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今解いている二重積分の問題があるのですが、積分領域が楕円の内部になっています。普通にxとyで積分領域を決めようとするとめちゃくちゃめんどくさくなります。そこでヤコビアンの定義を使ったら楽に解けるんではないかと思っているのですが、使えるんでしょうか?楕円のパラメータは
x=acosθ
y=bsinθ
で、aとbで違ってくるので使えないでしょうか?
教えてください!

A 回答 (3件)

楕円の場合は、単純に極座標にしないで、


x=a*r*cosθ
y=b*r*sinθ
と置くとよいと思います。rとθが変数です。
ヤコビアンは、
|J|=(∂x/∂r)(∂y/∂θ)-(∂x/∂θ)(∂y/∂r)
 =acosθ*brcosθ+arsinθ*bsinθ
 =abr
です。

この回答への補足

それでrの範囲を0≦r≦1にしてθを問題で与えられる領域にすればいいんですよね?

補足日時:2005/12/01 03:32
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#1です。


楕円の平面極座標での式を間違えましたので訂正します。
楕円の式の導出する仕方は
(x/a)^2+(y/b)^2=1

x=r cosθ,y=r sinθ
を代入して求めます。
楕円の平面極座標での式は次の式となりますね。

r^2{(cosθ/a)^2+(sinθ/b)^2}=1
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この回答へのお礼

ありがとうございました!よく分かりました!

お礼日時:2005/12/17 23:55

ヤコビアンを考えるときは楕円と関係なく、直交座標と平面極座標の関係ですから


x=r cosθ,y=r sinθの関係を使わないといけないですね。
このrは極座標のr座標の変数です。

|J|=(∂x/∂r)(∂y/∂θ)-(∂x/∂θ)(∂y/∂r)
=cosθ(rcosθ)-(-rsinθ)(sinθ)=r
dxdy=|J|drdθ=rdrdθ
ですね。

>x=acosθ
>y=bsinθ
これは楕円上の点(x,y)が満たす式ですね。
これをヤコビアンの計算に使ってはいけませんね。

つまり、平面極座標での楕円の式が
r^2=x^2+y^2
=a^2cos^2(θ)+b^2sin^2(θ)

つまり、楕円の平面極座標方程式が

r^2 = a^2cos^2(θ)+b^2sin^2(θ)

ということですね。
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 または
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で良いでしょう。

なお、積分の変数変換でヤコビアン|J|を忘れないようにして下さい。
つまり
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球座標の変換 x=rsinθcosφ,y=rsinθsinφ,z=rcosφにa,b,cがつく理由を教えてください

Aベストアンサー

>x=arsinθcosφ,y=brsinθsinφ,z=crcosφと変換しますが
球座標の変換 x=rsinθcosφ,y=rsinθsinφ,z=rcosφにa,b,cがつく理由を教えてください.。 ←間違い。
正しくは
「x=arsinθcosφ,y=brsinθsinφ,z=crcosθと変換しますが
球座標の変換 x=rsinθcosφ,y=rsinθsinφ,z=rcosθにa,b,cがつく理由を教えてください.。」

楕円体だからに決まってるじゃないですか.?

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>x=arsinθcosφ,y=brsinθsinφ,z=crcosφと変換しますが
球座標の変換 x=rsinθcosφ,y=rsinθsinφ,z=rcosφにa,b,cがつく理由を教えてください.。 ←間違い。
正しくは
「x=arsinθcosφ,y=brsinθsinφ,z=crcosθと変換しますが
球座標の変換 x=rsinθcosφ,y=rsinθsinφ,z=rcosθにa,b,cがつく理由を教えてください.。」

楕円体だからに決まってるじゃないですか.?

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重解であろうがどうであろうが,求める方法は同じだから
わざわざ取り上げることはないという話でしょう.

No.1さんと同様,記号の混乱があるので
「参考書」やらが間違ってるのか,質問者の転記ミスなどかは
分かりませんが,
>とありました。なぜなでしょう?
答えを確かめましたか?
本当にその「解答」があってますか?
大学の数学の本なんて結構間違い多いですよ.

