下册 8.1 二重积分 第44题
📝 题目
44.证明下列结论.
(1)设 $f(x)$ 在 $[0,+\infty)$ 内连续,证明: $\int_{0}^{x} f(t)(x-t) \mathrm{d} t=\int_{0}^{x}\left(\int_{0}^{1} f(u) \mathrm{d} u\right) \mathrm{d} t$ .
(2)设 $f(x)$ 在 $[0,+\infty)$ 内连续,求证:$\forall a>0, \int_{a}^{b}\left(\int_{a}^{x} f(y) \mathrm{d} y\right) \mathrm{d} x=\int_{a}^{b}(b-x) f(x) \mathrm{d} x$ .(重庆师大
(3)设 $f(x)$ 为连续,证明: $\displaystyle \int_{a}^{b} \mathrm{~d} y \int_{a}^{y}(y-x)^{n} f(x) \mathrm{d} x=\frac{1}{n+1} \int_{a}^{b}(b-x)^{n+1} f(x) \mathrm{d} x$ .
(4)设 $f(x)$ 在 $[0,1]$ 上连续,证明: $\displaystyle \int_{0}^{1} \mathrm{~d} x \int_{x}^{1} \mathrm{~d} y \int_{x}^{y} f(x) f(y) f(z) \mathrm{d} z=\frac{1}{6}\left(\int_{0}^{1} f(t) \mathrm{d} t\right)^{3}$ .
💡 答案解析
\section*{解题过程:}
(1)方法 1:由分部积分法得
$$
\begin{aligned}
\int_{0}^{x}\left(\int_{0}^{t} f(u) \mathrm{d} u\right) \mathrm{d} t & =\left.\left(t \int_{0}^{t} f(u) \mathrm{d} u\right)\right|_{0} ^{x}-\int_{0}^{x} t f(t) \mathrm{d} t=x \int_{0}^{x} f(u) \mathrm{d} u-\int_{0}^{x} t f(t) \mathrm{d} t \\
& =\int_{0}^{x} x f(u) \mathrm{d} u-\int_{0}^{x} t f(t) \mathrm{d} t=\int_{0}^{x} x f(t) \mathrm{d} t-\int_{0}^{x} t f(t) \mathrm{d} t=\int_{0}^{x}(x-t) f(t) \mathrm{d} t
\end{aligned}
$$
方法 2:交换积分顺序得
所以
$$
\begin{aligned}
\int_{0}^{x}\left(\int_{0}^{t} f(u) \mathrm{d} u\right) \mathrm{d} t= & \int_{0}^{x}\left(\int_{u}^{x} f(u) \mathrm{d} t\right) \mathrm{d} u=\int_{0}^{x}(x-u) f(u) \mathrm{d} u=\int_{0}^{x}(x-t) f(t) \mathrm{d} t \\
& \int_{0}^{x}\left(\int_{0}^{t} f(u) \mathrm{d} u\right) \mathrm{d} t=\int_{0}^{x}(x-t) f(t) \mathrm{d} t
\end{aligned}
$$
方法3:令 $F(x)=\int_{0}^{x} f(u)(x-u) \mathrm{d} u-\int_{0}^{x}\left(f_{0}^{u} f(x) \mathrm{d} x\right) \mathrm{d} u$ ,则 $F(0)=0, F^{\prime}(x) \equiv 0$ 。从而 $F(x) \equiv 0$ ,即
$$
\int_{0}^{x} f(t)(x-t) \mathrm{d} t=\int_{0}^{x}\left(\int_{0}^{t} f(u) \mathrm{d} u\right) \mathrm{d} t
$$
(2)交换积分次序得 $\int_{a}^{b} \mathrm{~d} x \int_{a}^{x} f(y) \mathrm{d} y=\int_{a}^{b} f(y) \mathrm{d} y \int_{y}^{b} \mathrm{~d} x=\int_{a}^{b} f(y)(b-y) \mathrm{d} y=\int_{a}^{b} f(x)(b-x) \mathrm{d} x$ .
(3)记 $F(x, y)=(y-x)^{n} f(x), D=\{(x, y) \mid a \leqslant x \leqslant y, a \leqslant y \leqslant b\}$ .
