\[\begin{split}\newcommand{\N}{\mathbb N}
\newcommand{\Z}{\mathbb Z}
\newcommand{\Q}{\mathbb Q}
\newcommand{\R}{\mathbb R}
\newcommand{\C}{\mathbb C}
\newcommand{\ba}{\mathbf{a}}
\newcommand{\bb}{\mathbf{b}}
\newcommand{\bc}{\mathbf{c}}
\newcommand{\bd}{\mathbf{d}}
\newcommand{\be}{\mathbf{e}}
\newcommand{\bbf}{\mathbf{f}}
\newcommand{\bF}{\mathbf{F}}
\newcommand{\bh}{\mathbf{h}}
\newcommand{\bi}{\mathbf{i}}
\newcommand{\bj}{\mathbf{j}}
\newcommand{\bk}{\mathbf{k}}
\newcommand{\bN}{\mathbf{N}}
\newcommand{\bn}{\mathbf{n}}
\newcommand{\bo}{\mathbf{0}}
\newcommand{\bp}{\mathbf{p}}
\newcommand{\bq}{\mathbf{q}}
\newcommand{\br}{\mathbf{r}}
\newcommand{\bR}{\mathbf{R}}
\newcommand{\bs}{\mathbf{s}}
\newcommand{\bT}{\mathbf{T}}
\newcommand{\bu}{\mathbf{u}}
\newcommand{\bv}{\mathbf{v}}
\newcommand{\bw}{\mathbf{w}}
\newcommand{\bx}{\mathbf{x}}
\newcommand{\by}{\mathbf{y}}
\newcommand{\bz}{\mathbf{z}}
\newcommand{\re}{\operatorname{Re}}
\newcommand{\im}{\operatorname{Im}}
\newcommand{\bA}{\mathbf{A}}
\newcommand{\cE}{\mathcal{E}}
\newcommand{\cB}{\mathcal{B}}
\newcommand{\cC}{\mathcal{C}}
\newcommand{\dist}{\operatorname{d}}
\newcommand{\diag}{\operatorname{diag}}
\newcommand{\proj}{\operatorname{proj}}
\newcommand{\rank}{\operatorname{rank}}
\newcommand{\Span}{\operatorname{span}}
\newcommand{\row}{\operatorname{row}}
\newcommand{\col}{\operatorname{col}}
\newcommand{\Null}{\operatorname{null}}
\newcommand{\id}{\operatorname{id}}
\newcommand{\piste}{\boldsymbol{\cdot}}
\newcommand{\kappale}{\newline \hspace{17pt}}
\newcommand{\kohta}[1]{\textbf{#1)}\hspace{5px}}
\newcommand{\kohtav}[1]{\hspace{7pt}\textbf{#1)}\hspace{5px}}
\newcommand{\tilaa}{\vspace{7pt}\\}
\newcommand{\bigfrac}[2]{{\displaystyle{\frac{#1}{#2}}}}
\newcommand{\smallfrac}[2]{{\textstyle{\frac{#1}{#2}}}}
\newcommand{\xn}[2]{(#1_1,#1_2,\ldots,#1_{#2})}
\newcommand{\vastaus}[1]{\null\hfill({\footnotesize#1})}
\newcommand{\mathvastaus}[1]{\eqno{\mbox{({\footnotesize#1})}}}
\newcommand{\ep}[1]{\textnormal{ (\cite[#1]{ep})}}
\newcommand{\pysty}[1]{\left[\begin{array}{@{}r@{}}#1\end{array}\right]}
\newcommand{\sij}[2]{\bigg/_{\mspace{-15mu}#1}^{\,#2}}
\newcommand{\qedhere}{}\end{split}\]
Yleinen muuttujanvaihto avaruusintegraaleilla¶
Tarkastellaan muuttujanvaihtoa \(\R^3\):ssa muuttujien \(uvw\) ja \(xyz\) välillä. Muuttujanvaihtokuvaus on
(1)¶\[F\colon\R_{uvw}^3\to\R_{xyz}^3,\ F(u,v,w)=(x(u,v,w),\,y(u,v,w),\,z(u,v,w))\]
ja sen Jacobin determinantti
\[\begin{split}J_F(u,v,w)=\det(F'(u,v,w))
=\frac{\partial(x,y,z)}{\partial(u,v,w)}
=\begin{vmatrix}
\dfrac{\partial x}{\partial u} & \dfrac{\partial x}{\partial v} & \dfrac{\partial x}{\partial w}\\[10pt]
\dfrac{\partial y}{\partial u} & \dfrac{\partial y}{\partial v} & \dfrac{\partial y}{\partial w}\\[10pt]
\dfrac{\partial z}{\partial u} & \dfrac{\partial z}{\partial v} & \dfrac{\partial z}{\partial w}
\end{vmatrix}.\end{split}\]
Lause 8.5.1
Vastaavin oletuksin kuin lauseessa 7.6.2 pätee:
\[\iiint_A f(x,y,z)\,dx\,dy\,dz
=\iiint_S f(F(u,v,w)) \left| \frac{\partial(x,y,z)}{\partial(u,v,w)}\right|\,du\,dv\,dw.\]
Lause 8.5.1 ja seuraavissa esimerkeissä laskettavat suurennussuhteet
\[\left|\frac{\partial(x,y,z)}{\partial(u,v,w)}\right|\]
todistavat muuttujanvaihtolauseet 8.2.1 ja 8.2.4 sylinteri- ja pallokoordinaateille.
