حلّ مسألة القيمة الابتدائية y′ + 3y/x = 2x لـ x > 0، مع y(1) = 4. أوجد y(2).
y′ + 3y/x = 2xy(1) = 4
y(2) =
3المحاليل
1.التكاملات
الإجابة: I = 1,742
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 = x, du = dx; dv = sin x dx, v = −cos x
الدالة الأصلية
∫x sin x dx = −x cos x + ∫cos x dx = −x cos x + sin x
النهايات
(−2·cos 2 + sin 2) − (0 + 0) = 1,742
الإجابة
I = 1,742
2.التكاملات
الإجابة: A = 36
التكاملات المحددة: ∫ₐᵇ f(x) dx هو المساحة ذات الإشارة بين المنحنى والمحور x من a إلى b. أوجد دالة أصلية F (حيث F′ = f) واحسب F(b) − F(a). قاعدة القوة: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1). المساحة بين منحنيين هي ∫(العلوي − السفلي) dx.
الأصفار
9 − x² = 0 → x = ±3
كامل
A = [9x − x³/3]−33 = 18 − (−18) = 36
الإجابة
A = 36
3.المتتاليات والمتسلسلات
الإجابة: C: Σ (1 + 1/k)ᵏ
التقارب: إذا لم تؤول الحدود إلى 0 فالمتسلسلة متباعدة (اختبار الحد النوني). Σ1/kᵖ تتقارب فقط عندما p > 1، و Σrᵏ فقط عندما |r| < 1. قارن متسلسلة بإحداهما عندما تسلك حدودها سلوكهما لـ k كبيرة. اختبار النسبة: L = lim |ak+1/ak|؛ اختبار الجذر: L = lim |ak|1/k. L < 1 تتقارب، L > 1 تتباعد، L = 1 لا يحسم شيئًا. متسلسلة القوى Σck(x − x₀)ᵏ تتقارب لـ |x − x₀| < R مع R = lim |ck/ck+1|؛ والمتسلسلة المتناوبة التي تتناقص حدودها إلى 0 تتقارب.
C: Σ (1 + 1/k)ᵏ → تؤول الحدود إلى e لا إلى 0: تتباعد باختبار الحد النوني.
D: Σ 1/(3ᵏ + k) → أصغر من (1/3)ᵏ، وهي متسلسلة هندسية متقاربة: تتقارب بالمقارنة.
الجواب
C: Σ (1 + 1/k)ᵏ
الإجابة
C: Σ (1 + 1/k)ᵏ
4.المتتاليات والمتسلسلات
الإجابة: S = 0,9093
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.
المتسلسلات المعيارية
Σ (−1)ᵏx2k+1/(2k + 1)! = sin x
عوّض
x = 2
S = sin 2 = 0,9093
الإجابة
S = 0,9093
5.التفاضل والتكامل لعدة متغيرات
الإجابة: θ = 45 °
التدرج: ∇f = (fx, fy) يشير إلى اتجاه أشد صعود، و|∇f| أكبر معدل تغير. المشتقة الاتجاهية في الاتجاه v هي Duf = ∇f·u مع متجه الوحدة u = v/|v|. المستوى المماس عند (a, b) هو z = f(a, b) + fx(a, b)(x − a) + fy(a, b)(y − b)؛ ويعطي التقريب الخطي لـ f قرب تلك النقطة. قاعدة السلسلة: dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt.
المشتقات الجزئية
fx = 2x/(x² + 2y²) → fx(2, 1) = 0,6667
fy = 4y/(x² + 2y²) → fy(2, 1) = 0,6667
الاتجاه
θ = atan2(0,6667, 0,6667) = 45°
الإجابة
θ = 45°
6.التفاضل والتكامل لعدة متغيرات
الإجابة: fmin = −1
النقاط الحرجة والتكاملات الثنائية: النقطة الحرجة فيها fx = fy = 0. اختبار المشتقة الثانية مع D = fxxfyy − fxy²: D > 0 و fxx > 0 نهاية صغرى محلية، و D > 0 و fxx < 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 fx = 0 و fy = 0 معًا.
fx = 3x² − 3y = 0
fy = 3y² − 3x = 0
(0, 0), (1, 1)
اختبار المشتقة الثانية
(0, 0): fxx = 0, fyy = 0, fxy = −3, D = −9 → نقطة سرج
(1, 1): fxx = 6, fyy = 6, fxy = −3, D = 27 → نهاية صغرى محلية
القيمة عند النهاية القصوى
f(1, 1) = −1
الإجابة
fmin = −1
7.المعادلات التفاضلية
الإجابة: y(1.5) = 0,2045
المعادلات الخطية من الرتبة الثانية: للمعادلة y″ + b·y′ + c·y = 0 جرّب y = ert: فتحصل على المعادلة المميِّزة r² + b·r + c = 0. جذران حقيقيان r₁ ≠ r₂ يعطيان y = A·er₁t + B·er₂t (فوق التخميد)؛ وجذر مضاعف r يعطي y = (A + Bt)·ert (تخميد حرج)؛ وجذران مركّبان −α ± jω يعطيان y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt) (تحت التخميد، متذبذب). تحدد القيمتان الابتدائيتان y(0) وy′(0) الثابتين A وB. وعند كتابتها y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0 تكون ωn التردد الطبيعي وζ نسبة التخميد: ζ < 1 يعني تذبذبًا. ومع دخل ثابت y″ + by′ + cy = c·K يكون الحل القيمة المستقرة K زائد الاستجابة الحرة.
الجذور المميِّزة
(r + 2)(r + 3) = 0 → r = −2, −3
الثابتان من القيم الابتدائية
A + B = 1, −2A − 3B = 2
A = 5, B = −4
احسب
y(1,5) = 5·e−3 + (−4)·e−4,5 = 0,2045
الإجابة
y(1,5) = 0,2045
8.المعادلات التفاضلية
الإجابة: y(2) = 2,05
المعادلات التفاضلية من الرتبة الأولى: للمعادلة dy/dt = k·y الحل y = y₀·ekt (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.