التفاضل والتكامل 2: حزمة المراجعة المكثفة

أوراق القوانين، وأهم خطوات الحل لكل موضوع، و8 مسألة تدريبية، مع الحلول الكاملة في الخلف.

مسائل جديدة العودة إلى المقرّر

في نافذة الطباعة اختر «حفظ بصيغة PDF» لحفظ نسخة على جهازك.

1القوانين وطرق الحل

التكاملات

قاعدة القوة: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
التكامل المحدد: ∫_a^b f dx = F(b) − F(a)
تكاملات شائعة: ∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
المساحة بين منحنيين: ∫_a^b (f − g) dx

الطريقة

أعد كتابة الدالة المكاملة كمجموع حدود بسيطة حيثما أمكن.
طبّق قاعدة القوة: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1)، والتكاملات القياسية لـ e^x و 1/x و sin و cos.
استخدم التعويض عندما ترى دالة ومشتقتها معًا.
للتكامل المحدود احسب F(b) − F(a).

المتتاليات والمتسلسلات

متتالية حسابية: aₙ = a₁ + (n − 1)d, Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2
متتالية هندسية: aₙ = a₁rⁿ⁻¹, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r)
المتسلسلة الهندسية اللانهائية: S = a₁/(1 − r), |r| < 1
متسلسلة p: Σ1/kᵖ converges only for p > 1
اختبار النسبة: L = lim |a_k+1/a_k|: L < 1 converges, L > 1 diverges
نصف قطر التقارب: R = lim |c_k/c_k+1|
كثيرة حدود تايلور: Pₙ(x) = Σ f⁽ᵏ⁾(a)(x − a)ᵏ/k!
متسلسلة ماكلورين: eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + …, cos x = 1 − x²/2! + …, ln(1 + x) = x − x²/2 + …
حد خطأ لاغرانج: |Rₙ| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!

الطريقة

حدد النوع: حسابية (فرق ثابت)، أو هندسية (نسبة ثابتة)، أو متسلسلة معيارية، أو متسلسلة قوى، أو كثيرة حدود تايلور.
للمجاميع استخدم Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2، أو Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r)، أو S = a₁/(1 − r) عندما |r| < 1، حيث a₁ الحد الأول في المجموع.
للتقارب: اختبار الحد النوني أولًا، ثم قارن مع Σ1/kᵖ أو متسلسلة هندسية، واستخدم اختبار النسبة أو الجذر للمضروبات والقوى النونية.
لكثيرات حدود تايلور اسرد f(a) و f′(a) و f″(a) و …، واقسم المشتقة النونية على k!، وحدّ الخطأ بـ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!.

التفاضل والتكامل لعدة متغيرات

المشتقات الجزئية: f_x = ∂f/∂x (y constant), f_xy = f_yx
الفرق: ∇f = (f_x, f_y), largest slope |∇f|
المشتقة الاتجاهية: D_uf = ∇f·u, u = v/|v|
المستوى المماس: z = f(a, b) + f_x(x − a) + f_y(y − b)
قاعدة السلسلة: dz/dt = f_x·dx/dt + f_y·dy/dt
اختبار المشتقة الثانية: D = f_xxf_yy − f_xy²: D > 0, f_xx > 0 minimum; D > 0, f_xx < 0 maximum; D < 0 saddle
التكامل الثنائي: ∬_R f dA = ∫_a^b∫_g(x)^h(x) f dy dx
الإحداثيات القطبية: x = r cos θ, y = r sin θ, dA = r dr dθ

الطريقة

للمشتقة الجزئية عامل المتغير الآخر كثابت واستخدم قواعد المتغير الواحد.
في أسئلة التدرج احسب ∇f = (f_x, f_y) عند النقطة؛ واستخدم |∇f| لأشد ميل و ∇f·u مع متجه وحدة u للمشتقة الاتجاهية.
للنهايات القصوى حلّ f_x = 0 و f_y = 0 معًا، ثم صنّف كل نقطة بـ D = f_xx·f_yy − f_xy².
لتكامل ثنائي ارسم المنطقة، واختر الترتيب (أو الإحداثيات القطبية للأقراص) بحيث تكون الحدود الداخلية هي المنحنيات المحيطة، وكامل الداخل أولًا.

المعادلات التفاضلية

النمو/الاضمحلال الأسّي: dy/dt = ky → y = y₀e^kt
عمر النصف: k = ln 2 / t_½
قانون نيوتن للتبريد: T(t) = T_a + (T₀ − T_a)e^−kt
عامل التكامل: y′ + p(x)y = q(x): μ = e^{∫p dx}, (μy)′ = μq
خزان الخلط: dm/dt = r·c − (r/V)·m

2مسائل تدريبية

1.التكاملاتمتوسطة

احسب I = ∫₁^2,5 x·ln x dx.

