積分における変数変換・置換(ヤコビアン、 面積積分)

著者:Mathcot.H.I

初版:2007.6.1

LastUpdate:2013.07.30

 

複雑な積分をする場合に変数変換(積分変数の置換)を使えば容易に積分ができることがある。また重積分では、面積素dSや体積素dVの座標系 変換 をすることで積分が容易にできることがある。座標系間の面積素dSや体積素dVの変換係数はヤコビアン(Jacobian)として知られる。 ここでは、以 上の積分法のテクニックを扱う。
参考URL
[1]
[2]ヤコビアン
[3]ヤ コビアン
[4]
[5]
 


座標系

一次元座標系(一変数積分・線積分・複素積分)
積分素 dx, dy, dt, dz, ds, dA
二次元座標系
面積素dS, dS =n dS
直交座標系 (x,y)
面積素dS=dxdy
極座標系
円座表 (r,θ):
 x=r cosθ, y=r sinθ
 r=√(x2+y2), cosθ=x/r, sinθ=y/r
 r≧0, 0≦θ≦2π or -π≦θ≦π
面積素dS=r dr dθ
|J|=|∂(x,y)/∂(r,θ)|
J=|∂x/∂r,∂x/∂θ| =|cosθ,-r sinθ |= r
    |∂y/∂r,∂y/∂θ|   | sinθ , r cosθ|
三次元座標系
体積素dV
面積積分:面積素dS=|rx×ry| dxdy, r=(x,y,z)は曲面上の点(x,y,z)の位置ベクトル
直交座標系 (x,y,z)
位置ベクトルr=(x,y,z)=xi +yj +zk
体積素dV=dxdydz
面積積分:面積素|dS|=dS=|rx×ry| dxdy=√(1+fx2+fy2) dxdy, z=f(x,y)
 z=f(x,y)のとき r=(x,y,z), rx=(1,0,fx), ry=(0,1,fy)
 rx×ry=(-fx,-fy,1), |rx×ry| =√(1+fx2+fy2)
 dS=ndS, n=(rx×ry)/|rx×ry|=(-fx,-fy,1)/√(1+fx2+fy2)
極座標:球座標系(r,θ,φ):
x=r cosφsinθ, y=r sinφsinθ,z=r cosθ
 r=√(x2+y2+z2), cosθ=z/r, sinθ=√(x2+y2)/r
 cosφ=x/√(x2+y2), sinφ=y/√(x2+y2)
 r≧0,0≦θ≦π,
 0≦φ≦2π or -π≦φ≦π

体積素dV=|J|drdφdθ
|J|:Jacobian
 ヤコビ行列Jの行列式の絶対値
J=∂(x,u,z)/∂(r,θ,φ)=
|cosφsinθ ,  sinφsinθ,   cosθ|
|rcosφcosθ,rsinφcosθ,-rsinθ|
|-rsinφsinθ, rcosφsinθ,    0    |
                 |cosφsinθ, sinφsinθ, cosθ |
|J|=r2sinθ |cosφcosθ,sinφcosθ,-sinθ|   =r2sinθ
                 |       -sinφ,      cosφ,      0   |
極座標:円柱座標(円筒座標)系(r,θ,z):
 x=r cosθ, y=r sinθ, z=z
 r=√(x2+y2), cosθ=x/r, sinθ=y/r
 r≧0, 0≦θ≦2π or -π≦θ≦π

体積素dV=|J|drdφdθ
|J|:Jacobian
 ヤコビ行列[J]の行列式|J|の絶対値
[J]=∂(x,y,z)/∂(r,θ,z)
      |cosθ , -r sinθ,  0|
|J|=| sinθ,  r cosθ,  0 | = r
      |   0,          0,     1 |
回転体表面積S1=∬S dS
x軸のまわりの回転体表面積
 曲面半径y=f(x) or r=f(x)
 逆関数x=g(r)
 S1=2π∫[a→b] f(x)√(1+(f'(x))2)dx
 S1=∬D √(1+(g'(r))2) rdrdθ
z軸のまわりの回転体表面積
 曲面半径x=f(z) or r=f(z)
 逆関数z=g(r)
 S1=2π∫[a→b] f(z)√(1+(f'(z))2)dz
 S1=∬D √(1+(g'(r))2) rdrdθ
曲面面積S1=∬S dS
曲面を表す関数:z=f(x,y)
曲面上の任意点(x,y,z)の位置ベクトル:r=(x,y,z)
S1=∬D √(1+zx2+zy2) dxdy=∬D |rx×ry| dxdy
スカラ面積積
曲面z=f(x,y)
S2=∬S φ(x,y,f(x,y)) dS
S2=∬D φ(x,y,f(x,y))√(1+zx2+zy2) dxdy
ベクトル面積積分
 A:ベクトル場,
 n:曲面S上の任意点の単位法線ベクトル
S3=∬S A・dS=∬S (An)dS
 r=(x,y,z):曲面上の任意点の位置ベクトル
 rx=(1,0,zx), ry=(0,1,zy),
S3=∬D A・(rx×ry) dxdy
 =∬D (An) √(1+zx2+zy2) dxdy
 

