二重积分的变量代换§4 二重积分的变量代换引言有一种情形，函数f 在D 上可积，但无论采用哪种积分次序都“算不出来”。
例如 22()xy DI e dxdy -+=??，D={}222(,)|x y x y a +≤分析：∵函数f(x,y)=22()xy e -+ 在有界区域D={}222(,)|x y x y a +≤处处连续，∴f ∈R （D ）222222()aa x x y aa xI dx e dy --+---=??=222222aa x x y a a xedx e dy ------??或者 222222()aa x x y aa xI dy e dx --+---=??=222222aa x y x aa xedy e dx ------??计算不出来！f ∈R （D ），但化为二次积分后算不出来，因此，我们有必要寻找更有效的计算二重积分的方法. 联想到定积分的计算方法，换元法、分部积分法、N-L 公式等，特别是换元法，是一种化难为易的有效方法. 在二重积分中能否利用这种化难为易的思想呢？二重积分的变量代换，就是这种方法，。
在定积分中，换元积分法对简化定积分计算起着重要的作用. 对于二重积分也有相应的换元公式，用于简化积分区域或被积函数.1 定积分换元积分法公式的改写2 一元函数)(x f y =在0x 的导数的绝对值)(0x f '的几何意义3 函数行列式的几何意义设变换),( , ),(v u y y v u x x ==的Jacobi0),(),(≠??v u y x D '是在该变换的逆变换),( , ),(y x v v y x u u ==下XY 平面上的区域D 在UV 平面上的象. 由条件0),(),(≠??v u y x , 这里的逆变换是存在的.一般先引出变换),( , ),(y x v v y x u u ==,设函数),( , ),(y x v v y x u u ==在XOY 平面上的区域D 内有连续的偏导数 . 在此变换之下,XOY 平面上的区域D 变为UV 平面上的区域D ', 且设0),(),(≠??=v u y x J .由此求出变换),( , ),(v u y y v u x x ==，并且 1),(),(),(),(-=??y x v u v u y x .引理1( 补充) 设变换T ：),( , ),(y x v v y x u u ==如上所述, 又设在XOY 平面上有一块包含点),(y x 的区域σ, 点),(y x 和σ都在D 内 . 通过变换),( , ),(y x v v y x u u ==将点),(y x 变换为UV 平面上一点),(v u , 将σ变换为UV 平面上包含点),(v u 的一块区域*σ.那么当σ无限地向点),(y x 收缩时 , 它们的面积之比||||*σσ的极限为||J , 即),(),(|||*|lim),(y x v u y x ??=→σσσ. 证明思路（参见刘玉琏教材下册9225定理3）:(1) 在D 内取出一点),(y x A , 作一个矩形ABCD ( 边与坐标轴平行, 字母ABCD 依逆时针标记 ) . 设四个顶点的坐标为),(y x A , ) , ( , ) , ( , ) , (dy y x D dy y dx x C y dx x B ++++. 则其面积分为dxdy .(2) 变换 ),( , ),(y x v v y x u u ==把该矩形变为UV 平面上的一个曲边四边形D C B A ''''，设四个顶点的坐标为),(11v u A '， ),(22v u B '， ),(33v u C '， ),(44v u D '.(3) 用Taylor 公式把曲边四边形D C B A ''''的四个顶点坐标用x 和y 表示出来: ),( , ),( :11y x v v y x u u A ==';, )(),(),() , ( :2dx dx y x u y x u y dx x u u B x ++=+=' ; )(),(),() , (2dx dx y x v y x v y dx x v v x ++=+=)()(),(),(),() , ( :3dy dx dy y x u dx y x u y x u dy y dx x u u C y x ++++=++=',.)()(),(),(),() , ( 3dy dx dy y x v dx y x v y x v dy y dx x v v y x ++++=++=;)(),(),() , ( :4dy dy y x u y x u dy y x u u D y ++=+=',)(),(),() , ( 4dy dy y x v y x v dy y x v vy ++=+=. (4) 略去)(dx 和)(dy , 得仿射变换. 在该仿射变换之下, 矩形ABCD 变为平行四边形. 