数学基础 · 附录 A 微积分要点 · A6

重积分与变量替换(极坐标、球坐标、雅可比行列式)

Multiple Integrals and Change of Variables
已完成速查更新于 2026.10.08统计物理讲义 v1.0

正文用到本节的地方:高斯积分的极坐标算法(§2.3)、nn 维球的体积 (2.14)、速度空间的球坐标与麦克斯韦速率分布(§5.4)、各种态密度的计算(§2.5、§10.7、§11.2、§12.3 等)、谐振势阱中的态数(§14.5 的四面体体积)。

§A6.1重积分与累次积分

二重积分 ∬Df(x,y) dx dy\iint_Df(x,y)\,dx\,dy 的定义是:把区域 DD 切成许多小块,把"函数值 × 小块面积"加起来,再让小块无限变小。实际计算时化为累次积分:先固定 xx 对 yy 积分,再对 xx 积分。例如 DD 是 0≤x≤a0\le x\le a、0≤y≤a−x0\le y\le a - x 的三角形:

∬Df dx dy=∫0adx∫0a−xf(x,y) dy\iint_Df\,dx\,dy = \int_0^adx\int_0^{a-x}f(x,y)\,dy

富比尼定理:若 ff 连续且区域有界(或者 ∬∣f∣\iint\lvert f\rvert 有限),积分次序可以交换。这一条件在物理中几乎总是满足的;需要警惕的只是被积函数可正可负、绝对值积分发散的情形。

可分离的被积函数。若区域是矩形(或整个平面),且 f(x,y)=g(x)h(y)f(x,y) = g(x)h(y),则

∬g(x)h(y) dx dy=(∫g(x) dx)(∫h(y) dy)(A6.1)\iint g(x)h(y)\,dx\,dy = \left(\int g(x)\,dx\right)\left(\int h(y)\,dy\right) \tag{A6.1}

这一点在统计力学中无处不在:例如 ∫d3p e−βp2/2m=(∫dpx e−βpx2/2m)3\int d^3p\,e^{-\beta p^2/2m} = \left(\int dp_x\,e^{-\beta p_x^2/2m}\right)^3;独立子系统的配分函数是各子系统配分函数之积(§4.5),其数学根据就是 (A6.1)。

例:单纯形的体积。 由 xi≥0x_i\ge0、x1+⋯+xn≤ax_1 + \cdots + x_n\le a 围成的 nn 维区域的体积为

Vn(a)=ann!(A6.2)V_n(a) = \frac{a^n}{n!} \tag{A6.2}

用归纳法:V1(a)=aV_1(a) = a;对最后一个变量 xn=tx_n = t 积分,其余变量构成边长为 a−ta - t 的 (n−1)(n-1) 维单纯形,所以 Vn(a)=∫0aVn−1(a−t) dt=∫0a(a−t)n−1(n−1)!dt=ann!V_n(a) = \int_0^aV_{n-1}(a-t)\,dt = \int_0^a\frac{(a-t)^{n-1}}{(n-1)!}dt = \frac{a^n}{n!}。n=3n = 3 时就是 §14.5 中四面体的体积 a3/6a^3/6。

§A6.2变量替换与雅可比行列式

一维:令 x=x(u)x = x(u),则 ∫f(x) dx=∫f(x(u)) ∣dx/du∣ du\int f(x)\,dx = \int f(x(u))\,\lvert dx/du\rvert\,du(积分限相应改变;取绝对值是为了让 dudu 始终从小到大积分)。

二维:设 x=x(u,v)x = x(u,v),y=y(u,v)y = y(u,v)。(u,v)(u,v) 平面上边长为 dudu、dvdv 的小矩形,被映成 (x,y)(x,y) 平面上由两个向量

a=(∂x∂u,∂y∂u)du,b=(∂x∂v,∂y∂v)dv\mathbf a = \left(\frac{\partial x}{\partial u},\frac{\partial y}{\partial u}\right)du,\qquad \mathbf b = \left(\frac{\partial x}{\partial v},\frac{\partial y}{\partial v}\right)dv

张成的小平行四边形(在足够小的范围内映射是线性的,由全微分 (A1.2))。平行四边形的面积等于以两个边向量为列的行列式的绝对值(附录 B3),所以

dx dy=∣∂(x,y)∂(u,v)∣du dv,∂(x,y)∂(u,v)=det⁡(∂x/∂u∂x/∂v∂y/∂u∂y/∂v)(A6.3)dx\,dy = \left\lvert\frac{\partial(x,y)}{\partial(u,v)}\right\rvert du\,dv,\qquad \frac{\partial(x,y)}{\partial(u,v)} = \det\begin{pmatrix}\partial x/\partial u & \partial x/\partial v\\ \partial y/\partial u & \partial y/\partial v\end{pmatrix} \tag{A6.3}

