在考研数学中,积分的转换主要涉及积分次序的交换和坐标系的变换。以下是具体方法和注意事项:
一、积分次序的交换
确定积分区域 根据原积分的上下限确定积分区域D,并绘制草图求出相关交点。
重新表示积分区域
按新积分次序(如先对y积分再对x)重新描述积分区域,通常内层积分限变为外层积分变量的函数。
调整积分限
根据新区域确定积分限,例如原积分$\int_{a}^{b} \int_{c(x)}^{d(x)} f(x, y) \, dy \, dx$可能变为$\int_{m}^{n} \int_{g(y)}^{h(y)} f(x, y) \, dx \, dy$。
注意事项: 原积分上下限需满足$a \leq x \leq b$且$c(x) \leq y \leq d(x)$,交换后需调整为$m \leq y \leq n$且$g(y) \leq x \leq h(y)$。- 若原积分上限小于下限,需交换上下限。 二、坐标系的变换极坐标变换
适用于积分区域为圆形或扇形的情形,转换公式为:
$$x = r \cos \theta, \quad y = r \sin \theta, \quad dxdy = r \, dr \, d\theta$$
例如,积分$\int_{0}^{2\pi} \int_{0}^{\sin x} f(x, y) \, dy \, dx$可转换为:
$$\int_{0}^{\pi} \int_{0}^{1} f(r \cos \theta, r \sin \theta) \, r \, dr \, d\theta$$。
柱坐标变换
适用于积分区域为柱面或圆柱体的情形,转换公式为:
$$x = x, \quad y = r \cos \theta, \quad z = r \sin \theta, \quad dxdydz = r \, dr \, d\theta \, dz$$
适用于三维积分。
广义极坐标变换
用于复杂区域,需引入参数方程进行转换。
三、其他方法
分割与补全法: 将复杂区域分割为规则区域分别积分,或补全为规则区域再积分。 换元法
示例
计算积分$\int_{0}^{2\pi} \int_{0}^{\sin x} xy \, dy \, dx$:
极坐标变换:
$x = r \cos \theta, y = r \sin \theta$,积分区域为$0 \leq r \leq 1, 0 \leq \theta \leq \pi$。2. 转换后积分:
$$\int_{0}^{\pi} \int_{0}^{1} (r \cos \theta)(r \sin \theta) \cdot r \, dr \, d\theta = \int_{0}^{\pi} \cos \theta \sin \theta \, d\theta \int_{0}^{1} r^3 \, dr$$
计算结果:
$$\int_{0}^{\pi} \cos \theta \sin \theta \, d\theta = \frac{1}{2} \int_{0}^{\pi} \sin 2\theta \, d\theta = 0$$
由于$\cos \theta \sin \theta$在$[0, \pi]$上积分为0,最终结果为0。
总结
积分转换需结合具体问题选择方法,交换积分次序是最常用技巧,而坐标变换适用于复杂区域。建议通过绘制草图明确积分区域,再选择合适方法进行转换。