您好!很高兴能为您解答三重积分的换元问题。三重积分的换元是处理复杂积分区域或被积函数时非常强大的工具,能够将棘手的积分转化为更容易处理的形式。下面我将详细讲解三重积分的换元方法,并尽量以自然、清晰的方式呈现。
在开始之前,我们先回顾一下一维和二维积分中的换元思想:
一维积分换元 (积分变量代换): $int f(x) dx$ 变成 $int f(g(u)) g'(u) du$。我们通过引入新变量 $u = g(x)$ 来替换 $x$。关键在于将 $dx$ 替换为 $g'(u) du$,并且积分上下限也要相应地进行转换。
二维积分换元 (坐标变换): $iint_D f(x, y) dx dy$ 变成 $iint_{D'} f(x(u, v), y(u, v)) |J| du dv$。我们引入新变量 $u, v$ 来替换 $x, y$。这里的 $|J|$ 是雅可比行列式 (Jacobian determinant) 的绝对值,它衡量了坐标变换对面积(或体积)的缩放比例。
三重积分的换元本质上是二维换元的直接推广。
三重积分换元的核心思想
三重积分 $iiint_E f(x, y, z) dV$ 通过引入三个新的变量 $u, v, w$,令:
$x = x(u, v, w)$
$y = y(u, v, w)$
$z = z(u, v, w)$
将原积分区域 $E subset mathbb{R}^3$ 变换到一个新的积分区域 $E' subset mathbb{R}^3$(由 $(u, v, w)$ 定义)。
此时,积分的表达式变为:
$iiint_{E'} f(x(u, v, w), y(u, v, w), z(u, v, w)) |J| du dv dw$
这里的 $|J|$ 同样是雅可比行列式的绝对值,它表示了由 $(u, v, w)$ 到 $(x, y, z)$ 的坐标变换对体积的缩放因子。
雅可比行列式 (Jacobian Determinant) 的计算
雅可比行列式是由被积函数中的 $x, y, z$ 相对于新变量 $u, v, w$ 的偏导数组成的矩阵的行列式。具体形式如下:
假设我们有变换:
$x = x(u, v, w)$
$y = y(u, v, w)$
$z = z(u, v, w)$
那么雅可比矩阵是:
$$
J = egin{pmatrix}
frac{partial x}{partial u} & frac{partial x}{partial v} & frac{partial x}{partial w} \
frac{partial y}{partial u} & frac{partial y}{partial v} & frac{partial y}{partial w} \
frac{partial z}{partial u} & frac{partial z}{partial v} & frac{partial z}{partial w}
end{pmatrix}
$$
雅可比行列式 $J$ 就是这个矩阵的行列式:
$J = det(J) = frac{partial(x, y, z)}{partial(u, v, w)}$
而我们在三重积分换元中用到的则是它的绝对值:$|J| = |frac{partial(x, y, z)}{partial(u, v, w)}|$
什么情况下适合进行三重积分换元?
