目标:对y进行分部积分
首先将原积分 $I = \iint_D x \frac{\partial f}{\partial y} \, dxdy$ 写成先对 $y$ 后对 $x$ 的累次积分形式。由题意,积分区域 $D$ 为 $0 \le x \le 1$,$0 \le y \le 1$,且 $f(x,1)=0$,$f(0,y)=0$。因此有
$$
I = \int_0^1 \int_0^1 x \frac{\partial f}{\partial y} \, dy \, dx.
$$
对内层关于 $y$ 的积分,令 $g_x(y) = \frac{\partial f}{\partial x}$,但此处我们直接对 $y$ 使用分部积分。设 $u = x$(关于 $y$ 为常数),$dv = \frac{\partial f}{\partial y} \, dy$,则 $du = 0$,$v = f(x,y)$。分部积分公式为
$$
\int_0^1 u \, dv = uv\big|_0^1 - \int_0^1 v \, du.
$$
代入得
$$
\int_0^1 x \frac{\partial f}{\partial y} \, dy = x \cdot f(x,y) \Big|_{y=0}^{y=1} - \int_0^1 f(x,y) \cdot 0 \, dy = x \big[ f(x,1) - f(x,0) \big].
$$
利用已知条件 $f(x,1)=0$,上式化为
$$
\int_0^1 x \frac{\partial f}{\partial y} \, dy = -x f(x,0).
$$
于是原积分变为
$$
I = \int_0^1 \left( -x f(x,0) \right) dx = -\int_0^1 x f(x,0) \, dx.
$$
注意到 $f(x,0)$ 是 $x$ 的一元函数,且由 $f(0,y)=0$ 知 $f(0,0)=0$。为了将结果与步骤目标中的形式 $I = -\iint x \frac{\partial f}{\partial x} \, dy \, dx$ 联系起来,我们利用 $f(x,0) = \int_0^1 \frac{\partial f}{\partial y} \, dy$ 或更直接地,考虑对 $x$ 的导数。实际上,由 $f(x,1)=0$ 和 $f(0,y)=0$,我们可以通过另一种分部积分得到所需形式,但本步骤仅完成对 $y$ 的分部积分,得到中间结果 $I = -\int_0^1 x f(x,0) \, dx$。后续步骤将利用 $f(x,0)$ 与 $\partial f/\partial x$ 的关系进一步转化。
公式:$$\int_0^1 x \frac{\partial f}{\partial y} \, dy = x f(x,y)\big|_0^1 - \int_0^1 f(x,y) \cdot 0 \, dy = -x f(x,0)$$
提示:分部积分时,将 $x$ 视为常数,$\partial f/\partial y$ 的积分原函数就是 $f$ 本身。
目标:交换积分次序并对x分部积分
首先,原积分 $I = \int_0^1 dy \int_0^y \frac{\partial f}{\partial x}(x,y) \, dx$ 的积分区域由 $0 \le y \le 1$ 和 $0 \le x \le y$ 描述,即区域为三角形:$0 \le x \le 1$,$x \le y \le 1$。交换积分次序,先对 $y$ 后对 $x$,得到:
$$I = \int_0^1 dx \int_x^1 \frac{\partial f}{\partial x}(x,y) \, dy.$$
现在对内层关于 $x$ 的积分(注意此时外层积分变量为 $x$,内层积分变量为 $y$,但被积函数是 $\partial f/\partial x$,我们需要对 $x$ 进行分部积分。实际上,交换次序后的表达式为 $I = \int_0^1 \left( \int_x^1 \frac{\partial f}{\partial x}(x,y) \, dy \right) dx$。为了对 $x$ 分部积分,我们令 $u = \int_x^1 f(x,y) \, dy$?不,更直接的做法是:将 $I$ 视为 $\int_0^1 \left( \int_x^1 \frac{\partial f}{\partial x}(x,y) \, dy \right) dx$,对固定的 $x$,内层积分是关于 $y$ 的,但我们需要处理 $\partial f/\partial x$。实际上,我们可以交换积分次序后直接对 $x$ 分部积分:
$$I = \int_0^1 \left( \int_x^1 \frac{\partial f}{\partial x}(x,y) \, dy \right) dx.$$
令 $u = \int_x^1 f(x,y) \, dy$,$dv = \frac{\partial f}{\partial x} dx$?这并不直接。更标准的方法是:将 $I$ 写成二重积分 $\iint_D \frac{\partial f}{\partial x} \, dxdy$,其中 $D = \{ (x,y) \mid 0 \le x \le 1, \, x \le y \le 1 \}$。然后对 $x$ 分部积分:
$$\iint_D \frac{\partial f}{\partial x} \, dxdy = \int_0^1 dy \int_0^y \frac{\partial f}{\partial x} \, dx = \int_0^1 \left[ f(x,y) \big|_{x=0}^{x=y} \right] dy - \int_0^1 dy \int_0^y f(x,y) \cdot 0 \, dx?$$
实际上,分部积分公式:$\int_a^b u \, dv = uv\big|_a^b - \int_a^b v \, du$。这里对 $x$ 积分,令 $u = 1$,$dv = \frac{\partial f}{\partial x} dx$,则 $du = 0$,$v = f(x,y)$,所以 $\int_0^y \frac{\partial f}{\partial x} \, dx = f(y,y) - f(0,y)$。但题目要求交换次序后对 $x$ 分部积分,我们采用另一种视角:
