考研累次积分怎么交换

星星讲知识 · 2024-12-28 08:00:48

考研累次积分交换次序的方法如下:

检查积分上下限

首先检查原累次积分中积分上限是否大于下限。如果上限小于下限,则需要交换积分次序。例如,对于累次积分 $int_{a}^{b} int_{c}^{d} f(x, y) , dy , dx$,如果 $b < d$,则需要交换为 $int_{c}^{d} int_{a}^{b} f(x, y) , dx , dy$。

确定积分区域

根据原累次积分所确定的积分区域,画出积分区域的图形。这有助于直观地理解积分区域,并确定新的积分上下限。

应用 Fubini 定理

如果被积函数 $f(x, y)$ 是一个定义在二元直角坐标系上的连续函数,则根据 Fubini 定理,交换积分次序是允许的,并且不会改变积分的值。即:

$$

int_{a}^{b} int_{c}^{d} f(x, y) , dy , dx = int_{c}^{d} int_{a}^{b} f(x, y) , dx , dy

$$

需要注意的是,某些被积函数可能不满足 Fubini 条件,此时不能直接交换积分次序,而需要采用其他方法求解。

计算新的积分

在确定积分区域和满足 Fubini 条件的情况下,按照新的积分次序进行计算。

示例

考虑以下累次积分:

$$

int_{0}^{2pi} int_{0}^{sin x} cos y , dy , dx

$$

检查积分上下限

这里积分上限 $sin x$ 小于下限 0,需要交换积分次序:

$$

int_{0}^{2pi} int_{0}^{sin x} cos y , dy , dx = int_{0}^{pi} int_{0}^{sin x} cos y , dy , dx + int_{pi}^{2pi} int_{0}^{sin x} cos y , dy , dx

$$

确定积分区域

画出积分区域,发现 $sin x$ 在 $[0, pi]$ 上非负,在 $[pi, 2pi]$ 上非正。

应用 Fubini 定理

由于 $cos y$ 是连续函数,可以交换积分次序:

$$

int_{0}^{pi} int_{0}^{sin x} cos y , dy , dx + int_{pi}^{2pi} int_{0}^{sin x} cos y , dy , dx = int_{0}^{pi} int_{0}^{sin x} cos y , dx , dy + int_{pi}^{2pi} int_{0}^{sin x} cos y , dx , dy

$$

计算新的积分

计算每个积分:

$$

int_{0}^{pi} int_{0}^{sin x} cos y , dx , dy = int_{0}^{pi} sin x cos x , dx = left. frac{1}{2} sin^2 x right|_{0}^{pi} = frac{pi}{2}

$$

$$

int_{pi}^{2pi} int_{0}^{sin x} cos y , dx , dy = int_{pi}^{2pi} sin x cos x , dx = left. frac{1}{2} sin^2 x right|_{pi}^{2pi} = 0

$$

因此,原积分的值为:

$$

int_{0}^{2pi} int_{0}^{sin x} cos y , dy , dx = frac{pi}{2}

$$

通过以上步骤,我们成功地将累次积分的次序交换,并计算出了结果。

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