主要有以下两种情况:
1. 积分区域 $E$ 的形状不规则,但通过某种坐标变换可以变成规则的区域(如长方体、球形区域等)。
2. 被积函数 $f(x, y, z)$ 的形式复杂,但在新的坐标系下可以大大简化。
常见的换元公式(坐标变换)
下面介绍几种在三重积分中非常实用的坐标变换:
1. 球坐标变换
这是最常用也最重要的一种换元。当积分区域是球体、圆锥体或涉及到与原点距离相关的被积函数时,球坐标通常是最佳选择。
变换关系:
$x = r sin phi cos heta$
$y = r sin phi sin heta$
$z = r cos phi$
这里:
$r$ 是点 $(x, y, z)$ 到原点的距离,通常 $r ge 0$。
$phi$ 是点 $(x, y, z)$ 的位置向量与正 $z$ 轴的夹角(天顶角或极角),通常 $0 le phi le pi$。
$ heta$ 是点 $(x, y, z)$ 在 $xy$ 平面上的投影 $(x, y, 0)$ 的极角,通常 $0 le heta < 2pi$。
体积微元 $dV$ 的变换:
$dV = dx dy dz$ 在球坐标下变为 $r^2 sin phi dr dphi d heta$
雅可比行列式的计算 (只需记住结果):
$frac{partial(x, y, z)}{partial(r, phi, heta)} = r^2 sin phi$
所以 $|J| = |r^2 sin phi| = r^2 sin phi$ (因为 $r ge 0$ 且 $0 le phi le pi$ 时 $sin phi ge 0$)
三重积分换元公式:
$iiint_E f(x, y, z) dx dy dz = iiint_{E'} f(r sin phi cos heta, r sin phi sin heta, r cos phi) r^2 sin phi dr dphi d heta$
其中 $E'$ 是由 $E$ 在球坐标系下的描述。
2. 柱坐标变换
当积分区域是圆柱体、圆锥体,或者被积函数中包含 $x^2+y^2$ 时,柱坐标很方便。它实质上是将 $xy$ 平面上的极坐标与 $z$ 轴相结合。
变换关系:
$x =
ho cos heta$
$y =
ho sin heta$
$z = z$
这里:
$
ho$ 是点 $(x, y, z)$ 在 $xy$ 平面上的投影到原点的距离,通常 $
ho ge 0$。
$ heta$ 是点 $(x, y, z)$ 在 $xy$ 平面上的投影 $(x, y, 0)$ 的极角,通常 $0 le heta < 2pi$。
$z$ 保持不变。
体积微元 $dV$ 的变换:
$dV = dx dy dz$ 在柱坐标下变为 $
ho d
ho d heta dz$
雅可比行列式的计算 (只需记住结果):
$frac{partial(x, y, z)}{partial(
ho, heta, z)} =
ho$
所以 $|J| = |
ho| =
ho$ (因为 $
ho ge 0$)
三重积分换元公式:
$iiint_E f(x, y, z) dx dy dz = iiint_{E'} f(
ho cos heta,
ho sin heta, z)
ho d
ho d heta dz$
其中 $E'$ 是由 $E$ 在柱坐标系下的描述。
3. 更一般的线性变换
有时候,积分区域 $E$ 是一个斜着的长方体,或者被积函数的形式提示我们可以进行某种线性缩放或旋转。例如,令:
$x = au + bv + cw$
$y = du + ev + fw$
$z = gu + hv + iw$
其中 $a, b, c, d, e, f, g, h, i$ 是常数。
在这种情况下,雅可比行列式就是由这些系数组成的矩阵的行列式。
$$
J = egin{vmatrix}
a & b & c \
d & e & f \
g & h & i
end{vmatrix}
$$
$|J|$ 即为该行列式的绝对值。
三重积分换元公式:
$iiint_E f(x, y, z) dx dy dz = iiint_{E'} f(au+bv+cw, du+ev+fw, gu+hv+iw) |J| du dv dw$
其中 $E'$ 是由 $E$ 在 $(u, v, w)$ 坐标系下的描述。
如何选择换元?
