富比尼定理(Fubini's theorem)
/ Foo-BEE-nee /
富比尼定理是那张许可条,它把一个二重或三重积分——抽象地定义为对小方块的极限——变成你真能算的东西:一摞前后相继做的普通一重积分。它说,区域上真正的积分等于累次积分,而且你可以按任一顺序对各变量积分、得到同一个数。没有它,累次积分就只是一个充满希望、却不保证与你想要之物相符的配方。
对二重积分的表述:若 f(x, y) 在区域 R 上足够规矩,则 f dA 在 R 上的二重积分等于 对 x 的 [对 y 的 f dy 的积分] 的积分,也等于 对 y 的 [对 x 的 f dx 的积分] 的积分。关键的小字是「规矩」的含义。安全的充分条件(有时称作托内利那一半)是 f 连续,或更一般地,f 的绝对值的积分有限——即 f 在 R 上绝对可积。在这个条件下顺序无关紧要。最干净的应用是在矩形上,那里内外层的限全是常数,两种顺序显然对称。
诚实的警告是:绝对可积这个前提是真的、不是装饰。有经典的反例——单位正方形上的函数,或依赖顺序的和——交换积分顺序会改变答案,因为正部和负部各自积出无穷,而抵消依赖于顺序。所以当你为了让一个顽固积分变得可算而交换积分顺序时(这是个标准而有力的招数),你其实是在暗中援引富比尼,你应当确认它的前提成立,尤其是在无界区域上或被积函数变号时。
在矩形 [0,1] x [0,2] 上,x y dA 的积分 = 从 0 到 1 对 x [从 0 到 2 对 y dy 的积分] dx 的积分 = 从 0 到 1 对 x (2) dx 的积分 = 1,与先 y 后 x 的结果相同。两种顺序一致,因为 x y 连续且有界。
在有界矩形上、被积函数连续时,富比尼保证两种顺序给出相同的值。
富比尼不是无条件的。若 f 不绝对可积(其正部与负部都发散),两种累次顺序可能给出不同答案。安全准则:在有界区域上连续,或 |f| 的积分有限。