Esimerkki 8.5.2
Sylinterikoordinaattikuvaukselle
\[F(r,\theta,z)
=(x(r,\theta,z),\,y(r,\theta,z),\,z(r,\theta,z))
=(r\cos\theta,\,r\sin\theta,\,z)\]
on
\[\begin{split}\begin{aligned}
\frac{\partial(x,y,z)}{\partial(r,\theta,z)}
=\begin{vmatrix}
\dfrac{\partial x}{\partial r} & \dfrac{\partial x}{\partial\theta} & \dfrac{\partial x}{\partial z}\\[10pt]
\dfrac{\partial y}{\partial r} & \dfrac{\partial y}{\partial\theta} & \dfrac{\partial y}{\partial z}\\[10pt]
\dfrac{\partial z}{\partial r} & \dfrac{\partial z}{\partial\theta} & \dfrac{\partial z}{\partial z}
\end{vmatrix}
=\begin{vmatrix}
\cos\theta & -r\sin\theta & 0\\
\sin\theta & r\cos\theta & 0\\
0 & 0 & 1
\end{vmatrix}
=r.
\end{aligned}\end{split}\]
Laske determinantti kehittämällä viimeisen rivin suhteen ja käytä trigonometrian peruskaavaa \(\sin^2\theta+\cos^2\theta=1\).
Esimerkki 8.5.3
Pallokoordinaattikuvaukselle
\[\begin{split}\begin{aligned}
F(\rho,\phi,\theta)
&=(x(\rho,\phi,\theta),\,y(\rho,\phi,\theta),\,z(\rho,\phi,\theta))\\
&=(\rho\sin\phi\cos\theta,\,\rho\sin\phi\sin\theta,\,\rho\cos\phi)
\end{aligned}\end{split}\]
on
\[\begin{split}\begin{aligned}
\frac{\partial(x,y,z)}{\partial(\rho,\phi,\theta)}
&=\begin{vmatrix}
\dfrac{\partial x}{\partial\rho} & \dfrac{\partial x}{\partial\phi} & \dfrac{\partial x}{\partial\theta}\\[10pt]
\dfrac{\partial y}{\partial\rho} & \dfrac{\partial y}{\partial\phi} & \dfrac{\partial y}{\partial\theta}\\[10pt]
\dfrac{\partial z}{\partial\rho} & \dfrac{\partial z}{\partial\phi} & \dfrac{\partial z}{\partial\theta}
\end{vmatrix}
=\begin{vmatrix}
\sin\phi\cos\theta & \rho\cos\phi\cos\theta & -\rho\sin\phi\sin\theta\\
\sin\phi\sin\theta & \rho\cos\phi\sin\theta & \rho\sin\phi\cos\theta\\
\cos\phi & -\rho\sin\phi & 0
\end{vmatrix}\\
&=\rho^2\sin\phi.
\end{aligned}\end{split}\]
Laske determinantti kehittämällä viimeisen rivin suhteen ja käytä toistuvasti trigonometrian peruskaavaa. Välillä \(0\le\phi\le\pi\) on \(\sin\phi\ge0\), joten
\[\begin{aligned}
\left|\frac{\partial(x,y,z)}{\partial(\rho,\phi,\theta)}\right|
=\rho^2|\sin\phi|=\rho^2\sin\phi.
\end{aligned}\]
Palautusta lähetetään...
Identtinen palautus
Tämä palautus on identtinen aikaisemman palautuksen kanssa. Oletko varma, että haluat lähettää palautuksen?