交换次序后的积分 $I = \int_0^1 dx \int_x^1 \frac{\partial f}{\partial x}(x,y) \, dy$。对内层关于 $y$ 的积分,$\frac{\partial f}{\partial x}$ 视为 $x$ 的函数,但 $y$ 是积分变量,所以不能直接对 $x$ 分部积分。正确做法是:将 $I$ 写成 $\int_0^1 \left( \int_x^1 \frac{\partial f}{\partial x}(x,y) \, dy \right) dx$,然后对 $x$ 分部积分时,把 $\int_x^1 \frac{\partial f}{\partial x}(x,y) \, dy$ 看作一个整体函数 $g(x)$,则 $I = \int_0^1 g(x) \, dx$。但 $g(x)$ 本身含有对 $x$ 的导数,这并不直接。
更简洁的方法是:直接对原二重积分 $\iint_D \frac{\partial f}{\partial x} \, dxdy$ 使用分部积分公式(Green公式或一维分部积分在二重积分中的推广):
$$\iint_D \frac{\partial f}{\partial x} \, dxdy = \int_{\partial D} f \, \nu_x \, ds - \iint_D f \cdot 0 \, dxdy = \int_{\partial D} f \, \nu_x \, ds,$$
其中 $\nu_x$ 是边界外法向量的 $x$ 分量。但题目要求用分部积分法,我们按步骤进行:
交换次序后,$I = \int_0^1 dx \int_x^1 \frac{\partial f}{\partial x}(x,y) \, dy$。对固定的 $y$,内层积分是 $\int_x^1 \frac{\partial f}{\partial x} \, dy$,但 $x$ 是外层变量,我们实际上需要处理 $\int_0^1 \left( \int_x^1 \frac{\partial f}{\partial x} \, dy \right) dx$。交换积分次序后,我们也可以先对 $y$ 积分再对 $x$ 分部积分,但这里我们采用标准方法:
将 $I$ 写作 $\int_0^1 dy \int_0^y \frac{\partial f}{\partial x} \, dx$,然后对 $x$ 分部积分:
令 $u = 1$,$dv = \frac{\partial f}{\partial x} dx$,则 $\int_0^y \frac{\partial f}{\partial x} \, dx = f(y,y) - f(0,y)$。于是
$$I = \int_0^1 \left[ f(y,y) - f(0,y) \right] dy.$$
但题目要求交换次序后对 $x$ 分部积分,我们需按步骤目标:交换次序后,$I = \int_0^1 dx \int_x^1 \frac{\partial f}{\partial x} \, dy$。现在对 $x$ 分部积分:将 $\int_x^1 \frac{\partial f}{\partial x} \, dy$ 视为 $x$ 的函数,但分部积分公式 $\int u \, dv = uv - \int v \, du$ 中,$u$ 和 $v$ 是 $x$ 的函数。我们令 $u = \int_x^1 f(x,y) \, dy$,$dv = \frac{\partial f}{\partial x} dx$?这会导致 $v = f(x,y)$ 依赖于 $y$,不适用。
正确做法:将 $I$ 写成 $\int_0^1 dx \int_x^1 \frac{\partial f}{\partial x}(x,y) \, dy = \int_0^1 \left( \int_x^1 \frac{\partial f}{\partial x}(x,y) \, dy \right) dx$。对固定的 $y$,内层积分是 $\int_x^1 \frac{\partial f}{\partial x} \, dy$,但 $x$ 是外层变量,我们实际上可以交换积分次序后再对 $x$ 分部积分,但这里我们直接对 $x$ 分部积分:
考虑 $I = \int_0^1 \left( \int_x^1 \frac{\partial f}{\partial x}(x,y) \, dy \right) dx$。交换积分次序(先 $y$ 后 $x$)后,我们得到 $I = \int_0^1 dy \int_0^y \frac{\partial f}{\partial x} \, dx$,然后对 $x$ 分部积分得到 $I = \int_0^1 [f(y,y) - f(0,y)] dy$。但题目要求交换次序后对 $x$ 分部积分,即先交换次序再分部积分,所以最终结果应为 $I = \int_0^1 \int_0^y \frac{\partial f}{\partial x} \, dx dy = \int_0^1 [f(y,y) - f(0,y)] dy$。利用条件 $f(1,y)=0$,但这里没有出现 $f(1,y)$,所以需要进一步处理。实际上,我们也可以从交换次序后的形式 $\int_0^1 dx \int_x^1 \frac{\partial f}{\partial x} \, dy$ 出发,对 $x$ 分部积分:
令 $u = \int_x^1 f(x,y) \, dy$,$dv = \frac{\partial f}{\partial x} dx$,则 $du = \left( \frac{d}{dx} \int_x^1 f(x,y) \, dy \right) dx = \left( -f(x,x) + \int_x^1 \frac{\partial f}{\partial x}(x,y) \, dy \right) dx$,$v = f(x,y)$?这不一致。
因此,最清晰的做法是:交换次序后,$I = \int_0^1 dy \int_0^y \frac{\partial f}{\partial x} \, dx$,然后对 $x$ 分部积分:
$$\int_0^y \frac{\partial f}{\partial x} \, dx = f(x,y) \big|_{x=0}^{x=y} = f(y,y) - f(0,y).$$
所以 $I = \int_0^1 [f(y,y) - f(0,y)] \, dy$。再利用 $f(1,y)=0$ 条件,但此处尚未用到。最终,$I = \int_0^1 f(y,y) \, dy - \int_0^1 f(0,y) \, dy$。
公式:I = \int_0^1 dy \int_0^y \frac{\partial f}{\partial x} \, dx = \int_0^1 \left[ f(y,y) - f(0,y) \right] dy
提示:交换次序后,内层积分对x用分部积分,注意利用f(1,y)=0消去边界项。