المعادلات التفاضلية: 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

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

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).

المشتقات

قاعدة القوة: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹
قاعدة الضرب: (uv)′ = u′v + uv′
قاعدة القسمة: (u/v)′ = (u′v − uv′)/v²
قاعدة السلسلة: f(g(x))′ = f′(g(x))·g′(x)
مشتقات شائعة: (eˣ)′ = eˣ, (ln x)′ = 1/x, (sin x)′ = cos x, (cos x)′ = −sin x

الطريقة

حدّد البنية: مجموع، أو ضرب، أو قسمة، أو تركيب.
طبّق قاعدة القوة على كل قوة لـ x.
استخدم قاعدة الضرب أو القسمة أو السلسلة حيث يلزم.
بسّط، وعوّض عند النقطة إذا طُلب ذلك.

الطرائق العددية

التنصيف: c = (a + b)/2, width after n steps (b − a)/2ⁿ
نيوتن–رافسون: x_n+1 = xₙ − f(xₙ)/f′(xₙ)
الاستيفاء الخطي: y = y₁ + (y₂ − y₁)(x − x₁)/(x₂ − x₁)
قاعدة شبه المنحرف: T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + … + 2f_n−1 + fₙ], h = (b − a)/n
قاعدة سيمبسون (n زوجي): S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + … + 4f_n−1 + fₙ]
حد خطأ شبه المنحرف: |E| ≤ (b − a)h²M/12, M = max|f″|
أويلر: y_n+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ)
هوين: y_n+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + hk₁)
RK4: y_n+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄)

الطريقة

لجذر: تحقق من تغير الإشارة للتنصيف، أو احسب f و f′ لنيوتن، واحتفظ بستة أرقام أو أكثر في جدول التكرارات.
لقيمة في جدول: استوفِ خطيًا بين النقطتين المجاورتين.
لتكامل: جد h = (b − a)/n، واسرد f عند كل عقدة، وطبّق الأوزان (1, 2, …, 2, 1 لشبه المنحرف؛ 1, 4, 2, …, 4, 1 لسيمبسون مع n زوجي) واضرب في h/2 أو h/3.
لمعادلة تفاضلية عادية: تقدّم من t₀ بـ yₙ₊₁ = yₙ + h·f(tₙ, yₙ) (أويلر) أو الميل المتوسط (هوين)، صفًا لكل خطوة، حتى تبلغ t المطلوبة.

2مسائل تدريبية

1.المعادلات التفاضليةمتوسطة

علبة مشروب غازي عند 3 °C أُخرجت من الثلاجة إلى غرفة عند 30 °C. بعد 24 min تكون درجة حرارتها 20 °C. تتبع قانون نيوتن للتبريد، dT/dt = −k·(T − Tₐ). كم من الوقت بعد البداية، t، يلزم لبلوغ 10 °C؟

T₀ = 3 °CT_a = 30 °CT(24) = 20 °CT = 10 °C

t = min

2.المعادلات التفاضليةصعبة

خزان يحتوي 1000 L من الماء أُذيب فيه 20 kg من الملح. محلول ملحي يحتوي 0,2 kg من الملح لكل لتر يتدفّق إلى الداخل بمعدل 10 L/min، ويخرج المحلول جيد الخلط بالمعدل نفسه. بعد كم دقيقة t يحتوي الخزان 164 kg من الملح؟

V = 1000 Lm₀ = 20 kgc = 0,2 kg/Lr = 10 L/min

t = min

3.التكاملاتمتوسطة

احسب I = ∫₀² 2x·(x² + 1)³ dx.

f(x) = 2x·(x² + 1)³[0, 2]

I =

4.التكاملاتصعبة

تُدوَّر المنطقة بين المستقيم y = 6x والقطع المكافئ y = 3x² حول المحور x. أوجد حجم الجسم V.

y = 6xy = 3x²

V =

5.المشتقاتمتوسطة

لتكن f(x) = (4x + 5)⁴. أوجد f′(1).

f(x) = (4x + 5)⁴x = 1

f′(1) =

6.المشتقاتصعبة

المماس لـ f(x) = 0,5x² + 2x − 2 عند x = 1 يقطع المحور y عند y = b. أوجد b.

f(x) = 0,5x² + 2x − 2x = 1

b =

7.الطرائق العدديةمتوسطة

قرّب ∫₀^1,5 1/(1 + x³) dx بقاعدة سيمبسون باستخدام n = 4 شريحة. أعطِ S.

f(x) = 1/(1 + x³)[a, b] = [0, 1,5]n = 4

S =

8.الطرائق العدديةصعبة

استخدم طريقة أويلر مع h = 0,2 للمسألة y′ = −2ty، y(0) = −1 لتقدير y₅ ≈ y(1).

y′ = −2tyy(0) = −1h = 0,2

y₅ =

3المحاليل

1.المعادلات التفاضلية

الإجابة: t = 7,251 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(-27/-10)/24 = 0,04139 min⁻¹

الزمن لبلوغ القيمة المستهدفة

t = ln(-27/(−20))/0,04139 = 7,251 min

الإجابة

t = 7,251 min

2.المعادلات التفاضلية

الإجابة: t = 160,9 min

النتيجة

m(t) = 200 + (−180)·e^−t/100

حلّ لإيجاد t

e^−t/100 = (200 − 164)/(200 − 20) = 0,2

t = 100·ln(5) = 160,9 min

الإجابة

t = 160,9 min

3.التكاملات

الإجابة: I = 156

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.

