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。