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面積の伸び縮みがヤコビアン - 重積分の変数変換の計算問題

円板の上で積分するとき、極座標に直すと に変わります。この がヤコビアンです。

変数をとり替えると、小さな長方形が引き伸ばされたり縮んだりします。その面積比を表す量がヤコビアンで、積分には比のぶんだけ掛け直す必要があります[2]

面積の伸び縮みを測る

平面の小さな長方形が、変換で 平面のどんな図形に写るかを見ます。

だけ動かすと、像は だけ動きます。 についても同じ。

本のベクトルが張る平行四辺形の面積が、行列式の絶対値です。これが元の長方形の面積 の何倍になっているかを表します[2]

行列式に絶対値が付くのは、面積が負にならないためです。向きが反転する変換では行列式が負になりますが、積分には大きさだけが効きます。

ヤコビアンの形

変数なら の行列式です。

変換に要る条件は つです[1]

対応が 1 対 1 であること。
偏導関数が連続であること。
ヤコビアンが領域の内部で 0 にならないこと。

つ目が崩れると、面積がつぶれて逆に戻せません。極座標の原点がその例で、 では になります。境界の 点だけなので積分には影響しません。

問題 1:極座標変換

を求めよ。 とする。

解答 1

とすると です[3]。被積分関数は になります。

円板を長方形 に直しています。積分区間が定数になるところが利点です。

問題 2:楕円の面積

を求めよ。 とする。

解答 2

と置くと、 に対応します。

積分すると です。

円を 方向に 倍、 方向に 倍しただけ。面積が 倍になることが、ヤコビアンにそのまま出ています。

問題 3:双曲線で囲まれた領域

を求めよ。)とする。

解答 3

境界の式をそのまま新しい変数にします。 と置くと、領域は正方形 になる。

逆に解くと です。

面積は になります。

境界の式を変数に選ぶ。曲がった領域を長方形に直す標準の手です。

逆向きに計算する

で解く手間が大きいときは、逆のヤコビアンを出して逆数をとります。

逆写像の微分が微分の逆行列になることから出ます。行列式は逆行列で逆数になる。

問題 なら を直接微分するほうが速い。 で、逆数が です。

問題 4:線形変換

を求めよ。 を頂点とする三角形とする。

解答 4

と置きます。

頂点の行き先を調べると です。辺 、辺 、辺 に対応します。

領域は になりました。

線形変換ではヤコビアンが定数です。領域の頂点だけを追えば、新しい領域が決まります。

3 変数への拡張

変数では の行列式になります。よく使う つは覚えておくと速い[3]

座標体積要素
円柱座標r dr dθ dz
球座標ρ² sin φ dρ dφ dθ

いちばん多い誤りは、球座標の を落とすことです。 の軸の近くで緯線の輪が縮むぶんが、この因子にあたります。

問題 5:上半球の重み付き積分

を求めよ。 とする。

解答 5

球座標で です。上半球は

つの積分が分離します。 です。

を使いました。変数が分離できる形は、球座標の大きな利点です。

問題 6:円柱座標

を求めよ。 とする。

解答 6

円柱座標で被積分関数は 、体積要素は です。

の範囲が によらないので、そのまま長さ が掛かります。

問題 7:複素数の 2 乗に対応する変換

のヤコビアン を求めよ。

解答 7

偏微分して並べます。

と置くと です。正則関数のヤコビアンは になり、ここでは

原点で になるので、原点の近くでは になりません。 が同じ点へ写ります。

問題 8:逆変換のヤコビアン

のとき を求めよ。

解答 8

から直接計算できます。

逆数でも出ます。もとの向きのヤコビアンは次のようになります。

その逆数が で、直接計算した値と一致します。

符号が負なのは向きが反転するためです。積分には を使います。

問題 9:ガウス積分

を求め、そこから を出せ。

解答 9

極座標に直すと、 つ出てくることで積分できる形になります。

一方、被積分関数が と分離するので、 重積分は 変数の積分の 乗です。

変数では原始関数が初等関数で書けません。 次元へ上げてヤコビアンの を借りると解けます。

問題 10:平行四辺形の面積

を頂点とする平行四辺形の面積を、ヤコビアンで求めよ。

解答 10

とすると、単位正方形がこの平行四辺形に写ります。

面積は です。

行列式が面積比を表すという線形代数の事実が、そのままヤコビアンの意味になっています。変数変換は、これを曲がった変換へ局所的に持ち込んだものです。

球座標で体積要素を と書くとどうなりますか。

  • 値は変わらない
  • を落としているので誤り
  • 円柱座標の式になる
__RESULT__

正しくは です。半径 の球面上で、緯度 の緯線の輪は の半径を持ちます。極の近くで輪が縮むぶんが にあたり、これを落とすと極付近を重く数えることになります。

境界の式を新しい変数に選び、面積比を掛け直す。曲がった領域を長方形に直せれば、あとは繰り返し積分です。

参考

Change of Variables in Multiple Integrals. Calculus Volume 3, OpenStax.
Jacobian. Encyclopedia of Mathematics.
Triple Integrals in Cylindrical and Spherical Coordinates. Calculus Volume 3, OpenStax.
極座標に直すと $dA$ が $r\,dr\,d\theta$ に変わります。この $r$ が面積比です。$(u,v)$ 平面の小さな正方形は変換で平行四辺形になり、その面積が偏導関数ベクトルの張る行列式の絶対値になる。境界の式をそのまま新しい変数に選べば、曲がった領域が長方形に直ります。円柱座標と球座標の体積要素、逆変換のヤコビアンを逆数で出す手、$1$ 変数では書けないガウス積分を $2$ 次元へ上げて解く例まで $10$ 問。球座標で $\sin\phi$ を落とすと極付近を重く数えます。