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Para obtener la dilatación del volumen, integrar el determinante del jacobiano

En el camino hacia demostrando que el cambio de variables teorema en varias variables, hay una manera muy sencilla de demostrar que $$\text{Vol}(\phi(U))=\int_{U}|\text{det}(d\phi)|,$$ donde $\phi$ es $C^1$, $d\phi$ es no singular, y $U$ es razonable establecer (dicen abierto y conectado)? Después de haber hecho la única variable de la versión de cambio de variables al $f$ es discontinuo (como se presenta en el bebé Rudin, por ejemplo), yo quería adaptar el mismo método para esto, pero hasta ahora no he tenido éxito. Muchas pruebas he visto que han pasado a través de varios lemas, pero creo que debe haber una manera sencilla.

Me siento cómodo dando por sentado que $|\text{det}(M)|$ es cuánto $M$ dilata el área de un parallelipiped.

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Nilesh Thakkar Puntos 108

No puedo pensar en un lugar de baja tecnología a prueba, en el caso de $U = [0,1]^d$ es la unidad de cubo en $\mathbb{R}^d$ $\phi : U \to \mathbb{R}^d$ $C^1$ y uno-a-uno. Básicamente, usted puede tomar ventaja del hecho de que $U$ pueden ser divididos en cubos de lado de longitud $1/N$ $N$ grandes.

Denotar $P_N(x) = \{y \in U : \|x-y\|_{\infty} \leq 1/2N\}$ donde $\|v\|_{\infty} = \max_{1 \leq i \leq d} |v_i|$ es la máxima norma de los vectores en $\mathbb{R}^d$. No es difícil mostrar lo siguiente: para cualquier $\epsilon > 0$ existe $N$ suficientemente grande tal que para cualquier $x \in U$ (vamos a suponer que la distancia de $x$ hasta el límite de $U$ $\geq 1/2N$ por simplicidad), tenemos

\begin{align} \frac{1}{1 + \epsilon} d \phi_x P_N(x) \subset \phi(P_N(x)) \subset (1 + \epsilon) d \phi_x P_N(x). \end{align}

Para cada una de las $N$, vamos a $S_N \subset [0,1]^d$ la obtención de los vectores de la forma $(k_1/2N, k_2/2N, \cdots, k_d/2N)$ donde $1 \leq k_i \leq 2N-1$ son impares. A continuación,$U = \cup_{x \in S_N} P_N(x)$, y (modulo de un tema que voy a tratar pronto)

\begin{align} \frac{1}{(1 + \epsilon)^d} \frac{1}{N^d} \sum_{x \in S_N} |\det d \phi_x| \leq Vol(\phi(U)) \leq (1 + \epsilon)^d \frac{1}{N^d} \sum_{x \in S_N} |\det d \phi_x|. \end{align}

Por último, tenga en cuenta que $\frac{1}{N^d} \sum_{x \in S_N} |\det d \phi_x|$ es una suma de Riemann, por lo tanto el límite como $N \to \infty$ es igual a $\int_U |\det d \phi_x| dx$.

El problema: hay que saber que las imágenes en $\phi$ de los lados de los cubos $P_N$ cero $d$-dimensiones de volumen. Yo creo que esto no representa un problema si se modifica la definición de la $P_N$'s así como para evitar la doble contabilización de los lados.

Ahora se puede utilizar una completamente análogo técnica para demostrar que continua $f : \phi(U) \to \mathbb{R}$, \begin{align} (*) ~~ \int_{\phi(U)} f (x) dx = \int_{U} (f\circ \phi) (x)\cdot |\det d \phi_x| dx. \end{align} Esto puede ser demostrado mediante el hecho de que para cualquier $\epsilon > 0$ existe $N$ lo suficientemente grande para que \begin{align} (1 + \epsilon)^{-d} |\det d \phi_x| \cdot \inf_{y \in P_N(x)} (f \circ \phi)(y) \leq \int_{\phi(P_N(x))} f(y) dy \leq (1 + \epsilon)^d |\det d \phi_x| \cdot \sup_{y \in P_N(x)} (f \circ \phi)(y), \end{align} y el uso de sumas de Riemann como antes.

Para completar la prueba de una clase más general de la $U$, se puede utilizar $(*)$ para concluir, suponiendo que el dominio $U$ $C^1$ diffeomorphism a $[0,1]^d$.

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