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 > 第六节 三重积分的计算与应用 > 三重积分的换元法
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
我们来学习三重积分的换元法
前面
我们讨论了柱坐标系和球坐标系下的三重积分
我们利用几何直观可知
在柱坐标系下
体积元为rdθdrdz
而在球坐标系下
体积元为ρ平方 sin φ dθdρdφ
进而得到
柱坐标系和球坐标系下的
三重积分的形式
在柱坐标系下
一个区域的变元r θ z变化相互独立
在直角坐标下表达的是一个柱状区域
而在r θ z的坐标系下
它就是一个箱型区域
而箱型区域上的三重积分
可以直接约化为累次积分
进行计算
在球坐标系下
一个区域的变元ρ θ φ变化相互独立
在直角坐标系下表达的是一个球楔形区域
而在ρ θ φ的坐标系下
它就是一个箱型区域
也就是
那个球楔形区域为球箱体区域的原因
利用柱坐标系下
三条坐标轴线
r曲线 θ曲线 z曲线
以及它们的切向量所张成的平行六面体的体积
可以得到柱坐标系下的体积元
利用球坐标系下三条坐标轴线
ρ曲线 θ曲线 φ曲线
以及它们的切向量所张成的平行六面体的体积
可以得到球坐标系下的体积元
同学
由此你能总结出一个一般性的结论吗
即如何讨论三重积分的一般性的坐标变换
到学习讨论区
与小伙伴们交流交流
从柱坐标系和球坐标系下
三重积分形式变化情况
可以抽象出一般坐标变换下
三重积分的变化情况
假设变量x y z分别是u v w的函数
也就是说
存在一个映射
把u v w空间中的一个点
映到x y z空间中的一个点
进一步地
把u v w空间中的一个区域
映到x y z空间中的一个区域
同学 考察一下
如何将一个关于变量x y z的三重积分
约化为关于变量u v w的三重积分
动脑想一想
动手画一画
到学习讨论区
与小伙伴们交流交流
为了讨论三重积分在坐标变换下的变化
我们先来考察微元在坐标变换下的变化情况
设在u v w空间中有一个箱型微元
它映到x y z空间中的
变成什么样的微元
对
可能是一个边界为曲面的
“果冻”形状的空间微元
如何计算x y z空间中微元的体积元
对于一个从u v w变到x y z的一般坐标变换
分别考察相应的坐标轴线
u曲线 v曲线和w曲线
及其切向量
以及由它们所张成的平行六面体的体积
由向量混合积的几何意义
计算三个切向量的混合积
再取绝对值
可以得到平行六面体的体积
注意到
dudvdw是u v w空间中的体积元
这个式子表明从u v w空间中的体积元
到x y z空间中的体积元之间
相差一个因子
这个因子可以用一个3乘3的行列式来表示
这就是Jacobi行列式
有了前面的分析
我们可以叙述三重积分的换元法了
将关于变量x y z的三重积分中
积分区域 被积函数以及体积元
都改写为u v w空间中的相应的部分
即可得到一个在u v w空间中
相应区域上的三重积分
在实际计算过程中
可以利用几何图形和代数表达式
确定u v w空间中的积分区域
这就要求我们熟练掌握空间图形
与方程描述之间相互转化的方法
下面
我们结合具体实例
探究如何对三重积分
作变量代换
计算由隐式曲面所围成立体的体积
由前面的讨论
立体的体积
可以用常值函数1在立体上的三重积分
来表达
那么如何计算这个三重积分
首先
我们来分析
变量x y z的变换范围
以及相互依赖关系
为此
将隐式曲面的方程改写成一个
平方和等于1的形式
这个形式提示我们作什么样的变量代换
从平方和等于1这个表达式出发
作变量代换
即将平方下面的式子作为一个整体
分别令为变量u v w
这样原来的一个隐式曲面方程就变成了
u v w的平方和等于1
它在u v w空间中是一个单位球面
这样
变量u v w的变化情况相对简单
由此可以计算出原来的立体的体积吗
为了计算原来立体的体积
我们首先反解出变量x y z
进而
计算上述变换的Jacobi行列式
以及体积元
这样
原来立体的体积
就约化为一个关于变量u v w的三重积分
而(u v w)在u v w空间中的单位球内的变化
因此
采用球坐标系计算这个三重积分
在球坐标系下
原来立体的体积
就约化为一个关于变量ρ θ φ的三重积分
再约化为累次积分
逐次积分
可得原来立体的体积
本讲
我们首先再次探究了
柱坐标系和球坐标系下的三重积分
由此
抽象出三重积分的一般的换元法
在计算一个较为复杂三重积分时
可以充分利用积分区域和被积函数的特点
选择合适的变量代换
这就是三重积分的换元法
在对三重积分作换元法时
首先理解清楚积分区域 被积函数
以及体积元的变化情况
在理解清楚上述各种因素的变化情况
可以将较为复杂的三重积分
约化为相对简单的三重积分
进行计算
至此
我们对三重积分的定义 性质和计算
做了较为细致的讨论
那么
利用三重积分
可以计算哪些具体的几何和物理量
有关三重积分的应用
请听下回分解
-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
--空间曲面方程
-第三节 空间解析几何--作业
-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
-第三节 多元函数的连续性--作业
-第一节 偏导数与方向导数
-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
-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
-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
-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
-第一节 直角坐标系下的二重积分
-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
--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
-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
--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
-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
-第一节 第一型曲线积分及其应用
--平面曲线弧长
-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





