多重積分與坐標系

積分次序(order of integration)

當你把二重積分寫成累次積分時,你必須決定先對哪個變量積分——是先橫掃再豎掃,還是反過來?這個選擇就是積分次序。對矩形來說它對難度沒影響,但在彎曲或傾斜的區域上,一種次序可能是一個乾淨的單積分,而另一種卻逼你把區域切成幾塊、或與一個沒有初等原函數的被積式搏鬥。懂得如何從一種次序切換到另一種,是多元微積分裡最有用的手上功夫之一。

交換次序絕不只是把 dx dy 換成 dy dx——光這樣會給出錯誤答案。你必須從區域的幾何重新推導上下限。標準做法是:畫出區域 R;對次序 dy dx,固定一個典型的 x,讀出 y 如何變化(在一條下曲線和一條上曲線之間),再讓 x 在它的極端常數值之間跑;對 dx dy,固定一個典型的 y,讀出 x 如何變化,再讓 y 在它的常數之間跑。同一個區域用兩種方式描述,給出兩個累次積分,富比尼定理擔保它們相等。在一種次序下需要切成兩塊的區域,在另一種次序下可能只需一塊。

這遠不止是整潔的問題。經典的回報是像 從 0 到 1 對 [從 x 到 1 對 e^{-y^2} dy 的積分] dx 的積分 這樣的式子,照寫下來毫無希望,因為 e^{-y^2} 沒有初等原函數——但把次序換成 dx dy,內層對 x 的積分變得平凡,整個東西塌縮成初等的結果。交換次序也是馴服三角形上、相交曲線之間的區域上、以及許多反常積分的辦法。最常見的單一錯誤,是改了微分卻照抄舊的數字上下限;上下限每次都必須從圖裡重建。

從 0 到 1 對 [從 x 到 1 對 e^{-y^2} dy 的積分] dx 的積分 描述三角形 0 <= x <= y <= 1。把 y 換到外層:從 0 到 1 對 [從 0 到 y 對 e^{-y^2} dx 的積分] dy 的積分 = 從 0 到 1 對 y e^{-y^2} dy 的積分 = (1 - e^{-1}) / 2。

交換次序救活了一個原本內層被積式沒有初等原函數的積分。

頭號錯誤是換了微分卻保留同樣的數字上下限。永遠重畫區域、從圖上讀出新的上下限;常數的外層限和可變的內層限都會改變。

又稱
reversing the order of integration交换积分次序更換積分次序