曲面面積

[例題1] 放物面S={(x,y,z)| z=x2+y2≦4} の曲面の面積S1を求めよ。
[解答]
z=x2+y2 ...(1)より
 zx=2x, zy=2y  ...(2)
S → D:{(x,y)|x2+y2≦4} ...(3)
S1=∬S dS ...(4)
=∬D √{1+zx2+zy2} dxdy
=∬D √{1+4x2+4y2} dxdy (4-1)
x=r cosθ, y=r sinθ ...(5) とおくと
 z=r2≦4 ...(6-1)
 0≦r≦2, 0≦θ≦2π ...(6-2)

D → E:{(r,θ)|0≦r≦2, 0≦θ≦2π} ...(7)
√{1+4x2+4y2} dxdy=√(1+4r2) rdrdθ ...(8)
であるから
S1=∬E r√(1+4r2) drdθ
=∫[θ:0→2π] dθ∫[r:0→2] r√(1+4r2) dr
=2π[(2/3)(1/8)(1+4r^2)3/2][r:0→2]
={17(√17)-1}π/6

[別解]
x=r cosθ, y=r sinθ とおくと
0≦r, 0≦θ≦2π)
0≦z=r2 ≦4
r=√z,dr/dz=(1/2)/√z
S1=2π∫[0→4] r√(1+(dr/dz)2)1/2 dz
=2π∫[0→4] √(z+(1/4)) dz
=2π[(2/3)(z+(1/4))3/2]∫[0→4]
=(4π/3)(17√17-1)/8
=(17√17-1)π/6
[例題2] 球面の一部S={(x,y,z)| z2=x2+y2≦4, z≧√3 }の曲面の面積S1を求めよ。 [解答]
r=(x,y,z)=(x,y,√(4-x2-y2))
rx=(1,0,-x/√(4-x2-y2))
ry=(0,1,-y/√(4-x2-y2))
rx×ry=(x/√(4-x2-y2),y/√(4-x2-y2),1)
|rx×ry|=2/√(4-x2-y2)
S={√3≦z=√(4-x2-y2)≦2}→D={(x,y):x2+y2≦1}
S1=∫S dS
=∬D 2/√(4-x2-y2) dxdy
x=2rcosθ, y=2rsinθとおくと
D→E={(r,θ)|0≦r≦1/2,0≦θ≦2π}
|J|=|∂(x,y)/∂(r,θ)|
=|∂x/∂r  ∂x/∂θ|=|2cosθ, -2rsinθ|
   |∂y/∂r ∂y/∂θ|   |2sinθ , 2rcosθ|
=4r
S1=∬E 1/√(1-r2) 4rdrdθ
 =4∫[0→2π] dθ∫[0→1/2] r/√(1-r2) dr
 =8π [-√(1-r2) ]∫[0→1/2]
 =4π(2-√3)
[例題3] S={(x,y,z)| x2+y2+z2=4,z≧0,x2+y2≦2x} の曲面の面積S1を求めよ。
[解答]
S={(x,y,z)| x2+y2+z2=4,z≧0,x2+y2≦2x}
曲面S上の任意点(x,y,z)の位置ベクトル
r=(x,y,z)=(x,y,√(4-x2-y2))