∫₁^2,5 x ln x dx

I =

2.التكاملاتصعبة

احسب I = ∫₀^1,5 x²·eˣ dx.

∫₀^1,5 x²eˣ dx

I =

3.المتتاليات والمتسلسلاتمتوسطة

متسلسلة واحدة بالضبط من المتسلسلات الأربع تتباعد. انقر عليها.

A: Σ 1/(2ᵏ + k)B: Σ 3ᵏ/k³C: Σ (3/5)ᵏD: Σ (−1)ᵏ/√k

1A: Σ 1/(2ᵏ + k)
2B: Σ 3ᵏ/k³
3C: Σ (3/5)ᵏ
4D: Σ (−1)ᵏ/√k

4.المتتاليات والمتسلسلاتصعبة

تُقرَّب f(x) = sin x عند x = 1,5 بكثيرة حدود ماكلورين من الدرجة n. مع حد لاغرانج M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! و M = 1، جد أصغر درجة n تضمن خطأً أقل من 0,0001.

f(x) = sin xx = 1,5M = 1ε = 0,0001

n =

5.التفاضل والتكامل لعدة متغيراتمتوسطة

z = −x²y² + x³ − 5y² − 2xy مع x = 3t − 1 و y = −t² + 2. استخدم قاعدة السلسلة لإيجاد dz/dt عند t = 2.

z = −x²y² + x³ − 5y² − 2xyx = 3t − 1y = −t² + 2t = 2

dz/dt =

6.التفاضل والتكامل لعدة متغيراتصعبة

النقاط المعلَّمة هي النقاط الحرجة للدالة f(x, y) = x³ − 12x + y² + 4y. انقر على النهاية الصغرى المحلية.

f(x, y) = x³ − 12x + y² + 4y

1A (−2, −2)
2B (2, −2)

7.المعادلات التفاضليةمتوسطة

قطعة فولاذ مطروقة عند 500 °C تُركت لتبرد في ورشة عند 27 °C. بعد 20 min تكون درجة حرارتها 240 °C. تتبع قانون نيوتن للتبريد، dT/dt = −k·(T − Tₐ). كم من الوقت بعد البداية، t، يلزم لبلوغ 144 °C؟

T₀ = 500 °CT_a = 27 °CT(20) = 240 °CT = 144 °C

t = min

8.المعادلات التفاضليةصعبة

خزان يحتوي 400 L من الماء النقي. محلول ملحي يحتوي 0,2 kg من الملح لكل لتر يتدفّق إلى الداخل بمعدل 4 L/min، ويخرج المحلول جيد الخلط بالمعدل نفسه. كم من الملح m يوجد في الخزان بعد 90 min؟

V = 400 Lm₀ = 0 kgc = 0,2 kg/Lr = 4 L/min

m = kg

3المحاليل

1.التكاملات

الإجابة: I = 1,551

التكامل بالتجزئة: ∫u·dv = u·v − ∫v·du، وهو ناتج عن قاعدة الضرب. اختر u العامل الذي يصبح أبسط عند اشتقاقه (قوة لـ x، أو ln x)، واختر dv العامل الذي تستطيع تكامله (eˣ أو sin x أو cos x، أو x حين تكون u = ln x). وفي التكامل المحدد قيّم u·v عند الحدّين: ∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du. العامل x² يحتاج إلى جولتين.

اختر u وdv

u = ln x, du = dx/x; dv = x dx, v = x²/2

الدالة الأصلية

∫x ln x dx = (x²/2)ln x − ∫(x/2) dx = (x²/2)ln x − x²/4

النهايات

(3,125·ln 2,5 − 1,5625) − (0 − 0,25) = 1,551

الإجابة

I = 1,551

2.التكاملات

الإجابة: I = 3,602

الجولة الأولى

∫x²eˣ dx = x²eˣ − ∫2x eˣ dx

الجولة الثانية

∫2x eˣ dx = 2x eˣ − 2eˣ

∫x²eˣ dx = eˣ(x² − 2x + 2)

النهايات

4,482·(1,25) − 1·2 = 3,602

الإجابة

I = 3,602

3.المتتاليات والمتسلسلات

الإجابة: B: Σ 3ᵏ/k³

اختبر كل متسلسلة

A: Σ 1/(2ᵏ + k) → أصغر من (1/2)ᵏ، وهي متسلسلة هندسية متقاربة: تتقارب بالمقارنة.

B: Σ 3ᵏ/k³ → اختبار النسبة: L = 3 > 1، تتباعد.

C: Σ (3/5)ᵏ → هندسية مع r = 3/5، |r| < 1: تتقارب.

D: Σ (−1)ᵏ/√k → متناوبة، و1/√k يتناقص إلى 0: تتقارب (تقاربًا مشروطًا).

