多元函数 / 坐标变换
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坐标变换

本页给出标准定义、定理条件、可执行步骤,并用图示梳理从识别到应用的关系。

一、基本概念

标准定义

由 (x,y)=T(u,v) 把原区域与被积函数改写到新变量;面积元按 Jacobian 的绝对值缩放。

dA=|J|dudv → 一一映射 → 先换区域

二、基本定理

条件与结论

若 T 在区域上分片光滑且一一(或按重数计数),则 dA=|∂(x,y)/∂(u,v)|dudv;三维情形使用三阶 Jacobian。

条件检查

定理只在上述连续性、可导性、定义域、方向或收敛条件满足时使用。

三、基本方法

题目中的执行顺序
  1. 先把边界方程换成 u、v。
  2. 再替换函数和面积元,写出新区域。
  3. 检查映射是否覆盖一次及 Jacobian 是否为零。

例题提示:极坐标面积元是 r,dr,dθ;漏掉 r 或漏换边界都会改变结果。

四、推广应用

综合题中的连接

可推广到极坐标、柱坐标、球坐标和椭圆区域。

五、易错辨析

反例与边界

易错与例子:极坐标面积元是 r,dr,dθ;漏掉 r 或漏换边界都会改变结果。

检查条件、变量/方向、边界与等号条件,再确认结论没有超出题设。

坐标变换:从定义到应用dA=|J|dudv一一映射先换区域
坐标变换的识别、条件核对与计算路径

公式速查

公式、条件、场景

链式法则与全微分

z=f(u,v):zx=fuux+fvvx
dz=fxdx+fydy

条件:变量关系可微;偏导时固定其余自变量。

场景:复合函数、隐函数和方向导数。

极值判别

D=fxxfyy−fxy²
D>0,fxx>0:极小
D>0,fxx<0:极大;D<0:鞍点

条件:先求全部驻点;D=0 无结论。

场景:局部极值、闭区域最值和约束极值。

重积分与坐标

dA=r dr dθ
dV=r dz dr dθ
dV=ρ²sinφ dρ dφ dθ

条件:换坐标时同时替换区域、函数和体积元。

场景:圆、球、旋转体和三重积分。

积分定理

Green:∮Pdx+Qdy=∬(Qx−Py)dA
Gauss:∯F·n dS=∭div F dV

条件:闭合边界、方向和光滑性满足定理要求。

场景:环流、通量和边界积分化简。

使用边界

公式必须和适用条件一起使用;遇到边界、端点、方向或定义域问题,先检查条件再代入。