定理1
如果f在I=[a,b]×[c,d]上可积,那么单变量函数φ(x)=∫cdf(x,y)dy和ψ(x)=∫cdf(x,y)dy在区间[a,b]上可积,且
∫Ifdσ=∫abφ(x)dx=∫abψ(x)dx
证:分别对[a,b]和[c,d]的分割
πx:a=x0<x1<⋯<xn=b,πy:c=y0<y1<⋯<ym=d,
令
Ii=[xi−1,xi](i=1,2,⋯,n)Jj=[yj−1,yj](j=1,2,⋯,m)
则子矩形
Ii×Ij(i=1,2,⋯,n;j=1,2,⋯,m)
形成了矩形I的分割π=πx×πy。令A=∫Ifdσ,由积分存在的定义可知,对任意的ε>0,存在δ>0,当I的分割π满足∥π∥<δ时,必有
A−ε<i=1∑nj=1∑mf(ξi,ηj)ΔxiΔyj<A+ε
其中ξi∈Ii,ηj∈Jj(i=1,2,⋯,n;j=1,2,⋯,m),现取分割πx,πy满足∥πx∥<δ/2,∥πy∥<δ/2,那么∥π∥<δ,从而上式成立,所以有
A−ε≤i=1∑nj=1∑minff(ξi,ηj)ΔxiΔyj≤i=1∑nj=1∑msupf(ξi,ηj)ΔxiΔyj≤A+ε
而j=1∑minff(ξi,ηj)Δyj表示函数f(ξi)在[c,d]上的下和,所以
j=1∑minff(ξi,ηj)Δyj≤∫cdf(ξi,y)dy=φ(ξi)
同理
j=1∑msupf(ξi,ηj)Δyj≤∫cdf(ξi,y)dy=ψ(ξi)
从而
A−ε≤i=1∑nφ(ξi)Δxi≤i=1∑nψ(ξi)Δxi≤A+ε
即
∥πx∥→0limi=1∑nφ(ξi)Δxi=∥π∥→0limi=1∑nψ(ξi)Δxi=A
成立
Q.E.D.
定理2
设f在I=[a,b]×[c,d]上可积,如果对每一个x∈[a,b],函数f(x,y)在[c,d]上可积,则
∫Ifdσ=∫ab(∫cdf(x,y)dy)dx
上面等式右边称为累次积分,也可以记为
∫abdx∫cdf(x,y)dy
同样,如果对于每一个y∈[c,d],函数f(x,y)在[a,b]上可积,那么有
∫Ifdσ=∫cd(∫abf(x,y)dx)dy
上面等式右边也可以记为
∫cddy∫abf(x,y)dx
证:由定理1可知,
φ(x)=ψ(x)=∫cdf(x,y)dy
所以
∫Ifdσ=∫abφ(x)dx=∫abdx∫cdf(x,y)dy
后半部分同样的证明方法。
Q.E.D.
定理3
设f是[a,b]×[c,d]上的连续函数,则有
∫cddy∫abf(x,y)dx=∫abdx∫cdf(x,y)dy
证:由于f连续,从而φ(x)与ψ(x)都可积,再由定理2易证。
Q.E.D.
定理4
设点集
B={(x,y):y1(x)≤y≤y2(x),a≤x≤b}
其中函数y1,y2在[a,b]上连续,函数f在B上可积。如果对任意的x∈[a,b],单变量积分
∫y1(x)y2(x)f(x,y)dy
存在,那么
∫Bfdσ=∫abdx∫y1(x)y2(x)f(x,y)dy
证:令c=infy1([a,b]),d=supy2([a,b]),从而I=[a,b]×[c,d]⊃B,由于f在B上可积,从而fB在I上可积,而且
∫Bfdσ=∫IfBdσ
显然易知,对每一个x∈[a,b],fB(x,y)在[c,d]上可积,所以由定理2可知,
∫IfBdσ=∫abdx∫cdfB(x,y)dy=∫abdx∫y1(x)y2(x)fBdy=∫abdx∫y1(x)y2(x)f(x,y)dy
Q.E.D.
