iterated integral先对 y 后对 x 的累次积分
cddyx1(y)x2(y)\int_c^d dy \int_{x_1(y)}^{x_2(y)}累次积分iterated integral先对 x 后对 y 的累次积分

中英对照

中文术语英文术语音标说明
交换积分次序change order of integration/tʃeɪndʒ ˈɔːrdər əv ˌɪntɪˈɡreɪʃən/交换累次积分的积分顺序
累次积分iterated integral/ˈɪtəreɪtɪd ˈɪntɪɡrəl/依次进行的多次定积分
积分区域region of integration/ˈriːdʒən əv ˌɪntɪˈɡreɪʃən/积分的定义域
拆分区域split region/splɪt ˈriːdʒən/将一个区域分成多个子区域
不可积函数non-elementary integral/nɒn ˌɛlɪˈmɛntəri ˈɪntɪɡrəl/原函数不是初等函数的被积函数