積分區域(region of integration)
每個多重積分都活在某個集合上——二重積分活在平面的一塊上,三重積分活在空間的一團實體上。這個集合就是積分區域。在你能寫下任何一個上下限之前,你必須知道你在其上求和的形狀:一個圓盤、一個三角形、兩條拋物線之間的面積、一個被拋物面蓋住的柱體。多重積分一半的難度根本不在被積函數——而在於把這個區域描述得足夠精確,以釘死上下限。
區域有幾種方便的類型。若一個區域夾在兩條曲線 y = g(x) 與 y = h(x) 之間、橫跨 x 區間 [a, b],就稱它為 I 型(或豎直簡單型);這時任一 x 處的豎直線在 g(x) 進入、在 h(x) 離開,給出 dy dx 的內層限。若它夾在 x = p(y) 與 x = q(y) 之間、橫跨一個 y 區間,就是 II 型(水平簡單型);水平線給出 dx dy 的內層限。許多區域兩種都是,你就挑讓積分更容易的那種。兩種簡單型都不是的區域,被切成幾塊、每塊都是簡單型,積分就是各塊之和。關鍵在於:是區域的幾何——而非被積函數——定下每一個積分限。
正確讀出區域,是大多數設置錯誤誕生之處,也是大多數錯誤能被治好之處。紀律永遠一樣:畫出來,找到邊界曲線和它們的交點,決定次序,然後對內層變量畫一條掃描線、記下它何處進入、何處離開。區域也決定了你是否該換坐標:圓盤或圓環呼喊極坐標,球體呼喊球坐標,柱體呼喊柱坐標——選取與區域對稱性相符的坐標,通常會把醜陋的變量上下限變成純常數。
y = x^2 與 y = x 之間的區域(它們在 (0,0) 和 (1,1) 相交)是 I 型:對每個 x 屬於 [0,1],y 從 x^2 跑到 x。所以 f dA 在 R 上的積分 = 從 0 到 1 對 [從 x^2 到 x 對 f dy 的積分] dx 的積分。
找到邊界曲線的交點定下外層常數限;曲線本身則是內層限。
被積函數從不決定上下限——區域才決定。一個常見錯誤是讓 f 裡出現的 x 或 y 滲進上下限;上下限只來自 R 的邊界曲線。