利用变量替换计算∬_D (x²-y²)^10 dxdy的疑问
嘿,我来帮你捋清楚这个二重积分换元的问题~你选的u=x-y和v=x+y这个换元思路特别对,但雅可比行列式这里算错啦,咱们一步步拆解修正:
第一步:修正雅可比行列式的计算
首先得明确:换元法里需要的是x,y关于u,v的雅可比行列式,不是u,v关于x,y的。咱们先从换元式反解出x和y:
联立u=x-y和v=x+y,可以得到:
x = (u + v)/2 y = (v - u)/2
接下来计算雅可比矩阵的行列式,对应的矩阵是:
[∂x/∂u ∂x/∂v] [∂y/∂u ∂y/∂v]
算出各个偏导数:
- ∂x/∂u = 1/2,∂x/∂v = 1/2
- ∂y/∂u = -1/2,∂y/∂v = 1/2
所以行列式结果是:(1/2)(1/2) - (1/2)(-1/2) = 1/2(其实还有个更快捷的方法:先算u,v关于x,y的雅可比行列式,结果是2,再取倒数就是1/2,两种方法一致)
第二步:确定新的积分区域E
原区域D是|x| + |y| ≤ 1,把x=(u+v)/2和y=(v-u)/2代入边界条件:
|(u+v)/2| + |(v-u)/2| ≤ 1
两边乘2后化简:|u+v| + |v-u| ≤ 2
利用绝对值的性质:|u+v| + |u-v| = 2max(|u|, |v|),所以不等式等价于max(|u|, |v|) ≤ 1,也就是u∈[-1,1]且v∈[-1,1],这是一个规整的正方形区域,非常方便积分。
第三步:计算变换后的积分
原积分变换后就变成了:
∬_D (x² - y²)^10 dxdy = ∬_E (uv)^10 * (1/2) dudv
这里x² - y² = (x-y)(x+y) = uv,所以(x²-y²)^10=(uv)^10,这部分你是对的~
因为被积函数(uv)^10 = u^10 v^10是可分离变量的,且积分区域是矩形,我们可以把二重积分拆成两个定积分的乘积:
(1/2) * [∫_{-1}^1 u^10 du] * [∫_{-1}^1 v^10 dv]
由于u^10是偶函数,所以∫_{-1}^1 u^10 du = 2∫_{0}^1 u^10 du = 2*(1/11) = 2/11,同理∫_{-1}^1 v^10 dv = 2/11。
代入计算最终结果:
(1/2) * (2/11) * (2/11) = 2/121
关键注意点总结
- 雅可比行列式别搞反:要算x,y对u,v的导数行列式,或者先算u,v对x,y的行列式再取倒数,两种方法都能得到正确结果
- 换元后一定要准确推导新的积分区域,利用绝对值、奇偶性等性质能大幅简化计算
内容的提问来源于stack exchange,提问作者Parseval




