当前课程知识点:多元微积分(先修课) > 第四章 重积分及其应用 > 第二节 二重积分的计算 > 二重积分的换元法
同学 你好
欢迎来到中国大学先修课
《多元微积分》MOOC课堂
我是中国科大微积分老师宣本金
网上人称“笨笨熊”老师
本讲 我们来学习二重积分的换元法
前面 我们探讨了
直角坐标系和极坐标系下的二重积分
对于一个平面区域S
它由两段圆弧和两条直线段所围成
在直角坐标系下
它的描述比较复杂
既不是y型区域
又不是x型区域
但是在极坐标系下
区域S可以用一个极矩形
也就是变量r和θ的变化相互独立
这样如果采用极坐标系
约化成累次积分的上下限很容易确定
那么 面积元呢
直角坐标系下的面积元是dxdy
极坐标系下的面积元是rdrdθ
在涉及圆形或者扇形区域时
主动把直角坐标系转换为极坐标系
有时可以简化计算
那么 这个转换的思想具有一般性吗
也就是 类似于定积分的换元法
二重积分也可以利用换元法
简化计算吗
如何利用适当的换元法
计算二重积分
这就是本讲的中心任务
为了理解二重积分的换元法
我们还是来深入研究一下
二重积分的直角坐标系
与极坐标系的相互转换
为一般的二重积分换元法
提供一点启发
我们知道 直角坐标系与极坐标系
都可以描述平面上的点和点集
从极坐标系下的坐标(r,θ)
可以得到直角坐标系下的坐标(x,y)
我们采用控制变量法来考虑问题
首先 对固定的角度
仅让半径r变化
我们得到从极点出发的射线
称之为r曲线
对固定的半径 仅让角度变化
我们得到一段圆弧
称之为θ曲线
那么 r曲线和θ曲线的切向量
分别是多少
可以利用求参数曲线的切向量的方法
可以分别求出r曲线和θ曲线的切向量
从几何上看
r曲线的切向量是半径方向
θ曲线的切向量是圆的切线方向
因此 它们相互垂直
代数上怎么看
利用向量的数量积是否为零
可以判断两个向量是否垂直
将相交于一点处的
r曲线和θ曲线的切向量
作数量积
可以发现 它们相互垂直
前面 我们利用几何法
推导了极坐标系下的面积元
为了理解一般换元法的面积元变化情况
我们来利用代数法推导一下
上面 推导出了r曲线和θ曲线的切向量
那么 以这两个切向量为邻边
可以构造一个平行四边形
这个平行四边形的面积等于多少
利用向量积 可以计算出
这个平行四边形的有向面积等于rk
如果不考虑方向也就是r
这个计算有什么几何意义
与前面几何法得到的直角坐标系
和极坐标系下的关系对比
可以发现 这个r就是
极矩形面积元drdθ
到直角坐标下的
矩形面积元dxdy的倍数
有了面积元之间的转换关系
我们可以把直角坐标下的二重积分
改写为极坐标系下的二重积分
这个想法具有一般性吗
同学 动脑想一想
到学习讨论区
与小伙伴们交流交流
对平面区域S和二元函数
z=cos(x-y) sin(x+y)
考察函数z在S上的二重积分
观察二元函数的形式
如果直接对变量x和y 计算积分
也可以一步一步地计算出来
同学 自己动手做一下
如果利用换元法
令u=x-y,v=x+y
由变量x y的变化范围
可以解出变量u v的变化范围
在uv平面上
这是一个直角三角形
从u=x-y,v=x+y
可以反解出x y
这个变换表示的是
从uv平面上的一个三角形
映到xy平面上的一个三角形
进一步地
可以研究u曲线和v曲线
它们是xy平面上的直线
我们再来考察
u曲线和v曲线的切向量
以及它们的向量积
由此可以得到
xy平面和uv平面上的
面积元之间的转换关系式
有了上面的分析
xy平面区域S的二重积分
可以改写为uv平面区域S'的二重积分
此时的被积函数的形式比较简单
采用累次积分法
逐次积分
可以方便地计算出
uv平面区域S'上的二重积分
同学 再次回顾一下上面的变换过程
提炼出一般性的思想和方法
到学习讨论区
与小伙伴们交流交流
为了计算一个较为复杂的二重积分
观察被积函数和积分区域的特点
选择合适的变量代换
一般地
令x=φ(u,v) y=ψ(u,v)
确定变量u v的变化范围
分别计算u曲线和v曲线的切向量
以及它们的向量积
进而得到面积元的转换关系式
这样 原来关于变量x y的二重积分
就可以约化为变量u v的二重积分
再进行计算
其中u曲线和v曲线的切向量的向量积
是一个2乘以2的行列式
称为Jacobi行列式
它表达了
从uv平面到xy平面面积伸缩的系数
同学 拿出纸和笔
计算一下二元函数z
在平面区域S上的二重积分
区域S是由两个同心圆
和两条双曲线所围成的区域
二元函数z=x2+y2
直接对变量x y积分
比较复杂
那么 如何作适当的变量代换
计算这个二重积分
同学 仔细观察积分区域
和被积函数的特点
你有什么样的想法
如果令u=x2+y2,v=y2-x2
那么 它们的变换范围比较简单
可以视为uv平面上的一个矩形区域
并且二元函数z的形式也变得简单
同学 反解一下x y
进一步地计算出
u曲线和v曲线的切向量
面积元如何变化
由u曲线和v曲线的切向量
可以计算出变量代换前后
面积元的变换关系式
这样 原来关于变量x y的二重积分
就约化为关于变量u v的
在矩形区域上的二重积分
采用累次积分法
计算新的二重积分
将内层积分关于变量u的定积分
计算出来
最后 只需计算外层关于
变量v的定积分
对于外层变量v的定积分
被积函数是二次根式下的二次式
并且二次项系数小于零
可以利用三角代换计算
最终可以计算出积分值
本讲 我们探究二重积分的换元法
对于一个较为复杂的二重积分
观察积分区域和被积函数的特点
选取合适的变量代换
确定新变元的变化范围
也就是新的积分区域
将变量代换关系
代入函数表达式
得到新的函数关系
计算两个参数曲线的切向量
以及它们的向量积
确定新的面积元
最后 得到一个关于新变元的二重积分
进行计算
二重积分换元法的使用
关键在于变量代换形式的选取
而这个选取方式
需要具体问题具体分析
没有一般性的方法
只有大家在听课和做题时
多观察 多总结
有关二重积分的更多计算
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