3次元体積










スカラ面積分








ベクトル面積分












 
オイラーの公式
eix = cos x + i sin x ,e-ix = cos x - i sin x
cos x = { eix + e-ix }/2 sin x = {. eix - e-ix }/(2i)
三角関数の公式
△ABCの各頂点の角をA, B, C
x, yは A, B, Cのいずれかの角

sin2x + cos2x = 1
1 + tan2 x = sec2x =1/ cos2x
1 + cot2 x = cosec2x   ( csc2x ) = 1/sin2x

tan x = sin x / cos x
sec x = 1/ cos x

cosec x = 1/sin x 
(csc x = 1/sin x)

cot x = 1/tan x = cos x /sin x
cos (-x) = cos x
sin (-x) = -sin x
tan (-x) = -tan x
cot (-x) = -cot x

sin (x + π/2) = cos x
sin (x - π/2) = -cos x
sin (π/2 - x) = cos x

cos (x + π/2) = -sin x
cos (x - π/2) = sin x
cos (π/2 - x) = sin x
tan (x + π/2) = -cot x
tan (x - π/2) = -cot x
tan (π/2 - x) = cot x

sin (π-x) = sin x
sin (π+x) = -sin x
cos (π±x) =-cos x
tan (π-x) = -tan x
tan (π+x) = tan x

cos (x + 90°) = -sin x
cos (x - 90°) = cos (90°- x) = sin x
sin (180°-x) = sin x
sin (180°+x) = -sin x
cos(90°±x) = -cos x
三角関数の置換

 t=tan(x/2)
∫1/cos(x) dx=∫2/(1-t2)dt
=∫dt/(1+t)+∫dt/(1-t)
=ln |(1+t)/(1-t)|+C
=ln |(1+tan(x/2))/(1-tan(x/2))|+C
=ln |{cos(x/2)+sin(x/2)}/{cos(x/2)-sin(x/2)}|+C
=(1/2)ln |{1+sin(x)}/{1-sin(x)|+C
=ln |{1+sin(x)}/cos(x) | +C
 sin x = 2t/(1+t2), cos x =(1-t2)/(1+t2)
 dx=2dt/(1+t2)
 t=tan(x/2)
∫[0,2π] 1/{5-3 cos(x)}2 dx
=2∫[0,π] 1/{5-3 cos(x)}2 dx
=4∫[0,∞] (1+t2)/{5(1+t2)-3(1-t2)}2 dt
=4∫[0,∞] (1+t2)/(2+8t2)2 dt
=∫[0,∞] (1+t2)/(1+4t2)2 dt
=(1/2)∫[-∞,∞] (1+t2)/(1+4t2)2 dt
=(1/2)∫C (1+z2)/(1+4z2)2 dz
=(1/2)2πi Res{(1+z2)/(1+4z2)2 ,z=i/2}
=πi (-5i/32)=5π/32
 sin x = 2t/(1+t2), cos x =(1-t2)/(1+t2)
 dx=2dt/(1+t2)
z=t
複素積分
経路C=C1+C2
C1:z=-∞→∞
C2:z=R*exp(iφ), φ=0〜π, R→∞
留数計算
Res{(1+z2)/(1+4z2)2 ,z=i/2}={-5i/32}
Laurent展開
(1+z2)/(1+4z2)2=-3/{64(z-i/2)2}-5i/{32(z-i/2)}+13/64+(i/4)(x-i/2)+O((x-i/2)2)
 t=tan(x)
∫1/cos(x)2 dx=∫dt=t+C=tan-1(x) +C
dt=dx/cos(x)2

 t=sin(x)
∫1/cos(x) dx=∫1/(1-t2)dt
=(1/2){∫dt/(1+t)+∫dt/(1-t)dt}
=(1/2)ln |(1+t)/(1-t)|+C
=(1/2)ln |(1+sin(x))/(1-sin(x)) | +C
=ln |{1+sin(x)}/cos(x)|+C
dt=cos(x)dx
 t=cos(x)
dt=-sin(x)dx
主な三角関数の値

