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 = ∫₀¹ x·sin x dx (قيمة x بالراديان).

∫₀¹ x·sin x dx

I =

2.التكاملاتصعبة

أوجد المساحة A للمنطقة المحصورة بين y = x² و y = 2x.

y = x²y = 2x

A =

3.المتتاليات والمتسلسلاتمتوسطة

جد المجموع S = Σ_k=1^∞ 3/(k(k + 2)).

a_k = 3/(k(k + 2))

S =

4.المتتاليات والمتسلسلاتصعبة

استخدم كثيرة حدود ماكلورين من الدرجة 4 للدالة f(x) = 1/(1 + x) لتقريب f(0,5). أعطِ P₄(0,5).

f(x) = 1/(1 + x)n = 4x = 0,5

P₄(0.5) =

5.التفاضل والتكامل لعدة متغيراتمتوسطة

استخدم المستوى المماس للدالة f(x, y) = 5 sin(3x − 2y) عند (0,5, 1) لتقريب f(0,7, 0,8). أعطِ التقريب الخطي L.

f(x, y) = 5 sin(3x − 2y)(a, b) = (0,5, 1)(x, y) = (0,7, 0,8)

L =

6.التفاضل والتكامل لعدة متغيراتصعبة

جد النقاط الحرجة للدالة f(x, y) = x⁴ + y⁴ − 4xy، وصنّفها، وأعطِ قيمة f_min للدالة f عند نهايتها الصغرى المحلية.

f(x, y) = x⁴ + y⁴ − 4xy

f_min =

7.المعادلات التفاضليةمتوسطة

علبة مشروب غازي عند 3 °C أُخرجت من الثلاجة إلى غرفة عند 27 °C. بعد 7 min تكون درجة حرارتها 10 °C. تتبع قانون نيوتن للتبريد، dT/dt = −k·(T − Tₐ). كم من الوقت بعد البداية، t، يلزم لبلوغ 7 °C؟

T₀ = 3 °CT_a = 27 °CT(7) = 10 °CT = 7 °C

t = min

8.المعادلات التفاضليةصعبة

خزان يحتوي 1000 L من الماء أُذيب فيه 5 kg من الملح. محلول ملحي يحتوي 0,05 kg من الملح لكل لتر يتدفّق إلى الداخل بمعدل 2 L/min، ويخرج المحلول جيد الخلط بالمعدل نفسه. كم من الملح m يوجد في الخزان بعد 105 min؟

V = 1000 Lm₀ = 5 kgc = 0,05 kg/Lr = 2 L/min

m = kg

3المحاليل

1.التكاملات

الإجابة: I = 0,3012

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

(−1·cos 1 + sin 1) − (0 + 0) = 0,3012

الإجابة

I = 0,3012

2.التكاملات

الإجابة: A = 1,333

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.

نقاط التقاطع

x² = 2x → x = 0, x = 2

كامل العلوي ناقص السفلي

A = [x² − 0,3333x³]₀² = 1,333

الإجابة

A = 1,333

3.المتتاليات والمتسلسلات

الإجابة: S = 2,25

الكسور الجزئية

3/(k(k + 2)) = (3/2)·(1/k − 1/(k + 2))

إلغاء

S = (3/2)·(1 + 1/2) = 2,25

الإجابة

S = 2,25

4.المتتاليات والمتسلسلات

الإجابة: P₄(0.5) = 0,6875

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.

كثيرة حدود ماكلورين

P₄(x) = 1 − x + x² − x³ + x⁴

عوّض

P₄(0,5) = 1 − 0,5 + 0,25 − 0,125 + 0,0625 = 0,6875

الإجابة

P₄(0,5) = 0,6875

القيمة الدقيقة هي f(0,5) = 0,666667؛ ويتناقص الخطأ −0,0208333 عند أخذ حدود أكثر أو نقطة أقرب إلى 0.

5.التفاضل والتكامل لعدة متغيرات

الإجابة: L = 1,991

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.

القيمة والميلان عند النقطة

f(0,5, 1) = −2,397

f_x = 15 cos(3x − 2y) → f_x(0,5, 1) = 13,16

f_y = −10 cos(3x − 2y) → f_y(0,5, 1) = −8,776

المستوى المماس

z = −2,397 + 13,16(x − 0,5) − 8,776(y − 1)

z = 13,16x − 8,776y − 0,2032

التقريب الخطي

L = −2,397 + 13,16·0,2 + (−8,776)·(−0,2) = 1,991

الإجابة

L = 1,991

القيمة الدقيقة f = 2,397128؛ والمستوى قريب لأن الخطوة صغيرة.

6.التفاضل والتكامل لعدة متغيرات

الإجابة: f_min = −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 = 4x³ − 4y = 0

f_y = 4y³ − 4x = 0

(0, 0), (1, 1), (−1, −1)

اختبار المشتقة الثانية

(0, 0): f_xx = 0, f_yy = 0, f_xy = −4, D = −16 → نقطة سرج

(1, 1): f_xx = 12, f_yy = 12, f_xy = −4, D = 128 → نهاية صغرى محلية

(−1, −1): f_xx = 12, f_yy = 12, f_xy = −4, D = 128 → نهاية صغرى محلية

القيمة عند النهاية القصوى

f(−1, −1) = −2

الإجابة

f_min = −2

7.المعادلات التفاضلية

الإجابة: t = 3,701 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(-24/-17)/7 = 0,04926 min⁻¹

الزمن لبلوغ القيمة المستهدفة

t = ln(-24/(−20))/0,04926 = 3,701 min

الإجابة

t = 3,701 min

8.المعادلات التفاضلية

الإجابة: m = 13,52 kg

صُغ المعادلة

dm/dt = 2·0,05 − (2/1000)·m = 0,1 − 0,002·m

الحل

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

m(t) = 50 + (−45)·e^−t/500

عوّض t

m(105) = 50 + (−45)·0,8106 = 13,52 kg

الإجابة

m = 13,52 kg

ExamProblems · examproblems.com/courses/calculus-2