用该平行四边形的面积近似代替曲边四边形D C B A ''''的面积. 平行四边形的顶点坐标是上述D C B A '''',,,的顶点坐标表达式中略去)(dx 和)(dy 所剩的式子.该平行四边形的面积==±111332211v u v u v u ==++++++±1),(),(),(),(),(),(1),(),(),(),(1),(),(y x v dx y x v y x v y x u dx y x u y x u dxy x v y x v dxy x u y x u y x v y x u y x y x x xd x d y y x v u dy v dy u dx v dx u v u y y x x ),(),(001=±=. 注1 引理1即证明了换算公式 d u d v v u y x d x d y),(),(??=. 一、二重积分的一般变量变换公式引理2变换T ：(,)x x u v =，(,)y y u v =（*）. 通过（*）把?变为D ，在?上有关于x,y 的连续偏导数，并且变换（*）是一对一的，又设(,)0(,)x y J u v ?=≠?（在?内不为0），则区域D 的面积 dudv v u J dxdy D D==),()(μ （5）证明 P233定理21.13 设D 2R ?有界闭区域，()f R D ∈，变换T ：(,)x x u v =，(,)y y u v =（*）. 通过（*）把?变为D ，在?上有关于x,y 的连续偏导数，并且变换（*）是一对一的，又设(,)0(,)x y J u v ?=≠?（在?内不为0），则 d u d v v u J v u y v u x f d x d y v u J y x f D=),()),(),,((),(),(证明 P235例1+-Dyx yx dxdy e, 1 , 0 , 0 :=+==y x y x D .解 P235-236注2 当被积函数形如) ( ) , (1221222111b a b a c y b x a c y b x a f ≠++++, 积分区域为直线型时,可试用线性变换 222111 , c y b x a v c y b x a u ++=++=. 补例1Ddxdy y x 22, xy x y x y x y D 3 , 1 , 2 , 21 :====. 解设xy v x y u ==,. 则] 3 , 1 ; 2 , 21[) , (∈v u .x y xyxx yy x v u 21),(),(2=-=?? ， ? u y x v u y x 212),(),(==??. 因此 ,'==?==D D u v u du dv v dudv u v 31221221313222ln 326ln 3212121. 注3 若区域D 是由两组“相似”曲线 ( 即每组中的两条曲线仅以一个参数不同的取值相区别 ) 围成的四线型区域 , 可引进适当的变换使其变成矩形区域 . 设区域D 由以下两组曲线围成 : 第一组: ) ( , 0),,( , 0),,(q p q y x F p y x F <==; 第二组: ) ( , 0),,( , 0),,(b a b y x G a y x G <==.可试用变换0),,( , 0),,(==v y x G u y x F . ] , ; , [) , (b a q p v u ∈. 从中解出),( , ),(v u y y v u x x ==. 在此变换之下, 区域D 变成UV 平面上的矩形区域] , [ ] , [b a q p ?.例 2 求由抛物线 ) 0 ( , 22n m nx y mx y <<== 和直线 x y x y βα== , ) 0 (βα<<所围平面区域D 的面积 .解 P236注4 在具体问题中，选择变换公式的依据有两条：（1）使变换的函数容易积分；（2）使得积分限容易安排.二、用极坐标变换计算二重积分1 极坐标变换下的二重积分变换公式极坐标变换是一种特殊的变量替换.极坐标变换T ：cos ,sin x r y r θθ== （8）此时(,)(,)x y r θ??=cos sin sin cos ||r r r θθθθ-= 注5 在定理21.13中，假设J ≠0，但有时会遇到这种情形. 变换行列式在区域内个别点上等于0.或只在区域个别线段上等于0，而在其它点上非0，此时定理21.13结论能成立.定理21.14 设),(y x f 满足定理21.13的条件，在极坐标变换（8）下，有(,)Df x y dxdy ??='(cos ,sin )D f r r rdxdy θθ?? （9）证明 P2382 在什么情况下使用极坐标变换当积分区域是圆域或是圆域的部分或被积函数的形式为22()f x y +时，采用极坐标变换来计算往往简便得多.3二重积分在极坐标变换下如何化为二次积分来计算下面分情况讨论之情形1 若'D ={}1212(,)|()(),r r r r θθθθθθ≤≤≤≤，1()r θ，2()r θ为[1θ，2θ]上的连续函数，则称之为θ型区域（如P239图21-24）.