由于 $f(t)$ 为连续函数,故 $F(x, y)$ 在 $D$ 上连续,从而在 $D$ 上可积。而对每个 $y \in[a, b], \int_{a}^{y} F(x, y) \mathrm{d} x$ 存在,从而累次积分 $\int_{a}^{b} \mathrm{~d} y \int_{a}^{y} F(x, y) \mathrm{d} x$ 也存在。同理 $\int_{a}^{b} \mathrm{~d} x \int_{a}^{x} F(x, y) \mathrm{d} y$ 也存在。于是
$$
\begin{gathered}
\iint_{D} F(x, y) \mathrm{d} x \mathrm{~d} y=\int_{a}^{b} \mathrm{~d} y \int_{a}^{y} F(x, y) \mathrm{d} x=\int_{a}^{b} \mathrm{~d} x \int_{x}^{b} F(x, y) \mathrm{d} y . \\
\int_{a}^{b} \mathrm{~d} x \int_{x}^{b} F(x, y) \mathrm{d} y=\int_{a}^{b} f(x) \mathrm{d} x \int_{x}^{b}(y-x)^{n} \mathrm{~d} y=\int_{a}^{b} f(x)\left(\left.\frac{1}{n+1}(y-x)^{n+1}\right|_{x} ^{b}\right) \mathrm{d} x=\frac{1}{n+1} \int_{a}^{b} f(x)(b-x)^{n+1} \mathrm{~d} x . \\
\text { 即 } \quad \int_{a}^{b} \mathrm{~d} y \int_{a}^{y}(y-x)^{n} f(x) \mathrm{d} x=\frac{1}{n+1} \int_{a}^{b}(b-x)^{n+1} f(x) \mathrm{d} x .
\end{gathered}
$$
(4)设 $F(x)=\int_{0}^{x} f(t) \mathrm{d} t$ ,故 $\int_{x}^{y} f(t) \mathrm{d} t=F(y)-F(x)$ ,且有
$$
\int_{0}^{1} \mathrm{~d} x \int_{x}^{1} \mathrm{~d} y \int_{x}^{y} f(x) f(y) f(z) \mathrm{d} z=\int_{0}^{1} f(x) \mathrm{d} x \int_{x}^{1} f(y)(F(y)-F(x)) \mathrm{d} y .
$$
交换积分顺序得
$$
\begin{aligned}
& \int_{0}^{1} f(x) \mathrm{d} x \int_{x}^{1} f(y)(F(y)-F(x)) \mathrm{d} y \\
& =\int_{0}^{1} f(y) \mathrm{d} y \int_{0}^{x} f(x)(F(y)-F(x)) \mathrm{d} x=\int_{0}^{1} f(y) \mathrm{d} y \int_{0}^{x}(F(y)-F(x)) \mathrm{d}(F(x)) \\
& =\int_{0}^{1} f(x)\left(F(y) F(x)-\left.\frac{1}{2} F(x) F(y)\right|_{0} ^{x}\right) \mathrm{d} x=\frac{1}{2} \int_{0}^{1} f(x) F^{2}(x) \mathrm{d} x \\
& =\frac{1}{2} \int_{0}^{1} F^{2}(x) \mathrm{d} F(x)=\left.\frac{1}{6} F^{3}(x)\right|_{0} ^{1}=\frac{1}{6}\left(\int_{0}^{1} f(t)\right)^{3}
\end{aligned}
$$
📋 详细解题步骤
步骤 1/6
目标:证明等式 (1) 方法1:分部积分法
设 $I = \int_{0}^{x} \left( \int_{0}^{t} f(u) \, du \right) dt$,令 $u = \int_{0}^{t} f(u) \, du$,$dv = dt$,则 $du = f(t) dt$,$v = t$。由分部积分公式:
$$ I = \left[ t \int_{0}^{t} f(u) \, du \right]_{0}^{x} - \int_{0}^{x} t f(t) \, dt = x \int_{0}^{x} f(u) \, du - \int_{0}^{x} t f(t) \, dt. $$
