§ 3.2. Замена переменных в двойном интеграле
Пусть имеется множество в плоскости ,Oxy по которому можно интегрировать различные функции
(например, ограниченные и непрерывные). Пусть, далее, имеется другое множество
G
),( yxf
в плоскости
по которому также можно интегрировать различные функции. Замена переменных в двойном
интеграле
состоит в переходе к новым переменным и по формулам:
,Ouv
∫∫
G
dxdyyxf ),( u v
(3.6)
∈
=
=
.),(
),,(
),,(
Hvu
vuy
vux
ψ
ϕ
При этом каждой точке ( из G соответствует некоторая точка )( из
, а каждая точка из
)
)
, yx ,vu
H ,( vu
переходит в некоторую точку )( множества G (рис. 3.8). ,x y
x
v
0
u
y
(,)uv
(, )xy
G
H
(,)
(,)
xuv
yuv
ϕ
ψ
=
=
0
Рис. 3.8.
Иными словами, когда точка ) "пробегает" множество соответствующая ей точка ,( vu ,H
(
),(),,(),( vuvuyx
)
= "пробегает" множество G . Функции (3.6) называют отображением области
плоскости )( на область G плоскости ( ,vu ), y .x
Пусть отображение (3.6) удовлетворяет следующим условиям.
1°. Отображение (3.6) взаимно однозначно, т.е. различным точкам ) из ,( vu
соответствуют
различные точки ( из )
)
, yx .G
2°. Функции ,(),,( vuvu
имеют в
непрерывные частные производные первого порядка.
3°. Якобиан отображения
vu
vu
vu
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂
=
∂
∂
ψψ
ϕϕ
ψϕ
),(
),(
отличен от нуля во всех точках множества .H
Тогда справедлива теорема о замене переменных в двойном интеграле.
Теорема. Пусть G и
– ограниченные, с границей нулевой площади множества, расположенные,
соответственно, в плоскостях и а отображение Oxy ,Ouv
2
,0
π
удовлетворяет условиям 1
°
-3
°
. Тогда
для любой интегрируемой в G функции справедлива формула )y,(xf
∫∫ ∫∫
∂
∂
=
GH
dudv
vu
vuvufdxdyyxf .
),(
),(
)),(),,((),(
ψϕ
ψϕ
(3.7)
Формула (3.7) называется
формулой замены переменных в двойном интеграле.
Замечание. Если условие 1° (взаимная однозначность отображения (3.6)) или условие 3° (отличие от
нуля якобиана отображения) нарушается на множестве точек нулевой площади (например, в отдельных
точках или на отдельных кривых), то формула (3.7) все равно остается справедливой.
Наиболее типичные примеры применения замены переменной для вычисления двойного интеграла
связаны с переходом от прямоугольных координат
, на плоскости к полярным координатам .y ,
В
этом случае:
, (3.8)
∫∫
G
dxdyyxf ),(