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第9章 座標變換與Jacobian

本章小節
  1. 9.1 局部線性縮放決定換元因子
  2. 9.2 四個例題
  3. 9.3 練習
  4. 9.4 完整解答

9.1 局部線性縮放決定換元因子

換元把新參數 (u,v) 映到舊座標 (x,y)=T(u,v)。小參數矩形的兩條邊,一階近似分別映成 DT 的兩欄乘各自邊長。因此面積縮放取 |det DT|;若 det 為負,代表方向翻轉,面積仍非負。對三維體積同樣取三階 Jacobian 行列式的絕對值。

本章用以下正規換元情形。取有界參數區域 E 與其像區域 D,T 在 E 的閉包的開鄰域連續可微。排除邊界與切縫後,T 將 E 的其餘部分一對一映到 D 的其餘部分,Jacobian 非零且逆連續可微。兩側略去的邊界與切縫都只占零面積或零體積,被積函數在 D 的閉包連續。於是 ∬_D f(x,y) dA=∬_E f(T(u,v)) |det DT(u,v)| du dv。三維同樣以三個參數和體積元素換元。若參數化重複覆蓋正面積區域,直接積分會重複計數。

極座標 x=r cos θ、y=r sin θ,取 r≥0。Jacobian 的兩欄是 (cos θ,sin θ) 與 (−r sin θ,r cos θ),行列式 r(cos²θ+sin²θ)=r。故 dA=r dr dθ。圓盤可用 0≤θ<2π,中心和角度切縫不改面積積分。柱座標保留 z,故 dV=r dr dθ dz,積分次序按區域選。

相同的角寬在外圈走過較長弧段,這就是小面積帶有半徑 r 因子的幾何理由。
圖17|相同的角寬在外圈走過較長弧段,這就是小面積帶有半徑 r 因子的幾何理由。

9.2 四個例題

例題1 用極座標算圓盤面積

半徑 2 的圓盤,對 1 積 dA。先積 r,從 0 到 2 得 r²/2 的差 2;再乘角度長 2π,得到 4π。若漏乘 r,這一次數字碰巧也為 4π;改半徑 1 就露出錯誤,正確 π、漏乘為 2π。

半徑 2 的圓盤以 0≤r≤2、0≤θ<2π 掃一次,面積計算必須保留 r。
圖18|半徑 2 的圓盤以 0≤r≤2、0≤θ<2π 掃一次,面積計算必須保留 r。

例題2 環形區域有內半徑

在 1≤x²+y²≤4 積 x²+y²。新函數是 r²,面積元素再乘 r;r 從 1 到 2,θ 掃 2π。結果 2π·(2⁴−1⁴)/4=15π/2。

例題3 方向反轉不是負面積

T(u,v)=(u+v,u−v),把單位正方形變成平行四邊形。矩陣 [1,1;1,−1] 的 det=−2,故面積是 |−2| 乘 1=2。兩邊向量的有向面積才是 −2。

例題4 用柱座標算拋物面下體積

區域 0≤z≤4−x²−y²,投影圓盤半徑 2。先積 z 得 4−r²,再乘 r,體積為 2π∫ 從 0 到 2 的 (4r−r³) dr=2π·4=8π。徑向上限來自高度不可負。

9.3 練習

  1. B09-C09-Q01 極座標 (r,θ)=(2,π/2) 對應哪一點?
  2. B09-C09-Q02 求第一象限單位圓盤面積。
  3. B09-C09-Q03 半徑 3、角寬 π/6 的扇形面積?
  4. B09-C09-Q04 橢圓 x²/4+y²/9≤1 的面積?
  5. B09-C09-Q05 求 T(u,v)=(2u+v,u) 的面積縮放。
  6. B09-C09-Q06 若將 θ 從 0 掃到 4π,積分 1 於單位圓盤會發生什麼?
  7. B09-C09-Q07 半徑 1、高 3 的圓柱體積?
  8. B09-C09-Q08 在單位圓盤積 x²+y²。
  9. B09-C09-Q09 極座標在 r=0 的行列式為 0,為何仍可計算圓盤面積?
  10. B09-C09-Q10 把參數 u、v 交換,面積因子會改變嗎?

9.4 完整解答

Q01

x=2 cos(π/2)=0,y=2 sin(π/2)=2,故是 (0,2)。

Q02

r 從 0 到 1、θ 從 0 到 π/2;徑向積分為 1/2,乘角度長 π/2 得 π/4。

Q03

對 r 從 0 到 3 積得 9/2,乘 π/6 得 3π/4。

Q04

令 x=2u、y=3v,參數區域為單位圓盤,det=6。面積 π 乘 6 得 6π。

Q05

Jacobian [2,1;1,0] 的 det=−1。方向反轉,但 |det|=1,面積不變。

Q06

除切縫與中心外,圓盤幾乎每點被掃兩次。參數積分給 (1/2)·4π=2π,是真面積 π 的兩倍,違反一對一條件。

Q07

取 r∈[0,1]、θ∈[0,2π)、z∈[0,3],積 r。先 z 得 3r,積 r 與角度後得 3π。

Q08

換成 r² 後乘 r,徑向積分 ∫ 從 0 到 1 的 r³ dr=1/4,再乘 2π,得 π/2。

Q09

r=0 對應單一中心點,面積為零;在 r>0 且避開一條角度切縫時可用換元,缺掉的集合不影響本章的正規積分。

Q10

在對應參數點,交換 u、v 等於將 Jacobian 的兩欄對調。行列式反號,絕對值相同。參數點、參數區域及被積式都要同步改寫,才能表示同一塊區域。