这个行列式称为雅可比行列式。nn 维时完全一样:dnx=∣det⁡(∂xi/∂uj)∣ dnud^nx = \lvert\det(\partial x_i/\partial u_j)\rvert\,d^nu。

极坐标(x=rcos⁡θx = r\cos\theta,y=rsin⁡θy = r\sin\theta):

∂(x,y)∂(r,θ)=det⁡(cos⁡θ−rsin⁡θsin⁡θrcos⁡θ)=r(cos⁡2θ+sin⁡2θ)=r\frac{\partial(x,y)}{\partial(r,\theta)} = \det\begin{pmatrix}\cos\theta & -r\sin\theta\\ \sin\theta & r\cos\theta\end{pmatrix} = r(\cos^2\theta + \sin^2\theta) = r

所以 dx dy=r dr dθdx\,dy = r\,dr\,d\theta。几何上:极坐标的小块是径向长 drdr、切向长 r dθr\,d\theta 的近似矩形。柱坐标再乘一个 dzdz:dx dy dz=r dr dθ dzdx\,dy\,dz = r\,dr\,d\theta\,dz。

球坐标(x=rsin⁡θcos⁡φx = r\sin\theta\cos\varphi,y=rsin⁡θsin⁡φy = r\sin\theta\sin\varphi,z=rcos⁡θz = r\cos\theta;0≤θ≤π0\le\theta\le\pi,0≤φ<2π0\le\varphi<2\pi):

d3r=r2sin⁡θ dr dθ dφ(A6.4)d^3r = r^2\sin\theta\,dr\,d\theta\,d\varphi \tag{A6.4}

几何推导:小块的三条边分别是径向的 drdr、沿经线的 r dθr\,d\theta、沿纬线的 rsin⁡θ dφr\sin\theta\,d\varphi(纬线圆的半径是 rsin⁡θr\sin\theta),三者相互垂直。也可以直接计算 3×33\times3 雅可比行列式(自测题 2)。

线性变换:x=Au\mathbf x = A\mathbf u 时雅可比矩阵就是常数矩阵 AA,dnx=∣det⁡A∣ dnud^nx = \lvert\det A\rvert\,d^nu。例:p=mv\mathbf p = m\mathbf v 给出 d3p=m3d3vd^3p = m^3d^3v(§5.4);两体问题中(两粒子质量相等时的)质心坐标 R=(r1+r2)/2\mathbf R = (\mathbf r_1 + \mathbf r_2)/2 与相对坐标 r=r1−r2\mathbf r = \mathbf r_1 - \mathbf r_2,由 r1=R+r/2\mathbf r_1 = \mathbf R + \mathbf r/2、r2=R−r/2\mathbf r_2 = \mathbf R - \mathbf r/2,每个分量的雅可比行列式为 det⁡(11/21−1/2)=−1\det\begin{pmatrix}1&1/2\\1&-1/2\end{pmatrix} = -1,所以 d3r1 d3r2=d3R d3rd^3r_1\,d^3r_2 = d^3R\,d^3r。(一般情形 R=(m1r1+m2r2)/(m1+m2)\mathbf R = (m_1\mathbf r_1 + m_2\mathbf r_2)/(m_1 + m_2),雅可比行列式的绝对值仍为 1。)§17.2 计算第二位力系数时把 (r1,r2)(\mathbf r_1,\mathbf r_2) 换成 (r1, r=r2−r1)(\mathbf r_1,\ \mathbf r = \mathbf r_2 - \mathbf r_1),雅可比行列式同样是 1。

§A6.3立体角与球对称的积分

球坐标中方向部分的"面积元"dΩ=sin⁡θ dθ dφd\Omega = \sin\theta\,d\theta\,d\varphi 称为立体角元,全空间的立体角为

∫dΩ=∫02πdφ∫0πsin⁡θ dθ=2π⋅2=4π\int d\Omega = \int_0^{2\pi}d\varphi\int_0^\pi\sin\theta\,d\theta = 2\pi\cdot2 = 4\pi

若被积函数只依赖于 r=∣r∣r = \lvert\mathbf r\rvert,方向部分直接积出:

∫f(∣r∣) d3r=4π∫0∞f(r) r2 dr(A6.5)\int f(\lvert\mathbf r\rvert)\,d^3r = 4\pi\int_0^\infty f(r)\,r^2\,dr \tag{A6.5}