将第一项中的积分变量改写为 $t$:$x \int_{0}^{x} f(t) \, dt - \int_{0}^{x} t f(t) \, dt = \int_{0}^{x} (x - t) f(t) \, dt$。因此 $\int_{0}^{x} (x-t) f(t) \, dt = \int_{0}^{x} \left( \int_{0}^{t} f(u) \, du \right) dt$。
公式:$\int u \, dv = uv - \int v \, du$
提示:注意分部积分中变量的对应关系,以及积分限的处理。
步骤 2/6
目标:证明等式 (1) 方法2:交换积分次序
考虑二重积分 $\iint_{D} f(u) \, du \, dt$,其中 $D = \{ (u,t) \mid 0 \le u \le t \le x \}$。先对 $t$ 后对 $u$ 积分:
$$ \int_{0}^{x} \left( \int_{0}^{t} f(u) \, du \right) dt = \iint_{D} f(u) \, du \, dt = \int_{0}^{x} \left( \int_{u}^{x} f(u) \, dt \right) du = \int_{0}^{x} f(u) (x-u) \, du = \int_{0}^{x} (x-t) f(t) \, dt. $$
公式:交换积分次序:$\int_{a}^{b} \int_{a}^{y} f(x,y) \, dx \, dy = \int_{a}^{b} \int_{x}^{b} f(x,y) \, dy \, dx$
提示:注意积分区域的描述,确保积分限正确。
步骤 3/6
目标:证明等式 (1) 方法3:构造函数法
令 $F(x) = \int_{0}^{x} f(t)(x-t) \, dt - \int_{0}^{x} \left( \int_{0}^{t} f(u) \, du \right) dt$。则 $F(0)=0$。求导:
$$ F'(x) = \frac{d}{dx} \left[ \int_{0}^{x} f(t)(x-t) \, dt \right] - \frac{d}{dx} \left[ \int_{0}^{x} \left( \int_{0}^{t} f(u) \, du \right) dt \right]. $$
第一项利用含参积分求导:$\frac{d}{dx} \int_{0}^{x} f(t)(x-t) \, dt = \int_{0}^{x} f(t) \, dt + f(x)(x-x) = \int_{0}^{x} f(t) \, dt$。第二项由微积分基本定理:$\frac{d}{dx} \int_{0}^{x} \left( \int_{0}^{t} f(u) \, du \right) dt = \int_{0}^{x} f(u) \, du$。因此 $F'(x) = 0$,故 $F(x) \equiv 0$,等式成立。
公式:含参积分求导公式:$\frac{d}{dx} \int_{a}^{x} g(x,t) \, dt = g(x,x) + \int_{a}^{x} \frac{\partial g}{\partial x} \, dt$
提示:注意含参积分求导时,被积函数依赖于参数 $x$,需要正确应用莱布尼茨法则。
步骤 4/6
目标:证明等式 (2):交换积分次序
考虑二重积分 $\iint_{D} f(y) \, dy \, dx$,其中 $D = \{ (x,y) \mid a \le y \le x \le b \}$。交换积分次序:
$$ \int_{a}^{b} \left( \int_{a}^{x} f(y) \, dy \right) dx = \iint_{D} f(y) \, dy \, dx = \int_{a}^{b} \left( \int_{y}^{b} f(y) \, dx \right) dy = \int_{a}^{b} f(y) (b-y) \, dy = \int_{a}^{b} f(x) (b-x) \, dx. $$
公式:交换积分次序
提示:注意积分区域 $D$ 的描述:$a \le y \le x \le b$,交换后 $y$ 从 $a$ 到 $b$,$x$ 从 $y$ 到 $b$。
步骤 5/6
目标:证明等式 (3):交换积分次序并计算
设 $F(x,y) = (y-x)^n f(x)$,积分区域 $D = \{ (x,y) \mid a \le x \le y \le b \}$。交换积分次序:
$$ \int_{a}^{b} dy \int_{a}^{y} (y-x)^n f(x) \, dx = \iint_{D} F(x,y) \, dx \, dy = \int_{a}^{b} dx \int_{x}^{b} (y-x)^n f(x) \, dy. $$
先对 $y$ 积分:$\int_{x}^{b} (y-x)^n \, dy = \left[ \frac{1}{n+1} (y-x)^{n+1} \right]_{y=x}^{y=b} = \frac{1}{n+1} (b-x)^{n+1}$。因此原积分等于 $\frac{1}{n+1} \int_{a}^{b} f(x) (b-x)^{n+1} \, dx$。
