变量替换与雅可比:面积元素也会变
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重积分换坐标不只是把 x、y 换成 r、θ。坐标网格在变换中被拉伸或压缩,面积元素必须乘雅可比行列式的绝对值。极坐标中的 dA=r dr dθ,那个 r 正是局部面积缩放。
从小矩形看缩放
参数平面的小矩形经映射后近似成平行四边形,两条边由偏导向量给出,面积是行列式绝对值乘原面积。行列式符号表示方向翻转,积分面积取绝对值。
先画区域
换元前画原区域与新坐标范围。圆盘用极坐标自然,但偏心或有孔区域会出现分段边界。只改被积函数而沿用旧积分限是常见错误。
一一性
变换在区域内应尽量一一对应;极坐标原点与角度周期会造成重复表示。选择半开角区间并处理奇点,避免重复积分。
选择坐标看对称性
圆对称用极坐标,柱对称用柱坐标,球对称用球坐标。坐标选择是把区域与被积函数结构变简单,不是规定所有二重积分都换元。
单位检查
二维雅可比带来长度平方尺度,三维带体积尺度。最终单位应与所求质量、概率或体积一致。
概率密度换元尤其不能漏雅可比,否则新变量的密度积分不再为1。完成后用一个简单常密度区域核对总面积,是快速自检办法。
练习:推导极坐标雅可比,计算圆盘上径向密度的总量,并检查角度范围是否重复。
小纸条
重积分换元时为什么必须乘雅可比行列式?