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在定积分的计算中,最重要的方法是定积分的换元法,将其方法进行推广和延伸,可以得到重积分的换元法。

一、定积分的换元法

设 为 上的单调连续可微函数, 在 构成的闭区间 上连续,其中

如果 ,则 ;

如果 ,则 ;

则有如下定积分换元公式:

【注】依据定积分换元的“下限对下限,上限对上限”的换元计算原则:

  • 当 单调递增, ,则

即有积分

  • 当 单调递减, ,则

即有积分

即在两端都符合定积分的标准形式,下限小于上限的情况下,具有如上统一的积分式。积分下限小于积分上限,即可以直观认为 , 都为线段(区间)的长度,所以都要求大于0,也即标准定积分形式要求变量微元大于0。这与重积分的 表示面积、体积要求大于0要求一致。

二、重积分的换元法

一般性结论:设 在有界闭区域 上连续,存在一对一的变换 将闭区域 变换成 ,且满足:

a)在 上有一阶连续偏导数;

b)在 上雅克比行列式

则有

【注】当 不好变换得到,而换元变换为 时 ,有

  • 二重积分

雅克比行列式

二重积分的换元公式为

  • 三重积分

雅克比行列式

三重积分的换元公式为

三、典型应用结果

  • 二重积分极坐标计算公式


  • 三重积分柱坐标计算公式


  • 三重积分球坐标计算公式


  • 广义极坐标变换


  • 广义球坐标变换

关于重积分、重积分计算的一般思路与方法的详细分析与讨论可以参见视频课堂课程中的“三重积分计算的一般思路与方法及三种坐标系下积分的计算步骤”章节中的五个教学视频:

• 第1节:三重积分计算的一般思路与步骤

• 第2节:计算三重积分的“先一后二”投影法的思路与步骤实例分析

• 第3节:柱坐标系中计算三重积分的思路与步骤实例分析

• 第4节:计算三重积分的“先二后一”截面法的思路与步骤实例分析

• 第5节:球坐标系中计算三重积分的思路与步骤实例分析

另外在“、、全国大学生数学竞赛预赛非数学类试题解析”等在线课堂对重积分的各类计算方法分别进行了深入的分析与探讨!

当然在其他真题解析在线课堂中也结合竞赛真题,对出现的二重积分问题进行了分析与思路探索方法,具体参见各届竞赛真题解析课堂。公众号回复“在线课堂”,或者直接点击进入在线课程列表,历届竞赛真题与专题在线课程不仅适用于大学生数学竞赛,也适用于全国硕士研究生招生考试与课程学习,不仅适用于基础阶段的学习、复习,也适用于学习、复习、备考的提高、深化与查漏补缺,更能学到探索问题求解思路的方法和提升问题求解思路探索的能力!

参考课件

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【注】课件中例题与练习参考解答请参见对应的后续推文,直接点击文首的话题“”查看该章节内容列表!

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