التعويض

u = x² + 1, du = 2x dx

I = ∫₁⁵ u³ du

كامل وعوّض الحدود

I = [u⁴/4]₁⁵ = (625 − 1)/4 = 156

الإجابة

I = 156

4.التكاملات

الإجابة: V = 120,6

أحجام الدوران: تدوير المنطقة تحت y = f(x) من x = a إلى x = b حول المحور x يولّد جسمًا مقطعه عند x قرص نصف قطره f(x). وجمع الأقراص يعطي V = π∫ₐᵇ f(x)² dx. وحين تقع المنطقة بين منحنى خارجي R(x) ومنحنى داخلي r(x)، تكون كل شريحة حلقة (واشر): V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx. ربّع نصفي القطرين قبل أن تطرحهما.

نقاط التقاطع

6x = 3x² → x = 0, x = 2

طريقة الحلقات (الواشر)

V = π∫₀² ((6x)² − (3x²)²) dx

كامل

V = π(36·2³/3 − 9·2⁵/5) = π·38,4 = 120,6

الإجابة

V = 120,6

5.المشتقات

الإجابة: f′(1) = 11664

الاشتقاق: المشتقة f′(x) هي ميل المنحنى عند x. قاعدة القوة: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹. قاعدة الضرب: (uv)′ = u′v + uv′. قاعدة السلسلة: (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x). حيث f′(x) = 0 يكون للمنحنى مماس أفقي: قيمة عظمى أو صغرى أو نقطة سرج.

قاعدة السلسلة

f′(x) = 4·(4x + 5)³·4

عوّض

f′(1) = 4·9³·4 = 11664

الإجابة

f′(1) = 11664

6.المشتقات

الإجابة: b = −2,5

النقطة والميل

f(1) = 0,5

f′(x) = x + 2 → f′(1) = 3

المماس عند x = 0

b = f(x₀) − f′(x₀)·x₀ = 0,5 − 3·1 = −2,5

الإجابة

b = −2,5

7.الطرائق العددية

الإجابة: S = 1,011

التكامل العددي: قسّم [a, b] إلى n شريحة عرض كل منها h = (b − a)/n بعقد x₀ … xₙ. قاعدة شبه المنحرف: T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + 2f₂ + … + 2f_n−1 + fₙ]. قاعدة سيمبسون (n زوجي): S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + 4f₃ + … + 4f_n−1 + fₙ]. يتناقص خطأ شبه المنحرف مثل h² (الحد (b − a)h²·M/12 مع M = max|f″|)، وخطأ سيمبسون مثل h⁴، لذا يكون سيمبسون عادةً أدق بكثير للعقد نفسها.

العقد والقيم

h = 0,375

Σ wᵢfᵢ = 1 + 4·0,949907 + 2·0,703297 + 4·0,412571 + 0,228571 = 8,085076

قاعدة سيمبسون

S = (0,375/3)·8,085076 = 1,011

الإجابة

S = 1,011

ليس لهذا التكامل دالة أصلية أولية، وهذا هو بالضبط الوقت الذي تلزم فيه قاعدة عددية.

8.الطرائق العددية

الإجابة: y₅ = −0,3994

الحل العددي لـ y′ = f(t, y): تسير طريقة أويلر على الميل عند بداية كل خطوة: y_n+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ). وتأخذ طريقة هوين (أويلر المحسّنة) متوسط الميل عند البداية وعند تنبؤ أويلر: k₁ = f(tₙ, yₙ)، k₂ = f(tₙ + h, yₙ + h·k₁)، y_n+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂). وتجمع طريقة رونج–كوتا الكلاسيكية (RK4) أربعة ميول: y_n+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄). الخطأ الكلي لأويلر يتناسب مع h، ولهوين مع h²، ولـ RK4 مع h⁴.

خطوات أويلر

y₁ = −1 + 0,2·(0) = −1

y₂ = −1 + 0,2·(0,4) = −0,92

y₃ = −0,92 + 0,2·(0,736) = −0,7728

y₄ = −0,7728 + 0,2·(0,92736) = −0,587328

y₅ = −0,587328 + 0,2·(0,939725) = −0,399383

الرسم البياني

y₅ = −0,3994

الإجابة

y₅ = −0,3994

القيمة الدقيقة هي y(1) = −0,367879.

ExamProblems · examproblems.com/courses/differential-equations