定义1:正则映射
设有界闭域D⊂R2,连续函数F:D→R,映射φ由公式
x=x(u,v),y=y(u,v)((u,v)∈Δ)
定义,其中Δ是uv平面上的有界闭区域,设映射φ是正则的,即φ是从Δ到D上的一对一的映射,φ在Δ上连续可导,并且
∂(u,v)∂(x,y)=∂u∂x∂u∂y∂v∂x∂v∂y=0
在Δ上成立。
定理5
设正则映射φ把R2中以
(u0,v0),(u0+h,v0),(u0+h,v0+h),(u0,v0+h)
为顶点的的矩形Ahk一对一的映射为φ(Ahk),那么
h→0,k→0limσ(Ahk)σ(φ(Ahk))=∂(u,v)∂(x,y)(u0,v0)
证:由映射后的图像有
σ(φ(Ahk))≈∥(φ(u0+h,v0)−φ(u0,v0))×(φ(u0,v0+k)−φ(u0,v0))∥
由于
φ(u0+h,v0)−φ(u0,v0)=∂u∂φ(u0,v0)h+ξφ(u0,v0+h)−φ(u0,v0)=∂v∂φ(u0,v0)h+η
其中
∥ξ∥=o(h),∥η∥=o(k)
所以
σ(φ(Ahk))≈∥∂u∂φ(u0,v0)×∂v∂φ(u0,v0)∥hk+o(hk)
而
hk=σ(Ahk)
所以上式可以写为
σ(Ahk)σ(φ(Ahk))≈∥∂u∂φ(u0,v0)×∂v∂φ(u0,v0)∥+o(1)
又因为
∂u∂φ×∂v∂φ=i∂u∂x∂u∂yj∂v∂x∂v∂yk00=∂(u,v)∂(x,y)k
所以
∥∂u∂φ×∂v∂φ∥=∂(u,v)∂(x,y)
从而
σ(Ahk)σ(φ(Ahk))≈∂(u,v)∂(x,y)(u0,v0)+o(hk)
所以当h→0,k→0时,有
σ(Ahk)σ(φ(Ahk))=∂(u,v)∂(x,y)(u0,v0)
笔者注:感觉该证明方法不太好,约等于记号不应该用在这里,就算使用也应该讲明原因。
Q.E.D.
定理6
设R2中的有界闭区域D有面积,函数F:→R,映射
φ:{x=x(u,v)y=y(u,v)(u,v)∈Δ
是从Δ到D上的正则映射,那么
D∬F(x,y)dxdy=Δ∬F∘φ(u,v)∂(u,v)∂(x,y)dudv
证:用矩形I把uv平面上的闭区域Δ覆盖起来,用两族平行直线u=ui(i=0,1,2,⋯,m)和v=vj(j=0,1,2,⋯,n)分割I,其中
u0<u1<⋯<um−1<um,v0<v1<⋯<vn−1<vn
令Δui=ui−ui−1(i=1,2,⋯,m),Δvj=vj−vj−1(j=1,2,⋯,n)。分割后可以得到mn个矩形,在映射φ的作用下,它们变成了xy平面下的mn个曲边平行四边形,这时只需要考虑那些完全被包含在D中的曲边平行四边形,将它们记为Di(i=1,2,⋯,k),即Di=φ(Δi),其中Δi(i=1,2,⋯,k)是完全被包含在Δ中的矩形,任取一点ηi∈Di ,并设Δi中唯一的点ξi,使得φ(ξi)=ηi(i=1,2,⋯,k),作积分和
i=1∑kF(ηi)σ(Di)
由定理5可知
σ(Di)∼∣detJφ(ξi)∣σ(Δi)(i=1,2,⋯,k)
所以得到
i=1∑kF(ηi)σ(Di)∼i=1∑kF∘φ(ξi)∣detJφ(ξi)∣σ(Δi)
当分割无限细时,由函数积分九的定理7可得,
∫DFdσ=∫ΔF∘φ∣Jφ∣dσ
Q.E.D.
定理7:极坐标换元
令x=rcosθ,y=rsinθ,则
D∬F(x,y)dxdy=Δ∬F(rcosθ,rsinθ)rdrdθ
证:这时
∂(u,v)∂(x,y)=cosθsinθ−rsinθrcosθ=r
代入定理6的结果即证。
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