新讲 第13章 重积分 第1题

教材习题

📝 题目

例 1 设一元函数 $f$ 在 $\left\lbrack {a,b}\right\rbrack$ 连续,一元函数 $g$ 在 $\left\lbrack {c,d}\right\rbrack$ 连续, 试证

(1) $\displaystyle{\iint }_{\left\lbrack {a,b}\right\rbrack \times \left\lbrack {c,d}\right\rbrack }f\left( x\right) g\left( y\right) \mathrm{d}\left( {x,y}\right) = {\int }_{a}^{b}f\left( x\right) \mathrm{d}x{\int }_{c}^{d}g\left( y\right) \mathrm{d}y$ ;

(2) $\displaystyle{\iint }_{\left\lbrack {a,b}\right\rbrack \times \left\lbrack {a,b}\right\rbrack }f\left( x\right) f\left( y\right) \mathrm{d}\left( {x,y}\right) = {\left( {\int }_{a}^{b}f\left( x\right) \mathrm{d}x\right) }^{2}$ .

💡 答案解析

证明 把重积分化为累次积分, 我们得到

(1) $\displaystyle{\iint }_{\left\lbrack {a,b}\right\rbrack \times \left\lbrack {c,d}\right\rbrack }f\left( x\right) g\left( y\right) \mathrm{d}\left( {x,y}\right)$

$$ = {\int }_{a}^{b}\left( {{\int }_{c}^{d}f\left( x\right) g\left( y\right) \mathrm{d}y}\right) \mathrm{d}x $$

$$ = {\int }_{a}^{b}\left( {f\left( x\right) {\int }_{c}^{d}g\left( y\right) \mathrm{d}y}\right) \mathrm{d}x $$

$$ = {\int }_{a}^{b}f\left( x\right) \mathrm{d}x{\int }_{c}^{d}g\left( y\right) \mathrm{d}y; $$

(2) $\mathop{\iint }\limits_{{\left\lbrack {a,b}\right\rbrack \times \left\lbrack {a,b}\right\rbrack }}f\left( x\right) f\left( y\right) \mathrm{d}\left( {x,y}\right)$

$$ = {\int }_{a}^{b}f\left( x\right) \mathrm{d}x{\int }_{a}^{b}f\left( y\right) \mathrm{d}y = {\left( {\int }_{a}^{b}f\left( x\right) \mathrm{d}x\right) }^{2}. $$

📋 详细解题步骤

步骤 1/4
目标:将二重积分化为累次积分
由于f(x)g(y)在矩形区域上连续,可交换积分次序,将二重积分写为先对y后对x的累次积分。
公式:∬_{[a,b]×[c,d]} f(x)g(y) d(x,y) = ∫_a^b (∫_c^d f(x)g(y) dy) dx
提示:注意积分区域是矩形,因此积分限为常数。
步骤 2/4
目标:分离变量并计算内层积分
在内层积分中,f(x)相对于y是常数,可提出积分号外。
公式:∫_c^d f(x)g(y) dy = f(x) ∫_c^d g(y) dy
提示:f(x)与y无关,可视为常数。
步骤 3/4
目标:计算外层积分得到乘积形式
将内层积分结果代入外层积分,外层积分中∫_c^d g(y) dy是常数,可提出。
公式:∫_a^b f(x) (∫_c^d g(y) dy) dx = (∫_a^b f(x) dx) (∫_c^d g(y) dy)
提示:常数因子可提出积分号。
步骤 4/4
目标:证明第二部分
在(1)中令g=f,且c=a, d=b,直接得到结果。
公式:∬_{[a,b]×[a,b]} f(x)f(y) d(x,y) = (∫_a^b f(x) dx)^2
提示:注意积分区域变为正方形。

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