公式:幂函数积分公式:$\int (y-x)^n \, dy = \frac{1}{n+1} (y-x)^{n+1}$
提示:注意 $n$ 可以是任意实数,但 $n \neq -1$。
步骤 6/6
目标:证明等式 (4):引入原函数并化简
令 $F(x) = \int_{0}^{x} f(t) \, dt$,则 $\int_{x}^{y} f(z) \, dz = F(y) - F(x)$。原三重积分化为:
$$ \int_{0}^{1} dx \int_{x}^{1} dy \int_{x}^{y} f(x) f(y) f(z) \, dz = \int_{0}^{1} f(x) \, dx \int_{x}^{1} f(y) (F(y) - F(x)) \, dy. $$
交换积分次序:令 $D = \{ (x,y) \mid 0 \le x \le y \le 1 \}$,则
$$ \int_{0}^{1} f(x) \, dx \int_{x}^{1} f(y) (F(y)-F(x)) \, dy = \iint_{D} f(x) f(y) (F(y)-F(x)) \, dx \, dy. $$
由于被积函数关于 $x,y$ 对称,交换 $x,y$ 得相同表达式,因此可写为:
$$ \frac{1}{2} \iint_{D} f(x) f(y) (F(y)-F(x)) \, dx \, dy + \frac{1}{2} \iint_{D} f(y) f(x) (F(x)-F(y)) \, dx \, dy = 0? $$
实际上,更直接的方法是:交换积分次序后,先对 $y$ 积分:
$$ \int_{0}^{1} f(x) \, dx \int_{x}^{1} f(y) (F(y)-F(x)) \, dy = \int_{0}^{1} f(x) \left[ \int_{x}^{1} f(y) F(y) \, dy - F(x) \int_{x}^{1} f(y) \, dy \right] dx. $$
但更好的方法是利用对称性:考虑 $\int_{0}^{1} f(x) \, dx \int_{0}^{x} f(y) (F(x)-F(y)) \, dy$,与原式相加得 $\int_{0}^{1} f(x) \, dx \int_{0}^{1} f(y) (F(y)-F(x)) \, dy = 0$,但这样不能直接得到结果。另一种方法:将原积分写为 $\frac{1}{2} \int_{0}^{1} \int_{0}^{1} f(x) f(y) |F(y)-F(x)| \, dx \, dy$ ?不,符号需注意。
正确做法:利用 $\int_{x}^{1} f(y) F(y) \, dy = \frac{1}{2} [F(1)^2 - F(x)^2]$,因为 $d(F^2) = 2F f$。所以
$$ \int_{x}^{1} f(y) F(y) \, dy = \frac{1}{2} (F(1)^2 - F(x)^2). $$
而 $\int_{x}^{1} f(y) \, dy = F(1) - F(x)$。代入得:
$$ \int_{0}^{1} f(x) \left[ \frac{1}{2} (F(1)^2 - F(x)^2) - F(x)(F(1)-F(x)) \right] dx = \int_{0}^{1} f(x) \left[ \frac{1}{2} F(1)^2 - \frac{1}{2} F(x)^2 - F(1)F(x) + F(x)^2 \right] dx $$
$$ = \int_{0}^{1} f(x) \left[ \frac{1}{2} F(1)^2 - F(1)F(x) + \frac{1}{2} F(x)^2 \right] dx = \frac{1}{2} \int_{0}^{1} f(x) (F(1) - F(x))^2 \, dx. $$
令 $u = F(x)$,则 $du = f(x) dx$,当 $x=0$ 时 $u=0$,$x=1$ 时 $u=F(1)$,所以
$$ \frac{1}{2} \int_{0}^{F(1)} (F(1) - u)^2 \, du = \frac{1}{2} \cdot \frac{1}{3} (F(1) - 0)^3 = \frac{1}{6} F(1)^3 = \frac{1}{6} \left( \int_{0}^{1} f(t) \, dt \right)^3. $$
公式:$\int f(y) F(y) \, dy = \frac{1}{2} F(y)^2$,$\int f(y) \, dy = F(y)$
提示:注意 $F(x)$ 是 $f$ 的原函数,且 $F(0)=0$。计算中要小心代数化简。
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