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交换积分次序例题

时间:2026-03-20 13:14:22

交换积分次序是积分学中的一个重要概念,它允许我们以不同的顺序对同一个积分区域进行积分。下面是一个典型的例题,演示了如何交换积分次序:

例题:

计算二重积分 \(\int_{0}^{1} \int_{0}^{\sqrt{x}} e^{x+y} \, dy \, dx\) 并交换积分次序。

解题步骤:

确定积分区域

积分区域由曲线 \(y = 0\)、\(y = \sqrt{x}\)、\(x = 1\) 和 \(x = 0\) 所围成。这个区域是一个由抛物线 \(y = \sqrt{x}\) 和坐标轴围成的上半部分区域。

绘制积分区域

在坐标系中绘制出曲线 \(y = \sqrt{x}\)、\(x = 0\)、\(x = 1\) 和 \(y = 0\)。

交换积分次序

原积分区域可以描述为 \(D = \{(x, y) \mid 0 \leq x \leq 1, 0 \leq y \leq \sqrt{x}\}\) 。交换积分次序后,积分区域变为 \(D = \{(x, y) \mid 0 \leq y \leq 1, \sqrt{y} \leq x \leq 1\}\)。

写出交换积分次序后的积分表达式

交换积分次序后的积分表达式为 \(\int_{0}^{1} \int_{\sqrt{y}}^{1} e^{x+y} \, dx \, dy\)。

计算:

首先对 \(x\) 积分:

\(\int_{\sqrt{y}}^{1} e^{x+y} \, dx = e^{y} \int_{\sqrt{y}}^{1} e^x \, dx = e^{y} (e - e^{\sqrt{y}}))

然后对 \(y\) 积分:

\(\int_{0}^{1} e^{y} (e - e^{\sqrt{y}}) \, dy = (e - 1) \int_{0}^{1} e^{y} \, dy - (e - 1) \int_{0}^{1} e^{\sqrt{y}} \, dy\)

分别计算两个积分:

\(\int_{0}^{1} e^{y} \, dy = e^{y} \Big|_{0}^{1} = e - 1\)

\(\int_{0}^{1} e^{\sqrt{y}} \, dy = 2e^{\sqrt{y}} \Big|_{0}^{1} = 2e - 2\)

所以最终结果为:

\((e - 1) (e - 1) - (e - 1) (2e - 2) = (e - 1)^2 - 2(e - 1)(e - 1) = (e - 1)(1 - e) = e - 1 - e^2 + e = 1 - e^2\)

总结:

通过以上步骤,我们成功地将原积分的次序从 \(\int_{0}^{1} \int_{0}^{\sqrt{x}} e^{x+y} \, dy \, dx\) 交换为 \(\int_{0}^{1} \int_{\sqrt{y}}^{1} e^{x+y} \, dx \, dy\),并计算出了结果 \(1 - e^2\)。

希望这个例题能帮助你理解交换积分次序的过程和方法。