观察积分区域 $E$:
如果区域是球体、球冠、圆锥体,或者关于原点有对称性,考虑球坐标。
如果区域是圆柱体、圆台,或者 $xy$ 平面上的投影是扇形区域,且被积函数涉及 $x^2+y^2$,考虑柱坐标。
如果区域是斜着的平行六面体,或者被积函数是关于线性组合的,考虑线性变换。
观察被积函数 $f(x, y, z)$:
如果函数中包含 $sqrt{x^2+y^2+z^2}$ 或 $x^2+y^2+z^2$,考虑球坐标。
如果函数中包含 $sqrt{x^2+y^2}$ 或 $x^2+y^2$,考虑柱坐标。
目标是简化积分: 最终目的是将原积分转化为在某个规则区域上进行的、被积函数形式更简单的积分。
具体步骤示例 (假设有一个您想让我解释的题目)
如果您能提供一个具体的题目,我就可以为您演示具体的换元步骤。但这里我可以先概括一下一般的操作流程:
假设我们要计算 $iiint_E f(x, y, z) dV$
1. 分析积分区域 $E$ 和被积函数 $f(x, y, z)$: 确定哪种坐标变换(球坐标、柱坐标、线性变换等)最适合化简积分。
2. 建立换元关系: 写出从新变量 $(u, v, w)$ 到旧变量 $(x, y, z)$ 的变换公式,例如:
$x = x(u, v, w)$
$y = y(u, v, w)$
$z = z(u, v, w)$
或者 从旧变量到新变量的逆变换:
$u = u(x, y, z)$
$v = v(x, y, z)$
$w = w(x, y, z)$
3. 计算雅可比行列式 $|J|$:
根据选定的变换关系,计算偏导数。
构建雅可比矩阵。
计算行列式并取绝对值。
记住常见变换的雅可比式:球坐标是 $r^2 sin phi$,柱坐标是 $
ho$。
4. 确定新的积分区域 $E'$:
将原积分区域 $E$ 的边界方程用新变量表示。
找出在新坐标系下,新变量的取值范围。例如,在球坐标下,我们常常需要确定 $r$ 的上限和下限,$phi$ 的范围,以及 $ heta$ 的范围。
5. 代入被积函数: 将 $x, y, z$ 在被积函数 $f(x, y, z)$ 中替换成关于新变量的表达式 $f(x(u, v, w), y(u, v, w), z(u, v, w))$。
6. 写出新的三重积分: 将以上所有元素组合起来,写出关于新变量的积分:
$iiint_{E'} f(x(u, v, w), y(u, v, w), z(u, v, w)) |J| du dv dw$
7. 计算新的积分: 在新的积分区域 $E'$ 上,使用新变量计算这个三重积分。通常,化简后的积分会更容易处理。
举个简单的例子:计算球体体积
我们要计算半径为 $R$ 的球体 $E: x^2+y^2+z^2 le R^2$ 的体积。
体积 $V = iiint_E 1 , dV = iiint_E 1 , dx dy dz$。
步骤:
1. 分析: 区域是球体,被积函数是常数 $1$。球坐标变换非常适合。
2. 换元:
$x = r sin phi cos heta$
$y = r sin phi sin heta$
$z = r cos phi$
3. 雅可比行列式: $|J| = r^2 sin phi$。
4. 新区域 $E'$:
球体 $x^2+y^2+z^2 le R^2$ 在球坐标下是 $r^2 le R^2$,即 $0 le r le R$(因为 $r ge 0$)。
天顶角 $phi$ 覆盖整个球体,所以 $0 le phi le pi$。
方位角 $ heta$ 覆盖整个圆周,所以 $0 le heta < 2pi$。
因此,新区域 $E'$ 是 $0 le r le R$, $0 le phi le pi$, $0 le heta < 2pi$ 的一个直角长方体区域。
5. 代入被积函数: 被积函数是 $1$,所以代入后仍然是 $1$。
6. 写出新积分:
$V = int_0^{2pi} int_0^pi int_0^R 1 cdot (r^2 sin phi) dr dphi d heta$
7. 计算新积分:
$V = int_0^{2pi} d heta int_0^pi sin phi dphi int_0^R r^2 dr$
$V = [ heta ]_0^{2pi} cdot [ cos phi ]_0^pi cdot [ frac{r^3}{3} ]_0^R$
$V = (2pi 0) cdot (cos pi (cos 0)) cdot (frac{R^3}{3} 0)$
$V = 2pi cdot ((1) (1)) cdot frac{R^3}{3}$
$V = 2pi cdot (1 + 1) cdot frac{R^3}{3}$
$V = 2pi cdot 2 cdot frac{R^3}{3}$
$V = frac{4}{3}pi R^3$
这正是球体的体积公式,过程非常清晰。
如果您有具体的题目,请随时提出,我很乐意一步步为您解析。希望以上讲解足够详细!