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三重积分的换元法在线视频

三重积分的换元法

下一节:三重积分应用举例

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三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

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

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

三重积分的换元法笔记与讨论

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