ちなみに・・・λが固有値のとき
(A-λI)x = 0 の解空間が固有空間です.
これは線型写像 A-λI のカーネル Ker(A-λI) だから
n次の正方行列を相手にしてる場合は
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=rank(A-λI) + dim(Ker(A-λI))
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固有空間の次元
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= n - rank(A-λI)

したがって,
A=
|1 -1|
|4 -3|
のとき,λ=-1とすれば
A-λI= <<<--- 質問者はここを書き間違えている
|1-(-1) -1 |
|4 -3-(-1)|
=
|2 -1|
|4 -2|
だから,rank(A-λI)=1
よって,固有空間は1次元
だから,本質的に(1,2)以外に固有ベクトルはないのです.
(0,-1)が固有ベクトルではないことは容易に確認できます.

A=
|0 0 1|
|0 1 0|
|-1 3 2|
の場合も同様.A-λIのランクを計算すれば2だから
固有空間の次元は1で,計算すれば(1,0,1)を固有ベクトルと
すればよいことが分かります.

重解であろうがどうであろうが,求める方法は同じだから
わざわざ取り上げることはないという話でしょう.

No.1さんと同様,記号の混乱があるので
「参考書」やらが間違ってるのか,質問者の転記ミスなどかは
分かりませんが,
>とありました。なぜなでしょう?
答えを確かめましたか?
本当にその「解答」があってますか?
大学の数学の本なんて結構間違い多いですよ.

ちなみに・・・λが固有値のとき
(A-λI)x = 0 の解空間が固有空間です.
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Q2重積分の変数変換の範囲についてです。

2重積分の変数変換の範囲についてです。

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同様にx=u+v,y=u-v
0≦x≦2,0≦y≦2-x

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のvの範囲(v≦uの部分が)がどうしてこうなるのかわかりません。

教えてください。

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>0≦u(1+v)≦2,0≦v(1+u)≦u(1+v)
>を解けばいいんですよね?
その通り。でも

>答えでは、v≦u≦2/(1+v),0≦v≦1となっていました。
は間違い。

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>同様にx=u+v,y=u-v
>0≦x≦2,0≦y≦2-x
>で
>0≦u≦1,-u≦v≦u
>のvの範囲(v≦uの部分が)がどうしてこうなるのかわかりません。
0≦u+v≦2,0≦u-v≦2-u-v
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長軸と短軸だけを示されているということは、ここでは楕円体でも
「回転楕円体:楕円形を軸に対して回転してできる立体図形」
を指しているのでしょうか。

(x/a)^2 +(y/b)^2=1,z=0              (1)

で示される楕円をx軸まわり回転させたとき(^2は2乗を示す)その体積をVとすると

V=2π∫y^2dx = 2π{(b/a)^2}∫ (a^2-x^2)dx=(4/3)πa(b^2)

となります。(積分区間は0≦x≦a)
y軸まわりの回転のときも同様にして、体積=(4/3)π(a^2)bとなります。

(1)で示される楕円をx軸まわり回転させたときできる図形の方程式は

(x/a)^2 +(y/b)^2+(z/b)^2=1           (2)

となりこれは半径1の球を,x軸方向にa倍,y軸及びz軸方向にb倍したものと考えられ,容易に体積が求まります。先にnanashisan氏が示しているのがこの方法だと思います。

体積=(半径1の球の体積)×a×b×b=(4/3)πa(b^2)

更に次式で表される一般の楕円体

(x/a)^2 +(y/b)^2+(z/c)^2=1            (3)

に対しても同様にして
体積=(半径1の球の体積)×a×b×c=(4/3)πabc となります。

ちなみに(1)で表される楕円の面積については,半径1の円をx軸方向にa倍,
y軸方向にb倍したものと考えれば
面積=(半径1の円の面積)×a×b=abπ となります。旧課程の高校数学の「代数・幾何」では1次変換とからめてよくこのての問題が扱われていました。

