积分次序(order of integration)
当你把二重积分写成累次积分时,你必须决定先对哪个变量积分——是先横扫再竖扫,还是反过来?这个选择就是积分次序。对矩形来说它对难度没影响,但在弯曲或倾斜的区域上,一种次序可能是一个干净的单积分,而另一种却逼你把区域切成几块、或与一个没有初等原函数的被积式搏斗。懂得如何从一种次序切换到另一种,是多元微积分里最有用的手上功夫之一。
交换次序绝不只是把 dx dy 换成 dy dx——光这样会给出错误答案。你必须从区域的几何重新推导上下限。标准做法是:画出区域 R;对次序 dy dx,固定一个典型的 x,读出 y 如何变化(在一条下曲线和一条上曲线之间),再让 x 在它的极端常数值之间跑;对 dx dy,固定一个典型的 y,读出 x 如何变化,再让 y 在它的常数之间跑。同一个区域用两种方式描述,给出两个累次积分,富比尼定理担保它们相等。在一种次序下需要切成两块的区域,在另一种次序下可能只需一块。
这远不止是整洁的问题。经典的回报是像 从 0 到 1 对 [从 x 到 1 对 e^{-y^2} dy 的积分] dx 的积分 这样的式子,照写下来毫无希望,因为 e^{-y^2} 没有初等原函数——但把次序换成 dx dy,内层对 x 的积分变得平凡,整个东西塌缩成初等的结果。交换次序也是驯服三角形上、相交曲线之间的区域上、以及许多反常积分的办法。最常见的单一错误,是改了微分却照抄旧的数字上下限;上下限每次都必须从图里重建。
从 0 到 1 对 [从 x 到 1 对 e^{-y^2} dy 的积分] dx 的积分 描述三角形 0 <= x <= y <= 1。把 y 换到外层:从 0 到 1 对 [从 0 到 y 对 e^{-y^2} dx 的积分] dy 的积分 = 从 0 到 1 对 y e^{-y^2} dy 的积分 = (1 - e^{-1}) / 2。
交换次序救活了一个原本内层被积式没有初等原函数的积分。
头号错误是换了微分却保留同样的数字上下限。永远重画区域、从图上读出新的上下限;常数的外层限和可变的内层限都会改变。