累次积分(iterated integral)
二重或三重积分被定义为对区域上小方块的单个极限,但没人真的去算那个极限。累次积分就是取而代之的实用配方:你对一个变量积分、同时把其余变量冻住,得到一个关于剩下变量的函数,再对它积分,如此往复——一个接一个的普通一重积分。这就像切片吃面包一样:先把每一片横着积出来,再把各片加起来。
具体地说,一个累次二重积分长成 从 a 到 b 对 [从 g(x) 到 h(x) 对 f(x, y) dy 的积分] dx 的积分。你先做里面的:把 x 当常数,对 y 从下边界 g(x) 到上边界 h(x) 积分 f。结果是某个函数 A(x)——位置 x 处那一片的面积。然后把 A(x) 对 x 从 a 到 b 积分。从里往外读微分的顺序,就告诉你哪个变量先积;这里 dy 在里面,所以 y 先来。三重积分嵌套三个这样的一重积分。注意内层的限可以是外层变量的函数,但最外层的限必须是纯常数,否则答案里还会留着一个变量。
累次积分正是每个计算机代数系统和每次手算实际所求的;二重积分是含义,累次积分是方法。富比尼定理是那座桥:它保证累次积分等于真正的二重积分,并且两种可能的累次顺序给出同一个数——前提是 f 足够规矩(例如在区域上连续,或绝对可积)。这个前提不是走过场:在无界区域上,或者对一个变号、非绝对可积的 f,两种顺序可能不一致。
从 0 到 1 对 [从 0 到 x 对 (2y) dy 的积分] dx 的积分。内层:从 0 到 x 对 2y dy 的积分 = x^2。外层:从 0 到 1 对 x^2 dx 的积分 = 1/3。内层上限 x 使这成为在三角形 0 <= y <= x <= 1 上的积分。
可变的内层限把一个非矩形区域——这里是三角形——编码进累次积分里。
累次积分与二重积分在概念上是不同的对象,是富比尼定理使它们在数值上相等。没有它的前提,二者可能不同,所以别把它们相等当作理所当然。