雅可比行列式

雅可比行列式

高等數學計算公式
雅可比行列式通常稱為雅可比式(Jacobian)它是以n個n元函數的偏導數為元素的行列式 。事實上,在函數都連續可微(即偏導數都連續)的前提之下,它就是函數組的微分形式下的系數矩陣(即雅可比矩陣)的行列式。 若因變量對自變量連續可微,而自變量對新變量連續可微,則因變量也對新變量連續可微。這可用行列式的乘法法則和偏導數的連鎖法則直接驗證。也類似于導數的連鎖法則。偏導數的連鎖法則也有類似的公式;這常用于重積分的計算中。如果在一個連通區域内雅可比行列式處處不為零,它就處處為正或者處處為負。如果雅可比行列式恒等于零,則函數組是函數相關的,其中至少有一個函數是其餘函數的一個連續可微的函數。[1]
    中文名:雅可比行列式 外文名:Jacobian 定義: 别稱:雅可比式 提出者:雅可比 應用學科:高等數學

驗證方式

若因變量u1,u2,…,un對自變量x1,x2,…,xn連續可微,而自變量x1,x2,…,xn對新變量r1,r2,…,rn連續可微,則因變量(u1,u2,…,un)也對新變量(r1,r2,…,rn)連續可微,并且

這可用行列式的乘法法則和偏導數的連鎖法則直接驗證。而公式(3)也類似于導數的連鎖法則。偏導數的連鎖法則也有類似的公式;例如,當(u,v)對(x,y,z)連續可微,而(x,y,z)對(r,s)連續可微時,便有

如果(3)中的r能回到u,,則

(3)

給出 。

這時必須有

(4)

于是以此為系數行列式的聯立線性方程組 (2)中能夠把(dx1,dx2,…,dxn)解出來,作為(du1,du2,…,dun)的函數。而根據隐函數存在定理,在(u1,u2,…,un)對(x1,x2,…,xn)連續可微的前提下,隻須條件(4)便足以保證(x1,x2,…,xn)也對(u1,u2,…,un)連續可微,因而(4)必然成立。這樣,連續可微函數組(1)便在雅可比行列式不等于零的條件(4)之下,在每一對相應點u=(u1,u2,…,un)與x =(x1,x2,…,xn)的鄰近範圍内建立起點與點之間的一個一對一的對應關系。

在n=2的情形,以Δx1,Δx2為鄰邊的矩形(ΔR)對應到(u1,u2)平面上的一個曲邊四邊形(ΔS),其面積ΔS關于Δx1,Δx2的線性主要部分,即面積微分

這常用于重積分的計算中。

如果在一個連通區域内雅可比行列式處處不為零,它就處處為正或者處處為負(其正負号标志着u-坐标系的旋轉定向是否與x-坐标系的一緻)。如果雅可比行列式恒等于零,則函數組(u1,u2,…,un)是函數相關的,其中至少有一個函數是其餘函數的一個連續可微的函數。

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