参考になれば幸いです。

長軸と短軸だけを示されているということは、ここでは楕円体でも
「回転楕円体:楕円形を軸に対して回転してできる立体図形」
を指しているのでしょうか。

(x/a)^2 +(y/b)^2=1,z=0              (1)

で示される楕円をx軸まわり回転させたとき(^2は2乗を示す)その体積をVとすると

V=2π∫y^2dx = 2π{(b/a)^2}∫ (a^2-x^2)dx=(4/3)πa(b^2)

となります。(積分区間は0≦x≦a)
y軸まわりの回転のときも同様にして、体積=(4/3)π(a^2)bとなります。

(1)で示される...続きを読む

Qe^(-x^2)の積分

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どなたか分かる方、よろしくお願いします。

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ガウス分布に使いますね。
やりかたですね。一般的なものを参考程度までに、

xy座標の第一象限で原点を通る一辺aの正方形
と正方形に接する半径aの(1/4)円とr半径√2aを考えるんですね。
正方形の領域□でe^-x^2 をx方向に積分すると、
∫[0→a]e^-x^2dx
正方形の領域だからe^-y^2 をy方向に積分しても
同じ値になりますね。だから
∫[0→a]e^-x^2dx=∫[0→a]e^-y^2dy
ということは、x,yは独立に考えられるので、
∫[0→a]e^-(x^2+y^2)dxdy
={∫[0→a]e^-x^2dx}^2
という関係が出ますね。
だから、e^-(x^2)を積分する代わりにe^-(x^2+y^2)を積分してその√を取れば解が得られるという論法を利用するんですね。
四角形の領域で
I=∫[x,y:0→a]e^-(x^2+y^2)dxdy
を積分するにはちょっとなんで、四角形に接する大小の円で挟み撃ちを考えるんですね。
半径aの(1/4)円では、
極座標変換して、(x^2+y^2)=r^2, dxdy=rdrdθ
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=(1/2)(1-e^-a^2)(π/2)=(π/4)(1-e^-a^2)
同様に、半径√2aの(1/4)円では、
=(π/4){1-e^-(2a^2)}
だから、
x:0→a
√{(π/4)(1-e^-a^2)}<∫[0→a]e^-(x^2)dx
<√{(π/4){1-e^-(2a^2)}}
が回答ですね。これ以上は数値表を参照ですね。
a→∞ であれば、
∫[0→∞]e^-(x^2)dx=(√π)/2
が回答になりますね。
広域積分でも検索すれば参考になるかも。

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∫[0→a]e^-x^2dx
正方形の領域だからe^-y^2 をy方向に積分しても
同じ値になりますね。だから
∫[0→a]e^-x^2dx=∫[0→a]e^-y^2dy
ということは、x,yは独立に考えられるので、
∫[0→a]e^-(x^2+y^2)dxdy
={∫[0→a]e^-x^2dx}^2
という関係が出ますね。
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Q【三重積分】球の体積の求め方

x=rsinθcosω
y=rsinθsinω
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上記の変数変換を使った三重積分で球の体積を求める時、θの範囲が0≦θ≦πとなるのはなぜでしょうか?(ωの範囲は0≦ω≦2πとなるのに、なぜθは0≦θ≦2πにはならないのでしょうか。)

Aベストアンサー

参考URLの例5の図を見てください。球座標の図があると思います。ω=φと置き換えてください。点PをP(x、y、z)とします。球の体積を考えるのでrは一定です。

θはz軸の正の方向とベクトルOPのなす角です。例えばP(0,0、r)のときはθ=0、P(0,0、-r)のときはθ=πです。0≦ω≦2π、0≦θ≦π、rは一定とすればxyz空間に半径rの球が描けることが分かるかと思います。

参考URL:http://ksgeo.kj.yamagata-u.ac.jp/~kazsan/class/geomath/juusekibun.html


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