الجواب

B: Σ 3ᵏ/k³

الإجابة

B: Σ 3ᵏ/k³

4.المتتاليات والمتسلسلات

الإجابة: n = 9

كثيرات حدود تايلور: قرب x = a تُقرَّب دالة ملساء بـ Pₙ(x) = f(a) + f′(a)(x − a) + f″(a)(x − a)²/2! + … + f⁽ⁿ⁾(a)(x − a)ⁿ/n!؛ وعندما a = 0 تكون هذه كثيرة حدود ماكلورين. المتسلسلات المعيارية: eˣ = Σxᵏ/k!، sin x = x − x³/3! + x⁵/5! − …، cos x = 1 − x²/2! + x⁴/4! − …، ln(1 + x) = x − x²/2 + x³/3 − …، 1/(1 − x) = Σxᵏ. حد الخطأ للاغرانج: |f(x) − Pₙ(x)| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!، حيث M أكبر قيمة لـ |f⁽ⁿ⁺¹⁾| بين a و x.

الحدود لقيم n متزايدة

n = 8: 0,0001059 ≥ 0,0001

n = 9: 1,589 × 10⁻⁵ < 0,0001

أصغر درجة

n = 9

الإجابة

n = 9

5.التفاضل والتكامل لعدة متغيرات

الإجابة: dz/dt = −323

التدرج: ∇f = (f_x, f_y) يشير إلى اتجاه أشد صعود، و|∇f| أكبر معدل تغير. المشتقة الاتجاهية في الاتجاه v هي D_uf = ∇f·u مع متجه الوحدة u = v/|v|. المستوى المماس عند (a, b) هو z = f(a, b) + f_x(a, b)(x − a) + f_y(a, b)(y − b)؛ ويعطي التقريب الخطي لـ f قرب تلك النقطة. قاعدة السلسلة: dz/dt = f_x·dx/dt + f_y·dy/dt.

النقطة والمعدلات

x(2) = 5, y(2) = −2

dx/dt = 3, dy/dt = −2t = −4

المشتقات الجزئية

f_x = −2xy² + 3x² − 2y = 39

f_y = −2x²y − 10y − 2x = 110

قاعدة السلسلة

dz/dt = 39·3 + 110·(−4) = −323

الإجابة

dz/dt = −323

6.التفاضل والتكامل لعدة متغيرات

الإجابة: B (2, −2)

النقاط الحرجة والتكاملات الثنائية: النقطة الحرجة فيها f_x = f_y = 0. اختبار المشتقة الثانية مع D = f_xxf_yy − f_xy²: D > 0 و f_xx > 0 نهاية صغرى محلية، و D > 0 و f_xx < 0 نهاية عظمى محلية، و D < 0 نقطة سرج، و D = 0 لا يحسم شيئًا. لتكامل ثنائي على منطقة عامة، اجعل حدود التكامل الداخلي المنحنيات التي تحد المنطقة؛ وللأقراص والقطاعات استخدم الإحداثيات القطبية، x = r cos θ و y = r sin θ و dA = r dr dθ (لا تنسَ العامل r).

النقاط الحرجة

حلّ f_x = 0 و f_y = 0 معًا.

f_x = (3x² − 12) = 0

f_y = (2y + 4) = 0

(2, −2), (−2, −2)

اختبار المشتقة الثانية

(2, −2): f_xx = 12, f_yy = 2, f_xy = 0, D = 24 → نهاية صغرى محلية

(−2, −2): f_xx = −12, f_yy = 2, f_xy = 0, D = −24 → نقطة سرج

النقطة

B (2, −2): نهاية صغرى محلية

الإجابة

B (2, −2)

7.المعادلات التفاضلية

الإجابة: t = 35,02 min

المعادلات التفاضلية من الرتبة الأولى: للمعادلة dy/dt = k·y الحل y = y₀·e^kt (نمو عندما k > 0، واضمحلال عندما k < 0)؛ وعمر النصف T يعطي k = ln 2/T. قانون نيوتن للتبريد dT/dt = −k·(T − Tₐ) يعطي T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e^−kt. المعادلة الخطية y′ + p(x)·y = q(x) تُحلّ بعامل التكامل μ = e^{∫p dx}: (μy)′ = μq، لذا μy = ∫μq dx + C.

ثابت التبريد

k = ln(473/213)/20 = 0,03989 min⁻¹

الزمن لبلوغ القيمة المستهدفة

t = ln(473/117)/0,03989 = 35,02 min

الإجابة

t = 35,02 min

8.المعادلات التفاضلية

الإجابة: m = 47,47 kg

صُغ المعادلة

dm/dt = 4·0,2 − (4/400)·m = 0,8 − 0,01·m

الحل

عامل التكامل e^rt/V؛ والحل يقترب من قيمة الاتزان c·V.

m(t) = 80 + (−80)·e^−t/100

عوّض t

m(90) = 80 + (−80)·0,4066 = 47,47 kg

الإجابة

m = 47,47 kg

ExamProblems · examproblems.com/courses/calculus-2