方企勤 第五章 多元函数微分学 第3题

教材习题

📝 题目

例 3 变换 $x + y = u,y = {uv}$ 把区域 $\{ \left( {u,v}\right) \mid u > 0,v > 0\}$ 变为区域 $\{ \left( {x,y}\right) \mid x + y > 0,y > 0\}$ . 试求雅可比行列式

$$ \frac{\partial \left( {x,y}\right) }{\partial \left( {u,v}\right) },\;\frac{\partial \left( {u,v}\right) }{\partial \left( {x,y}\right) }. $$

💡 答案解析

解法 1 把 $x,y$ 写成 $u,v$ 的函数: $x = u\left( {1 - v}\right) ,y = {uv}$ ,所以

$$ \frac{\partial \left( {x,y}\right) }{\partial \left( {u,v}\right) } = \left| \begin{matrix} {x}_{u}^{\prime } & {x}_{v}^{\prime } \\ {y}_{u}^{\prime } & {y}_{v}^{\prime } \end{matrix}\right| = \left| \begin{matrix} 1 - v & - u \\ v & u \end{matrix}\right| $$

$$ = u\left( {1 - v}\right) + {uv} = u. $$

逆变换的雅可比行列式为

$$ \frac{\partial \left( {u,v}\right) }{\partial \left( {x,y}\right) } = {\left\lbrack \frac{\partial \left( {x,y}\right) }{\partial \left( {u,v}\right) }\right\rbrack }^{-1} = \frac{1}{u} = \frac{1}{x + y}. $$

解法 2 若变换不易解出 $x,y$ 或 $u,v$ 时,我们只能用隐函数求偏导数方法来求雅可比行列式,一般来说所得行列式可以含有变量 $x,y,u,v$ . 方程组先对 $u$ 求偏导数,得

$$ \left\{ {\begin{array}{l} {x}_{u}^{\prime } + {y}_{u}^{\prime } = 1, \\ {y}_{u}^{\prime } = v, \end{array}\text{ 解出 }\left\{ \begin{array}{l} {x}_{u}^{\prime } = 1 - v, \\ {y}_{u}^{\prime } = v. \end{array}\right. }\right. $$

再对 $v$ 求偏导数,得

$$ \left\{ {\begin{array}{l} {x}_{v}^{\prime } + {y}_{v}^{\prime } = 0, \\ {y}_{v}^{\prime } = u, \end{array}\text{ 解出 }\left\{ \begin{array}{l} {x}_{v}^{\prime } = - u, \\ {y}_{v}^{\prime } = u, \end{array}\right. }\right. $$

所以

$$ \frac{\partial \left( {x,y}\right) }{\partial \left( {u,v}\right) } = \left| \begin{matrix} 1 - v & - u \\ v & u \end{matrix}\right| = u. $$

📋 详细解题步骤

步骤 1/3
目标:将 x, y 表示为 u, v 的函数
由变换 x+y=u, y=uv,解得 x = u(1-v), y = uv。
公式:x = u(1-v), y = uv
提示:注意 u>0, v>0 对应 x+y>0, y>0。
步骤 2/3
目标:计算雅可比行列式 ∂(x,y)/∂(u,v)
计算偏导数:x_u' = 1-v, x_v' = -u, y_u' = v, y_v' = u。则行列式为 |[1-v, -u; v, u]| = (1-v)*u - (-u)*v = u(1-v) + uv = u。
公式:∂(x,y)/∂(u,v) = u
提示:行列式计算结果为 u,注意 u>0。
步骤 3/3
目标:计算逆变换的雅可比行列式 ∂(u,v)/∂(x,y)
利用逆变换雅可比行列式等于原变换雅可比行列式的倒数:∂(u,v)/∂(x,y) = 1 / (∂(x,y)/∂(u,v)) = 1/u。又 u = x+y,所以结果为 1/(x+y)。
公式:∂(u,v)/∂(x,y) = 1/(x+y)
提示:注意 u = x+y。

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