雅可比行列式

雅可比行列式

雅可比行列式通常稱為雅可比式(Jacobian),它是以n個n元函式的偏導數為元素的行列式 。事實上,在函式都連續可微(即偏導數都連續)的前提之下,它就是函式組的微分形式下的係數矩陣(即雅可比矩陣)的行列式。 若因變數對自變數連續可微,而自變數對新變數連續可微,則因變數也對新變數連續可微。這可用行列式的乘法法則和偏導數的連鎖法則直接驗證。也類似於導數的連鎖法則。偏導數的連鎖法則也有類似的公式;這常用於重積分的計算中。

正文

雅可比行列式 雅可比行列式
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雅可比行列式是以 n個 n元函式 的偏導數為元素的行列式,常記為 。事實上,在函式都連續可微(即偏導數都連續)的前提之下,函式組的微分形式為 的係數矩陣(即雅可比矩陣)的行列式。

如果在一個連通區域內雅可比行列式處處不為零,它就處處為正或者處處為負。如果雅可比行列式恆等於零,則函式組是函式相關的,其中至少有一個函式是其餘函式的一個連續可微的函式。

證明

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若因變數 對自變數 連續可微,而自變數 對新變數 連續可微,則因變數 對新變數 連續可微,且

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這可用行列式的乘法法則和偏導數的連鎖法則直接驗證。偏導數的連鎖法則也有類似的公式。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

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若上式中 r能回到 u,則

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這時必須有 。

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於是以此為係數行列式的聯立線性方程組中能把 解出來。

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由隱函式存在定理可知,在 對連續可微的前提下,只須 便足以保證 也對 連續可微。這樣,連續可微函式組便在雅可比行列式不等於零的條件之下,在每一對相應點 u與 x的鄰近範圍內建立起點與點之間的一個一對一的對應關係。

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在 n=2的情形,以Δ x₁,Δ x₂為鄰邊的矩形(Δ R)對應到( u₁, u₂)平面上的一個曲邊四邊形(Δ S),其面積Δ S關於Δ x₁,Δ x₂的線性主要部分,即面積微分是。這常用於重積分的計算中。

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如果在一個連通區域內雅可比行列式處處不為零,它就處處為正或者處處為負(其正負號標誌著 u-坐標系的鏇轉定向是否與 x-坐標系的一致)。如果雅可比行列式恆等於零,則函式組是函式相關的,其中至少有一個函式是其餘函式的一個連續可微的函式。

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