雅可比行列式

更新时间:2023-12-29 20:31

雅可比行列式通常称为雅可比式(Jacobian),它是以n个n元函数的偏导数为元素的行列式 。事实上,在函数都连续可微(即偏导数都连续)的前提之下,它就是函数组的微分形式下的系数矩阵(即雅可比矩阵)的行列式。 若因变量自变量连续可微,而自变量对新变量连续可微,则因变量也对新变量连续可微。这可用行列式的乘法法则和偏导数的连锁法则直接验证。也类似于导数的连锁法则。偏导数的连锁法则也有类似的公式;这常用于重积分的计算中。

正文

雅可比行列式是以n个n元函数 的偏导数为元素的行列式,常记为 。事实上,在函数都连续可微(即偏导数都连续)的前提之下,函数组的微分形式为 的系数矩阵(即雅可比矩阵)的行列式。

如果在一个连通区域内雅可比行列式处处不为零,它就处处为正或者处处为负。如果雅可比行列式恒等于零,则函数组是函数相关的,其中至少有一个函数是其余函数的一个连续可微的函数。

证明

若因变量 对自变量 连续可微,而自变量 对新变量 连续可微,则因变量 对新变量 连续可微,且

这可用行列式的乘法法则和偏导数的连锁法则直接验证。偏导数的连锁法则也有类似的公式。如当(u,v)对(x,y,z)连续可微,而(x,y,z)对(r,s)连续可微时,便有

若上式中r能回到u,则

这时必须有 。

于是以此为系数行列式的联立线性方程组中能把 解出来。

隐函数存在定理可知,在 对连续可微的前提下,只须 便足以保证 也对 连续可微。这样,连续可微函数组便在雅可比行列式不等于零的条件之下,在每一对相应点u与x的邻近范围内建立起点与点之间的一个一对一的对应关系。

在n=2的情形,以Δx1,Δx2为邻边的矩形(ΔR)对应到(u1,u2)平面上的一个曲边四边形(ΔS),其面积ΔS关于Δx1,Δx2的线性主要部分,即面积微分是。这常用于重积分的计算中。

如果在一个连通区域内雅可比行列式处处不为零,它就处处为正或者处处为负(其正负号标志着u-坐标系的旋转定向是否与x-坐标系的一致)。如果雅可比行列式恒等于零,则函数组是函数相关的,其中至少有一个函数是其余函数的一个连续可微的函数。

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