sin(-π/2) = -1
sin 0 = 0
sin(π/12)=cos(5π/12)=(√6-√2)/4
sin(π/10)= cos(2π/5)=(√5-1)/4
sin(π/8) = cos(3π/8) = {√(2-√2)}/2
sin(π/6) = cos(π/3) = 1/2
sin(π/4) = cos(π/4) = 1/√2
sin(π/3) = cos(π/6) = √3 / 2
sin(3π/8) = cos(π/8) = {√(2+√2)}/2
sin(5π/12)=cos(π/12)=(√6+√2)/4
sin(π/2) = 1
sin(±π) = 0
cos 0 = 1
cos(±π) = -1
cos(±π/2) = 0
tan(0)=0
tan(π/12)=2-√3
tan(π/8) = √2-1
tan(π/6) = 1/√3
tan(π/4) = 1
tan(π/3) = √3
tan(3π/8) = √2+1
tan(5π/12)=2+√3
tan(π/2)=±∞
sin(-90°)= -1
sin 0°= 0
sin15°=cos75°=sin165°=(√6-√2)/4
sin18°=cos72°=(√5-1)/4
sin22.5°=cos67.5°={√(2-√2)}/2
sin30°= cos60°=sin150°=1/2
sin45°= cos45°=sin135°= 1/√2
sin60°= cos30°=sin120°= √3 / 2
sin(67.5°)=cos(22.5°)={√(2+√2)}/2
sin75°=cos15°=sin105°=(√6+√2)/4
sin90°= 1
sin(±180°) = 0
cos 0°= 1
cos(±90°) = 0
cos(±180°)= -1
tan0°=0
tan15°=2-√3
tan(22.5°) = √2-1
tan30° = 1/√3
tan45°= 1
tan60°= √3
tan(67.5°) = √2+1
tan75°=2+√3
tan90°=±∞
4sin(π/18)+√3 tan(π/18)=1
4sin10°+√3 tan10°=1
[演習] 4sin(π/18)+√3 tan(π/18)=1を導け。
[解答] 4*sin(π/18)*cos(π/18)=2sin(π/9)
=2*sin(π/6-π/18)
=2{sin(π/6)*cos(π/18)-cos(π/6)*sin(π/18)}
=cos(π/18) - √3 sin(π/18)
従って
4*sin(π/18)*cos(π/18)
=cos(π/18) -√3 sin(π/18)
両辺をcos(π/18)で割れば
4*sin(π/10)=1-√3 tan(π/18)
移項して
∴4sin(π/18)+√3 tan(π/18)=1
[演習] 4sin10°+√3 tan10°=1を導け。
[解答] 4sin10°cos10°=2sin20°
=2sin(30°-10°)=2(sin30°cos10°-cos30°sin10°)
=cos10°-(√3)sin10°
従って
4sin10°cos10°=cos10°-(√3)sin10°
両辺をcos10°で割れば
4sin10°=1-(√3)tan10°
移項して
∴4sin10°+(√3)tan10°=1
●2倍角の公式
sin 2x = 2 sin x cos x
cos 2x = 2 cos2x -1 = 1 - 2 sin2x
tan 2x = 2tan x / (1+tan2x)
●3倍角の公式
sin 3x = 3 sin x - 4 sin3x
cos 3x = 4 cos3x - 3 cos x
●4倍角の公式
sin 4x = 4 (sin x cos3x - sin3x cos x)
  = 4sin x cos x(2cos2x -1) = 4sin x cos x(1-2sin^2 x)
cos 4x = 8 sin4x -7
●5倍角の公式 cos(5x)=16 cos5(x)-20 cos3(x)+5 cos(x)
sin(5x)=16 sin(x)cos4(x)-12 sin(x)cos2(x)+sin(x)
●6倍角の公式 cos(6x)=32 cos6(x)-48 cos4(x)+18 cos2(x)-1
sin(6x)=32 sin(x)cos5(x)-32 sin(x)cos3(x)+6 sin(x)cos(x)
[Maple10]での7倍角公式の導出
expand(sin(7*x, trig);
  expand(cos(7*x), trig);
64 sin(x) cos6(x)  - 80 sin(x) cos4(x)  + 24 sin(x) cos2(x)  - sin(x)
64 cos7(x)  - 112 cos5(x)  + 56 cos3(x)  - 7 cos(x)
●半角の公式
sin2x = (1 - cos 2x) / 2
cos2x = (1 + cos 2x) / 2
●加法定理
sin (x+y)
sin (x-y)
sin(x)+sin(y)
sin(x)-sin(y)
cos (x+y)
cos (x-y)
cos(x)+cos(y)
cos(x)-cos(y)
tan(x+y)
 
