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Calculus · real student question

对 (x − 4y) 在矩形 −1 ≤ x ≤ 2、0 ≤ y ≤ 1 上的积分:先描述积分区域,再算出这个二重积分,然后交换积分次序再算一遍。

Question

考虑

∫01 ⁣ ⁣∫−12(x−4y) dx dy\int_{0}^{1}\!\!\int_{-1}^{2}(x-4y)\,dx\,dy

(a) 描述积分区域。
(b) 计算这个二重积分。
(c) 交换积分次序,并计算所得的积分。

Step-by-step solution

  1. (a) 读出积分限。 内层变量是 xx,上下限是常数 −1-1 和 22;外层是 yy,从 00 到 11。因为四个积分限全是常数,所以积分区域是一个矩形:

    D={(x,y):−1≤x≤2, 0≤y≤1}D=\{(x,y):-1\le x\le 2,\ 0\le y\le 1\}

    四个顶点是 (−1,0)(-1,0)、(2,0)(2,0)、(2,1)(2,1) 和 (−1,1)(-1,1)。

  2. (b) 先对 x 积分,把 y 当作常数。

    ∫−12(x−4y) dx=[x22−4yx]−12=(2−8y)−(12+4y)=32−12y\int_{-1}^{2}(x-4y)\,dx=\left[\frac{x^{2}}{2}-4yx\right]_{-1}^{2}=(2-8y)-\left(\tfrac12+4y\right)=\frac{3}{2}-12y

  3. 再把结果对 y 积分。

    ∫01(32−12y)dy=[3y2−6y2]01=32−6=−92\int_{0}^{1}\left(\frac32-12y\right)dy=\left[\frac{3y}{2}-6y^{2}\right]_{0}^{1}=\frac32-6=-\frac92

  4. (c) 交换积分次序。 在矩形上,两组积分限直接对调位置即可 —— 不需要分情况讨论,因为哪个变量的范围都不依赖另一个:

    ∫−12 ⁣ ⁣∫01(x−4y) dy dx\int_{-1}^{2}\!\!\int_{0}^{1}(x-4y)\,dy\,dx

  5. 按新次序算一遍。 先对 yy 做内层积分:

    ∫01(x−4y) dy=[xy−2y2]01=x−2\int_{0}^{1}(x-4y)\,dy=\left[xy-2y^{2}\right]_{0}^{1}=x-2

    再对 xx 积分:

    ∫−12(x−2) dx=[x22−2x]−12=(2−4)−(12+2)=−2−52=−92\int_{-1}^{2}(x-2)\,dx=\left[\frac{x^{2}}{2}-2x\right]_{-1}^{2}=(2-4)-\left(\tfrac12+2\right)=-2-\tfrac52=-\frac92

    −92\boxed{-\dfrac92}

  6. 用一个捷径再确认一次。 因为被积函数能拆开、区域又是矩形,所以 ∬D(x−4y) dA=(∫−12x dx)(1)−4(∫01y dy)(3)=32−4(12)(3)=32−6=−92\iint_D(x-4y)\,dA=\left(\int_{-1}^{2}x\,dx\right)(1)-4\left(\int_{0}^{1}y\,dy\right)(3)=\tfrac32-4\left(\tfrac12\right)(3)=\tfrac32-6=-\tfrac92,与两种次序的结果都一致 —— 这正是富比尼定理的一个实例:连续的被积函数在矩形上,两种次序必然给出相同的值。

Answer

−92-\dfrac{9}{2}

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