这就是 (5.11) 中 4πv2 dv4\pi v^2\,dv 的来源,也是由 ∫d3p\int d^3p 求自由粒子态密度的第一步(§2.5、§11.2)。nn 维时,(2.14) 给出半径 rr 的球壳体积 dVn=nCnrn−1drdV_n = nC_nr^{n-1}dr,所以单位球面的"面积"为

Sn−1=nCn=2πn/2Γ(n/2),∫f(r) dnx=Sn−1∫0∞f(r) rn−1 dr(A6.6)S_{n-1} = nC_n = \frac{2\pi^{n/2}}{\Gamma(n/2)},\qquad \int f(r)\,d^nx = S_{n-1}\int_0^\infty f(r)\,r^{n-1}\,dr \tag{A6.6}

检验:S1=2πS_1 = 2\pi(圆周长),S2=2π3/2/Γ(3/2)=4πS_2 = 2\pi^{3/2}/\Gamma(3/2) = 4\pi(球面积)。

注意:球面上的均匀分布在 θ\theta 上不均匀。 由于 dΩ=sin⁡θ dθ dφ=−d(cos⁡θ) dφd\Omega = \sin\theta\,d\theta\,d\varphi = -d(\cos\theta)\,d\varphi,方向均匀分布意味着 cos⁡θ\cos\theta 在 [−1,1][-1,1] 上均匀分布,而不是 θ\theta 在 [0,π][0,\pi] 上均匀分布。靠近两极(θ≈0,π\theta\approx0,\pi)的方向很少。在蒙特卡罗模拟中随机选取方向时,要按 cos⁡θ\cos\theta 均匀抽样(具体做法见 §C7.5)。

§A6.4角平均

单位向量 n=(sin⁡θcos⁡φ,sin⁡θsin⁡φ,cos⁡θ)\mathbf n = (\sin\theta\cos\varphi,\sin\theta\sin\varphi,\cos\theta) 对所有方向的平均定义为 ⟨g⟩=14π∫g dΩ\langle g\rangle = \frac1{4\pi}\int g\,d\Omega。

⟨cos⁡2θ⟩=1/3\langle\cos^2\theta\rangle = 1/3:直接计算,14π⋅2π∫0πcos⁡2θsin⁡θ dθ=12∫−11u2 du=13\frac{1}{4\pi}\cdot2\pi\int_0^\pi\cos^2\theta\sin\theta\,d\theta = \frac12\int_{-1}^1u^2\,du = \frac13。更好的论证是对称性:⟨nx2⟩=⟨ny2⟩=⟨nz2⟩\langle n_x^2\rangle = \langle n_y^2\rangle = \langle n_z^2\rangle,而三者之和为 ⟨∣n∣2⟩=1\langle\lvert\mathbf n\rvert^2\rangle = 1。同理,i≠ji\ne j 时 ⟨ninj⟩=0\langle n_in_j\rangle = 0(把 nin_i 反号,分布不变,而 ninjn_in_j 变号)。合起来:

⟨ninj⟩=13δij,从而⟨(a⋅n)(b⋅n)⟩=13a⋅b(A6.7)\langle n_in_j\rangle = \frac13\delta_{ij},\qquad\text{从而}\qquad \langle(\mathbf a\cdot\mathbf n)(\mathbf b\cdot\mathbf n)\rangle = \frac13\mathbf a\cdot\mathbf b \tag{A6.7}

用途举例:压强公式中 ⟨vx2⟩=13⟨v2⟩\langle v_x^2\rangle = \frac13\langle v^2\rangle;极性分子的取向极化中 ⟨dz2⟩0=d02⟨cos⁡2θ⟩=d02/3\langle d_z^2\rangle_0 = d_0^2\langle\cos^2\theta\rangle = d_0^2/3(§P3.1);随机取向的偶极之间的平均相互作用(§P3.3)。四次的结果为 ⟨ninjnknl⟩=115(δijδkl+δikδjl+δilδjk)\langle n_in_jn_kn_l\rangle = \frac1{15}(\delta_{ij}\delta_{kl} + \delta_{ik}\delta_{jl} + \delta_{il}\delta_{jk}),例如 ⟨nz4⟩=1/5\langle n_z^4\rangle = 1/5。

半球上的平均。泻流(容器壁上的小孔)问题中,单位时间穿过面积 AA 的分子数是 nA⟨vz Θ(vz)⟩nA\langle v_z\,\Theta(v_z)\rangle(Θ\Theta 为阶跃函数,只计朝向小孔运动的分子)。在麦克斯韦分布中速率与方向独立,方向部分

