方企勤 第六章 多元函数积分学 第5题

教材习题

📝 题目

例 5 设 $p,q,s \geq 0$ ,证明

$$ I = {\iint }_{\begin{matrix} {x \geq 0,y \geq 0} \\ {x + y \leq 1} \end{matrix}}{x}^{p}{y}^{q}{\left( 1 - x - y\right) }^{s}\mathrm{\;d}x\mathrm{\;d}y $$

$$ = \frac{\Gamma \left( {p + 1}\right) \Gamma \left( {q + 1}\right) \Gamma \left( {s + 1}\right) }{\Gamma \left( {p + q + s + 3}\right) }. $$

💡 答案解析

证法 1 令 $x = r{\cos }^{2}\theta ,y = r{\sin }^{2}\theta$ ,变换的雅可比行列式为

$$ \frac{\partial \left( {x,y}\right) }{\partial \left( {r,\theta }\right) } = \left| \begin{matrix} {\cos }^{2}\theta & - {2r}\cos \theta \sin \theta \\ {\sin }^{2}\theta & {2r}\sin \theta \cos \theta \end{matrix}\right| $$

$$ = {2r}\sin \theta \cos \theta , $$

所以

$$ I = 2{\int }_{0}^{\frac{\pi }{2}}{\cos }^{{2p} + 1}\theta {\sin }^{{2q} + 1}\theta \mathrm{d}\theta {\int }_{0}^{1}{r}^{p + q + 1}{\left( 1 - r\right) }^{s}\mathrm{\;d}r $$

$$ = \mathrm{B}\left( {p + 1,q + 1}\right) \mathrm{B}\left( {p + q + 2,s + 1}\right) $$

$$ = \frac{\Gamma \left( {p + 1}\right) \Gamma \left( {q + 1}\right) }{\Gamma \left( {p + q + 2}\right) } \cdot \frac{\Gamma \left( {p + q + 2}\right) \Gamma \left( {s + 1}\right) }{\Gamma \left( {p + q + s + 3}\right) } $$

$$ = \frac{\Gamma \left( {p + 1}\right) \Gamma \left( {q + 1}\right) \Gamma \left( {s + 1}\right) }{\Gamma \left( {p + q + s + 3}\right) }. $$

证法 2 因 $I = {\int }_{0}^{1}\mathrm{\;d}x{\int }_{0}^{1 - x}{x}^{p}{y}^{q}{\left( 1 - x - y\right) }^{s}\mathrm{\;d}y$ ,对内层积分作定积分变换 $y = \left( {1 - x}\right) t$ ,则

$$ I = {\int }_{0}^{1}\mathrm{\;d}x{\int }_{0}^{1}{x}^{p}{\left( 1 - x\right) }^{q + s + 1}{t}^{q}{\left( 1 - t\right) }^{s}\mathrm{\;d}t $$

$$ = {\int }_{0}^{1}{x}^{p}{\left( 1 - x\right) }^{q + s + 1}\mathrm{\;d}x \cdot {\int }_{0}^{1}{t}^{q}{\left( 1 - t\right) }^{s}\mathrm{\;d}t $$

$$ = \mathrm{B}\left( {p + 1,q + s + 2}\right) \cdot \mathrm{B}\left( {q + 1,s + 1}\right) $$

$$ = \frac{\Gamma \left( {p + 1}\right) \Gamma \left( {q + 1}\right) \Gamma \left( {s + 1}\right) }{\Gamma \left( {p + q + s + 3}\right) }. $$

📋 详细解题步骤

步骤 1/4
目标:引入变量变换,将积分区域化为矩形
令 x = r cos^2 θ, y = r sin^2 θ,则积分区域变为 r ∈ [0,1], θ ∈ [0, π/2]。计算雅可比行列式得 ∂(x,y)/∂(r,θ) = 2r sinθ cosθ。
公式:J = 2r sinθ cosθ
提示:注意变换后 x+y = r,且 r 从 0 到 1,θ 从 0 到 π/2。
步骤 2/4
目标:将积分化为累次积分
代入变换,被积函数变为 r^{p+q} (1-r)^s * (cos^2θ)^p (sin^2θ)^q * 2r sinθ cosθ = 2 r^{p+q+1} (1-r)^s cos^{2p+1}θ sin^{2q+1}θ。积分分解为 θ 部分和 r 部分。
公式:I = 2 ∫_0^{π/2} cos^{2p+1}θ sin^{2q+1}θ dθ ∫_0^1 r^{p+q+1} (1-r)^s dr
提示:注意 r 的指数为 p+q+1。
步骤 3/4
目标:用 Beta 函数表示积分
∫_0^{π/2} cos^{2p+1}θ sin^{2q+1}θ dθ = (1/2) B(p+1, q+1);∫_0^1 r^{p+q+1} (1-r)^s dr = B(p+q+2, s+1)。
公式:B(a,b) = ∫_0^1 t^{a-1} (1-t)^{b-1} dt
提示:利用 Beta 函数与 Gamma 函数关系 B(a,b)=Γ(a)Γ(b)/Γ(a+b)。
步骤 4/4
目标:化简得到最终结果
I = (1/2) * 2 * B(p+1,q+1) * B(p+q+2,s+1) = B(p+1,q+1) B(p+q+2,s+1) = [Γ(p+1)Γ(q+1)/Γ(p+q+2)] * [Γ(p+q+2)Γ(s+1)/Γ(p+q+s+3)] = Γ(p+1)Γ(q+1)Γ(s+1)/Γ(p+q+s+3)。
公式:Γ(p+q+2) 约去
提示:注意系数 2 与 1/2 抵消。

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