这时，类似于上节的x-y-型区域的取法，可将之化为下面形式：'(cos ,sin )D f r r rdrd θθθ??=2211()()(cos ,sin )r r d f r r rd r θθθθθθθ??（10）两种特例（1）若极点O 是积分区域的内点，则变换T 后的区域为'D ={}(,)|0(),02r r r θθθπ≤≤≤≤ 此处r =()r θ是'D 的边界曲线（如P239图21-26），此时有'(cos ,sin )D f r r rdrd θθθ??=2()(cos ,sin )r d f r r rdr πθθθθ??(12)(2)若积分区域的边界曲线r =()r θ通过极点O 时（如P239图21-27），应先求出极径，即使()r θ=0的两个角度1θ，2θ，此时有'(cos ,sin )D f r r rdrd θθθ??=21()(cos ,sin )r d f r r rdr θθθθθθ??（13）情形2 若'D ={}1212(,)|()(),r r r r r r θθθθ≤≤≤≤，其中1()r θ，2()r θ∈C[1r ，2r ] （r-型区域，如P239图21-25），此时有'(cos ,sin )D f r r rdrd θθθ??=2211()()(cos ,sin )r r r r dr f r r rd θθθθθ??（11）例3221DdxdyI x y =--??，D 为圆域122≤+y x解 P240例4 求球体2222R z y x ≤++被圆柱面Rx y x =+22所割下立体的体积（称为维维安尼（Viviani ）体）.解 P240例5 22()xy DI e dxdy -+=??，D={}222(,)|x y x y a +≤广义极坐标变换: θθsin , cos br y ar x ==,abr r y x =??),(),(θ.补例6 求椭球体2222221x y z a b c++≤的体积补例2应用二重积分求广义积分?+∞-02dx e x .补例3有一个形状为旋转抛物面22z x y =+的容器内，已经盛38cm π，的溶液，现又倒进3120cm π的溶液，问液面比原来的液面升高多少cm ?作业P242：1（1）、（2），2（2）、（4），3（1）、（2），4，5（2），6（1）、（2）.附录：极坐标系下的二重积分的公式1 用定积分定义推导极坐标系下的二重积分的公式极坐标变换：cos ,sin x r y r θθ== (0,02)r θπ≤<+∞≤≤。
第十章 积分变换法1．试求有限波列0cos 2()0t f t πγ⎧=⎨⎩ t T t T <≥当当的傅立叶变换()c ω. 解：1()()2i t f t c e d ωωωπ+∞−∞=∫00000000()()cos 2(cos sin )2[cos(2)cos(2)]sin(2)sin(2)22i t T TTc f t e dtt t i t dt t t dt T Tωωπγωωπγωπγωπγωπγωπγωπγω+∞−−∞+−==−=++−+−=++−∫∫∫2.试求阻尼正弦波0sin 2()0t e t f t απγ−⎧=⎨⎩ 00t t ><的傅立叶变换()c ω。
解：1()()2i t f t c e d ωωωπ+∞−∞=∫00000[(2)][(2)]0[(2)][(2)]00000020()()sin 21{}21{}2(2)(2)111[]2(2)(2)2(2)(i t T t i t Ti t i t i ti tc f t e dte te dt e e dte e i i i i i ωαωπγωαπγωαπγωαπγωαωπγπππγωαπγωαππγωαπγωαπγπγα+∞−−∞+−−−+∞−−+++∞−−++===−=−−−++−=−−−++=++∫∫∫2)ω 3．求函数221()f x a x=+（a>0）的傅立叶变换。
解：22()()ikxikxe c kf x edx dx a x −∞∞−−∞−∞==+∫∫为应用留数定理，要分别讨论k<0及k>0情形。
2222x 222222(1)0()2Re ()222(2)0()()()i k xi k zi k iak a z iaikx ikxx ikx k aka k ec k dx i sF ia a xeeii ea z ia ak e e c k dx d x a x a x e d x e e a x a aππππππ∞−∞−=−−∞∞−∞−∞∞−−−∞<==+===+>==−++===+∫∫∫∫用代替综合：()k ac k eaπ−=4.求函数sin ()axf x x =的傅立叶变换，a 为正实数。
