多重积分变量替换教材.ppt

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* 积分学 多重积分的变量替换 * 讨论的缘由 单积分或一重积分的变量替换(也叫换元)的根据是微积分基本定理, 其在计算和证明中的作用是巨大的. 在证明了Fubini定理之后, 它在重积分的讨论中也获得应用.但这还是不够的! 多重积分的一般变量替换是一个十分重要、有趣题目 * 基本思路 什么样的Rn到自身的变换是保集合的可测性的?基本例子:正则变换 正则变换如何改变可测集的测度? 线性变换:讨论特征函数 正则变换:讨论特征函数 非负可测函数和有积分函数的积分变换公式 * 复习Rn上正则变换 定义:设??Rn是非空开集, T? ?? Rn满足 下列条件: T在?上是单射; T在?上有一阶连续导数(即是C1的); DT=T?在?上处处可逆(即J(T)=det(T?)恒不为零) 则称T为?上的正则变换. 结论: T(?)开集、T-1: T(?)??也是正则 变换、且 * 记号复习:导数矩阵 导数矩阵(也叫Jacobi矩阵): * 记号复习:差分的表示 设x??, B(x,r)?? (r0),y?B(x,r).T? ??Rn 在x点可微, 则 其中T(y), T(x), y和x都是n维列向量, |y-x|是n维欧氏范数(也叫长度或距离) * 记号复习:差分矩阵表示 上页的式子的矩阵形式: * 记号复习:线性变换 设L: Rn?Rn为线性变换, 在取定基(通常取标准基)后, L可等同为一个n阶方阵(也记为L). 线性变换是可微变换; 如果还是非奇异(也叫非退化的), 就是正则变换 L(x)=Lx; L?(x)=L; J(L)=det(L) 线性变换的范数: ||L||=max{|Lx| : |x|=1} 导数的范数: ||T?||E=sup{||T?(x)|| : x?E} * 正则变换是可测变换 可测变换: 把可测集映射成可测集的变换叫做可测变换 正则变换是可测变换: 由正则变换把开集映射成开集, 再由正则变换是单射, 因此在正则变换下, 交的像等于像的交. 由任一个可测集包含在可数多个开集的交中,并且两者的差的测度为零.因此只要能证明零测集的像还是零测集就行了 步骤: (1) 在一个闭方块中的零测集的像是零测集; (2) 一般的零测集的像是零测集 * 闭方块中零测集的像 设?? Rn中的开集,T为?上的C1变换. 闭方块 Q??, E?Q为零测集, 即|E|=0, 则|T(E)|=0. 证明:只要证明????,|T(E)|?就行了.记?=||T?||Q, 由微分中值不等式 任取???, 由|E|=0, 存在可数多开方块Ck, k=1,2,… * 闭方块中零测集的像(续) 不妨设 , 否则用CK?Q替代CK.取 为 Ck的中心, 记Ck的边长为 , 我们有 因此 所以 * 零测集的像是零测集 设??Rn中的开集,T为?上的C1变换. E?? 为零测集, 即|E|=0, 则|T(E)|=0. 证明: ?可以表示成可数多个闭方块的并以及上面的结论,就可以得到所要的结论.# * 可测集的像是可测集 设??Rn中的开集,T为?上的正则变换.E??, 为可测集, 则T(E)也是可测集. 证明: 由E可测, 则存在可数多个开集Gk和零测集Z, 有 注意T(Gk)是开集且 就得到结论.# * 问题二 如果仅要求T是C1的, T还能把可测集映成可测集吗? 其他类型的可测变换. * 正则变换如何改变测度 基本结果: 测度 积分 如何证明: 线性变换: 此时J(T)是常数 正则变换 * 线性变换测度公式 设L是Rn上的线性变换, E?Rn可测. 则L(E) 可测且|L(E)|=|det(L)| |E|. 证明步骤:只需要讨论L为可逆的情形 对方块结论成立(利用线性变换的初等分解),学生自己写清楚 对开集结论成立(由第一步和测度的性质) 对有界可测集结论成立 对一般可测集结论成立 * 线性变换测度公式(续) 有界可测集:取单调递减的开集列Gk和零测集Z, 注意|Gk|?|E|(k??), |L(Gk)|?|L(E)|(k??), 以及|L(Gk)|=|det(L)| |Gk|就得到结论 一般可测集: 取单调递增有界可测集列Ek, 类似的步骤给出结论.# * 线性变换的两个推论 推论1: Lebesgue测度在正交变换下是不变的; 推论2: 设a0, L=aI (位似变换,也叫伸缩变换) 则|L(E)|=an|E|. * 线性变换积分公式 设L是Rn的可逆线性变换, E? Rn可测. ?是 L(E)上的可积函数. 则下列公式成立 证明: 考虑E=Rn的情形就可以了.只要证明 对简单函数结论成立就行了, 而这正是测度公 式所说的, 惟一要注意的就是 * 正则变

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