sin(x+y) = sin x cos y + cos x sin y
sin(x-y) = sin x cos y - cos x sin y
sin(x)+sin(y)=2sin[(x+y)/2}cos{(x-y)/2}
sin(x)-sin(y)=2cos[(x+y)/2}sin{(x-y)/2}
cos (x+y) = cos x cos y - sin x sin y
cos (x-y) = cos x cos y + sin x sin y
cos(x)+cos(y)=2cos[(x+y)/2}cos{(x-y)/2}
cos(x)-cos(y)=-2sin[(x+y)/2}sin{(x-y)/2}
tan(x+y)={tan(x)+tan(y)}/{1-tan(x)tan(y)}
sin(A+B+C)
cos(A+B+C)
tan(A+B+C)
=cos(A)*cos(B)*sin(C)+cos(A)*sin(B)*cos(C)+sin(A)*cos(B)*cos(C)-sin(A)*sin(B)*sin(C)
=cos(A)*cos(B)*cos(C)-cos(A)*sin(B)*sin(C)-sin(A)*cos(B)*sin(C)-sin(A)*sin(B)*cos(C)
={tan(C)+tan(B)+tan(A)-tan(A)*tan(B)*tan(C)}/{1-tan(B)*tan(C)-tan(A)*tan(C)-tan(A)*tan(B)}
●積和公式
2sin x cos y = sin(x+y) + sin(x-y)
2cos x sin y = sin(x+y) - sin(x-y)
2cos x cos y = cos(x+y) + cos(x-y)
2sin x sin y = cos(x-y) - cos(x+y)
cos(x)+cos(2x)+cos(3x)+…+cos(nx)
sin(x)+sin(2x)+sin(3x)+…+sin(nx)
[sin{(n+(1/2))x}-sin(x/2)]/{2sin(x/2)}
[cos(x/2)-cos{(n+(1/2))x}]/{2sin(x/2)}
sin (π/10)+sin(2π/10)+sin(3π/10)+…+sin(19π/10)=0
cos (π/10)+cos(2π/10)+cos(3π/10)+…+cos(19π/10)=-1
導出法: x = ei π/10 を次式に代入, {x20 - 1}/(x-1) = (1+x+x2+…+x19 ) = 0
sin (π/10)-sin(2π/10)+sin(3π/10)-…-sin(9π/10)=0
cos (π/10)-cos(2π/10)+cos(3π/10)-…-cos(9π/10)=1
導出法: x = ei π/10を 次式に代入, { x10+1}/(x+1) = (1-x+x2-…+x9 ) = 0
sin (π/20)+sin(2π/20)+sin(3π/20)+…+sin(39π/20)=0
cos (π/20)+cos(2π/20)+cos(3π/20)+…+cos(39π/20)=-1
導出法: x = ei π/20 を次式に代入, { x40-1}/(x+1) = (1+x+x2+…+x39 ) = 0
sin (π/50)+sin(2π/50)+sin(3π/50)+…+sin(99π/50)=0
cos (π/50)+cos(2π/50)+cos(3π/50)+…+cos(99π/50)=-1
導出法: x = ei π/50 を次式に代入, { x100-1}/(x+1) = (1+x+x2+…+x99) = 0
sin (π/100)+sin(2π/100)+…+sin(199π/100)=0
cos (π/100)+cos(2π/100)+…+cos(199π/100)=-1
導出法: x = ei π/100 を次式に代入, {x200-1}/(x-1) = (1+x+x2+…+x199 ) = 0
●三角関数の逆関数
sin-1x : x=−π/2〜π/2
cos-1x : x= 0〜π
tan-1x : x=−π/2〜π/2
(a>0)

 
 sin-1x + cos-1x = π/2
 sin-1x =  cos-1√(1- x2)
 cos-1x = sin-1√(1-x2)
 sin-1x/a = cos-1(1/a)√(a2 -x2) = tan-1x/√(a2 -x2)
 sin-1y/√(x2+y2) = cos-1x/√(x2+y2) = tan-1y/x  sin-1x/√(x2+y2) = cos-1y/√(x2+y2) = tan-1x/y
 
 
 
参考URL
[1] 正 弦定理
[2]
[3]
[4]

[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]

 
公式参考URL
[1]Mathematics reference http://www.alcyone.com/max/reference/maths/hyperbolic.html
 
(C) 2007-2013. Mathcot. All rights rerserved.
  初版:2007.6.1
 Update:2008.03.17
 Update: 2013.07.28/29/30
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