方企勤 第六章 多元函数积分学 第4题

教材习题

📝 题目

例 4 假设可测图形 $\Omega$ 关于超平面 ${x}_{m} = 0$ 对称,即若 $\left( {{x}_{1},\cdots }\right.$ , $\left. {{x}_{m - 1},{x}_{m}}\right) \in \Omega$ ,必有 $\left( {{x}_{1},\cdots ,{x}_{m - 1}, - {x}_{m}}\right) \in \Omega$ . 又函数 $f\left( {{x}_{1},\cdots ,{x}_{m}}\right)$ 关于 ${x}_{m}$ 是奇函数,且 $f \in R\left( \Omega \right)$ ,则 $\displaystyle{\int }_{\Omega }f\left( \mathbf{x}\right) \mathrm{d}V = 0$ .

💡 答案解析

证 设 $\Omega$ 包含在正方形 $\left\{ {\left( {{x}_{1},\cdots ,{x}_{m}}\right) \left| \right| {x}_{i} \mid \leq M\left( {i = 1,\cdots ,m}\right) }\right\}$ 内. 考虑集合

$$ \Omega \cap \left\{ {\left( {{x}_{1},\cdots ,{x}_{m - 1},{x}_{m}}\right) \left| {{x}_{m} \geq 0,}\right| {x}_{i} \mid \leq M\left( {i = 1,\cdots ,m - 1}\right) }\right\} . $$

它们是两个可测图形的交集,故为可测图形. 对此可测图形作一剖分 $\left\{ {{\Omega }_{1},\cdots ,{\Omega }_{n}}\right\}$ ,并取 ${\xi }_{i} \in {\Omega }_{i}\left( {i = 1,\cdots ,n}\right)$ .

令 ${\Omega }_{n + i} = \left\{ {\left( {{x}_{1},\cdots ,{x}_{m - 1},{x}_{m}}\right) \mid \left( {{x}_{1},\cdots ,{x}_{m - 1}, - {x}_{m}}\right) \in {\Omega }_{i}}\right\} (i = 1$ , $\cdots ,n)$ ,显然它是可测图形. 再令 ${\xi }_{n + i}$ 为 ${\xi }_{i}$ 分量中第 $m$ 个分量变号所得的点,显然 ${\xi }_{n + i} \in {\Omega }_{n + i},f\left( {\xi }_{n + i}\right) = - f\left( {\xi }_{i}\right) \left( {i = 1,\cdots ,n}\right)$ .

这样我们得到 $\Omega$ 的一个剖分 $\Delta = \left\{ {{\Omega }_{1},\cdots ,{\Omega }_{n},{\Omega }_{n + 1},\cdots ,{\Omega }_{2n}}\right\}$ ,相应的黎曼和为

$$ \mathop{\sum }\limits_{{i = 1}}^{n}\left\lbrack {f\left( {\xi }_{i}\right) V\left( {\Omega }_{i}\right) + f\left( {\xi }_{n + i}\right) V\left( {\Omega }_{n + i}\right) }\right\rbrack $$

$$ = \mathop{\sum }\limits_{{i = 1}}^{n}\left\lbrack {f\left( {\xi }_{i}\right) + f\left( {\xi }_{n + i}\right) }\right\rbrack V\left( {\Omega }_{i}\right) = 0. $$

令 $\parallel \Delta \parallel \rightarrow 0$ ,即得 $\displaystyle{\int }_{\Omega }f\left( \mathbf{x}\right) \mathrm{d}V = 0$ .

📋 详细解题步骤

步骤 1/4
目标:将Ω限制在对称半空间内,构造可测图形
设Ω包含在正方形{|xi|≤M, i=1,...,m}内。考虑Ω与半空间{xm≥0}的交集,得到可测图形Ω⁺。
公式:Ω⁺ = Ω ∩ { (x₁,...,xₘ) | xₘ ≥ 0, |x_i| ≤ M, i=1,...,m-1 }
提示:利用对称性将积分区域分成对称的两部分。
步骤 2/4
目标:剖分Ω⁺并构造对称剖分
对Ω⁺作剖分{Ω₁,...,Ωₙ},取点ξ_i∈Ω_i。对每个Ω_i,通过关于超平面xm=0的反射得到Ω_{n+i},即Ω_{n+i} = { (x₁,...,xₘ) | (x₁,...,x_{m-1}, -xₘ) ∈ Ω_i }。取ξ_{n+i}为ξ_i的第m分量变号,则ξ_{n+i}∈Ω_{n+i}。
公式:Ω_{n+i} = { (x₁,...,xₘ) | (x₁,...,x_{m-1}, -xₘ) ∈ Ω_i }
提示:反射操作保持可测性。
步骤 3/4
目标:构造Ω的剖分并计算黎曼和
得到Ω的一个剖分Δ = {Ω₁,...,Ωₙ, Ω_{n+1},...,Ω_{2n}},相应的黎曼和为∑_{i=1}^{n}[f(ξ_i)V(Ω_i)+f(ξ_{n+i})V(Ω_{n+i})]。由于f是奇函数,f(ξ_{n+i}) = -f(ξ_i),且V(Ω_{n+i}) = V(Ω_i),所以黎曼和为0。
公式:∑_{i=1}^{n}[f(ξ_i)+f(ξ_{n+i})]V(Ω_i) = 0
提示:奇函数性质:f(ξ_{n+i}) = -f(ξ_i)。
步骤 4/4
目标:取极限得到积分值为0
令剖分直径‖Δ‖→0,黎曼和趋于积分,因此∫_Ω f(x) dV = 0。
公式:∫_Ω f(x) dV = 0
提示:黎曼和恒为0,极限必为0。

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