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二重积分的换元法在线视频

二重积分的换元法

下一节:二重积分计算举例

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二重积分的换元法课程教案、知识点、字幕

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

多元微积分(先修课)课程列表:

第一章 空间解析几何与向量代数

-第一节 空间直角坐标系

--平面初等几何

--平面解析几何

--空间直角坐标系

--空间图形与方程

-第一节 空间直角坐标系--作业

-第二节 空间向量及其运算

--向量及其几何表示

--向量的代数表示

--向量的数量积

--数量积的应用

--平面方程及其应用

--向量的向量积

--向量积的应用

-第二节 空间向量及其运算--作业

-第三节 空间解析几何

--空间直线与曲线方程

--空间曲面方程

--柱坐标系与球坐标系

-第三节 空间解析几何--作业

第二章 多元函数的极限理论

-第一节 多元函数

--平面点集及其分类

--多元函数

-第一节 多元函数--作业

-第二节 多元函数的极限

--二重极限的定义

--二重极限的性质

--二重极限的计算

-第二节 多元函数的极限--作业

-第三节 多元函数的连续性

--多元函数的连续性

--多元连续函数的性质

-第三节 多元函数的连续性--作业

第三章 多元函数的微分及其应用

-第一节 偏导数与方向导数

--多元函数的一阶偏导数

--多元函数的高阶偏导数

--多元函数的方向导数

-第一节 偏导数与方向导数--作业

-第二节 多元函数的一阶可微性

--多元函数的可微性与全微分

--多元函数可微性的判定

--多元可微函数全微分的性质

--全微分与偏导数的计算

--隐式函数的可微性与偏导数

-第二节 多元函数的一阶可微性--作业

-第三节 一阶微分的应用

--多元可微函数的梯度

--多元函数梯度的应用

--参数曲面的切平面与法向量

--空间曲线的切线与法平面

--多元函数的近似计算与误差估计

-第三节 一阶微分的应用--作业

-第四节 多元函数的高阶可微性

--高阶混合偏导数的克莱罗定理

--高阶可微性与高阶微分

--多元函数的泰勒多项式展开

--多元函数的最值与极值

--多元函数极值的计算

--多元函数最值的计算

-第四节 多元函数的高阶可微性--作业

-多元微分学总结

--多元微分学总结

第四章 重积分及其应用

-第一节 直角坐标系下的二重积分

--矩形区域上的二重积分

--矩形区域上二重积分的计算

--非矩形区域上的二重积分

--非矩形区域上二重积分的计算

-第一节 直角坐标系下的二重积分--作业

-第二节 二重积分的计算

--极坐标系下的二重积分

--二重积分的换元法

--二重积分计算举例

-第二节 二重积分的计算--作业

-第三节 二重积分的应用

--二重积分的几何应用

--二重积分的物理应用

-第三节 二重积分的应用--作业

-第四节 直角坐标系下的三重积分

--箱型区域上的三重积分

--非箱型区域上的三重积分

--三重积分计算举例

-第四节 直角坐标系下的三重积分--作业

-第五节 其它坐标系下的三重积分

--柱坐标系下的三重积分

--球坐标系下的三重积分

-第五节 其它坐标系下的三重积分--作业

-第六节 三重积分的计算与应用

--三重积分的换元法

--三重积分应用举例

-重积分总结

--重积分总结

第五章 曲线曲面积分及其应用

-第一节 第一型曲线积分及其应用

--平面曲线弧长

--空间曲线的弧长与质量

--第一型曲线积分的定义与性质

--第一型曲线积分的计算

--第一型曲线积分的应用

-第一节 第一型曲线积分及其应用--作业

-第二节 第一型曲面积分及其应用

--曲面的面积

--第一型曲面积分的定义

--第一型曲面积分的计算

--第一型曲面积分的应用

-第二节 第一型曲面积分及其应用--作业

-曲线曲面积分总结

--曲线曲面积分总结

二重积分的换元法笔记与讨论

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