14π∫02πdφ∫0π/2cos⁡θsin⁡θ dθ=14π⋅2π⋅12=14\frac{1}{4\pi}\int_0^{2\pi}d\varphi\int_0^{\pi/2}\cos\theta\sin\theta\,d\theta = \frac{1}{4\pi}\cdot2\pi\cdot\frac12 = \frac14

所以通量为 14n⟨v⟩A\frac14n\langle v\rangle A(第5章自测题 2)。同样的角积分给出黑体小孔单位面积的辐射功率 c4UV\frac c4\frac UV((15.4))。

§A6.5高斯积分与 nn 维球(回顾)

§2.3 的两个计算都用到本节的内容:(1) 把一维高斯积分平方,变成平面上的积分,用极坐标 dx dy=r dr dθdx\,dy = r\,dr\,d\theta 算出 π/a\pi/a;(2) 用两种方法计算 ∫e−r2dnx\int e^{-r^2}d^nx——一次用 (A6.1) 拆成 nn 个一维积分之积,一次用球壳积分 ∫f(r) dnx=nCn∫0∞f(r) rn−1dr\int f(r)\,d^nx = nC_n\int_0^\infty f(r)\,r^{n-1}dr(CnC_n 待定)——比较得到 nn 维球的体积 (2.14)。

一个检验:麦克斯韦分布的归一化 ∫e−av2d3v=(π/a)3/2\int e^{-av^2}d^3v = (\pi/a)^{3/2},用 (A6.5) 计算则是 4π∫0∞v2e−av2dv=4π⋅π4a−3/24\pi\int_0^\infty v^2e^{-av^2}dv = 4\pi\cdot\frac{\sqrt\pi}{4}a^{-3/2}(由 (2.9)),两者一致。

§A6.6常见错误

  1. 换元后忘记乘雅可比因子(rr、r2sin⁡θr^2\sin\theta、m3m^3……)。
  2. 球坐标中 θ\theta 的范围是 [0,π][0,\pi] 而不是 [0,2π][0,2\pi];φ\varphi 的范围才是 [0,2π)[0,2\pi)。
  3. 把"数格点"换成"算体积"时,只有在格点很密(相关尺度远大于格距)时才可靠(§2.5、§10.3 的态数;低温下的玻色凝聚正是这一近似失效的地方,§14.1)。

自测题

  1. 用 x=arcos⁡θx = ar\cos\theta、y=brsin⁡θy = br\sin\theta 计算椭圆 x2/a2+y2/b2≤1x^2/a^2 + y^2/b^2\le1 的面积。[答:雅可比行列式为 abrabr,面积 πab\pi ab。]
  2. 直接计算球坐标的 3×33\times3 雅可比行列式,验证 (A6.4)。[提示:按含 cos⁡θ\cos\theta 的第三行展开。]
  3. 计算 ∬e−(x2+xy+y2) dx dy\iint e^{-(x^2 + xy + y^2)}\,dx\,dy。[答:配方 x2+xy+y2=(x+y/2)2+34y2x^2 + xy + y^2 = (x + y/2)^2 + \frac34y^2,令 u=x+y/2u = x + y/2(雅可比行列式为 1),得 π⋅4π/3=2π/3\sqrt\pi\cdot\sqrt{4\pi/3} = 2\pi/\sqrt3;也可用附录 B2 的公式。]
  4. 证明 ⟨nx2ny2⟩=1/15\langle n_x^2n_y^2\rangle = 1/15。[提示:用四次公式,或由 ⟨(nx2+ny2+nz2)2⟩=1\langle(n_x^2 + n_y^2 + n_z^2)^2\rangle = 1 与 ⟨nz4⟩=1/5\langle n_z^4\rangle = 1/5 及对称性。]
  5. 一维谐振子的 NN 个独立副本(经典),总能量不超过 EE 的相空间体积是多少?[提示:令 xi=pi/2mx_i = p_i/\sqrt{2m}、yi=m/2 ωqiy_i = \sqrt{m/2}\,\omega q_i,区域变为 2N2N 维球 ∑(xi2+yi2)≤E\sum(x_i^2 + y_i^2)\le E,雅可比因子为 ∏(2/ω)\prod(2/\omega);答:(2ω)NπNENN!=1N!(2πEω)N\left(\frac{2}{\omega}\right)^N\frac{\pi^NE^N}{N!} = \frac{1}{N!}\left(\frac{2\pi E}{\omega}\right)^N。]