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

قطعة فولاذ مطروقة عند 320 °C تُركت لتبرد في ورشة عند 26 °C. بعد 41 min تكون درجة حرارتها 64 °C. تتبع قانون نيوتن للتبريد، dT/dt = −k·(T − Tₐ). كم من الوقت بعد البداية، t، يلزم لبلوغ 141 °C؟

T₀ = 320 °CT_a = 26 °CT(41) = 64 °CT = 141 °C

t = min

2.المعادلات التفاضليةصعبة

خزان يحتوي 400 L من الماء أُذيب فيه 10 kg من الملح. محلول ملحي يحتوي 0,25 kg من الملح لكل لتر يتدفّق إلى الداخل بمعدل 20 L/min، ويخرج المحلول جيد الخلط بالمعدل نفسه. كم من الملح m يوجد في الخزان بعد 5 min؟

V = 400 Lm₀ = 10 kgc = 0,25 kg/Lr = 20 L/min

m = kg

3.التكاملاتمتوسطة

احسب I = ∫₀² 2x·(x² + 1)² dx.

f(x) = 2x·(x² + 1)²[0, 2]

I =

4.التكاملاتصعبة

أوجد المساحة A للمنطقة بين القطع المكافئ y = 4 − x² والمحور x.

y = 4 − x²

A =

5.المشتقاتمتوسطة

لتكن f(x) = ln(2x² + 5). أوجد f′(1).

f(x) = ln(2x² + 5)x = 1

f′(1) =

6.المشتقاتصعبة

لتكن f(x) = x³ + 7,5x² + 18x + 2. أوجد الإحداثي x x للقيمة الصغرى المحلية.

f(x) = x³ + 7,5x² + 18x + 2

x =

7.الطرائق العدديةمتوسطة

قرّب ∫₀^1,5 e^−x² dx بقاعدة سيمبسون باستخدام n = 6 شريحة. أعطِ S.

f(x) = e^−x²[a, b] = [0, 1,5]n = 6

S =

8.الطرائق العدديةصعبة

استخدم طريقة أويلر مع h = 0,1 للمسألة y′ = e^−ty، y(0) = 1 لتقدير y₅ ≈ y(0,5).

y′ = e^−tyy(0) = 1h = 0,1

y₅ =

3المحاليل

1.المعادلات التفاضلية

الإجابة: t = 18,81 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(294/38)/41 = 0,0499 min⁻¹

الزمن لبلوغ القيمة المستهدفة

t = ln(294/115)/0,0499 = 18,81 min

الإجابة

t = 18,81 min

2.المعادلات التفاضلية

الإجابة: m = 29,91 kg

صُغ المعادلة

dm/dt = 20·0,25 − (20/400)·m = 5 − 0,05·m

الحل

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

m(t) = 100 + (−90)·e^−t/20

عوّض t

m(5) = 100 + (−90)·0,7788 = 29,91 kg

الإجابة

m = 29,91 kg

3.التكاملات

الإجابة: I = 41,33

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 u² du

كامل وعوّض الحدود

I = [u³/3]₁⁵ = (125 − 1)/3 = 41,33

الإجابة

I = 41,33

4.التكاملات

الإجابة: A = 10,67

الأصفار

4 − x² = 0 → x = ±2

كامل

A = [4x − x³/3]₋₂² = 5,333 − (−5,333) = 10,67

الإجابة

A = 10,67

5.المشتقات

الإجابة: f′(1) = 0,5714

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 للوغاريتم

f′(x) = 4x/(2x² + 5)

عوّض

f′(1) = 4/7 = 0,5714

الإجابة

f′(1) = 0,5714

6.المشتقات

الإجابة: x = −2

المشتقة

f′(x) = 3x² + 15x + 18 = 3·(x² + 5x + 6)

حُلّ f′(x) = 0

x = −3 أو x = −2

أيهما أي

f″(x) = 6x + 15: سالبة عند القيمة العظمى، وموجبة عند الصغرى.

f″(−3) = −3, f″(−2) = 3

x = −2

الإجابة

x = −2

7.الطرائق العددية

الإجابة: S = 0,8562

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 = 0,25

Σ wᵢfᵢ = 1 + 4·0,939413 + 2·0,778801 + 4·0,569783 + 2·0,367879 + 4·0,209611 + 0,105399 = 10,273989

قاعدة سيمبسون

S = (0,25/3)·10,273989 = 0,8562

الإجابة

S = 0,8562

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

8.الطرائق العددية

الإجابة: y₅ = 1,395

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 + 0,1·(1) = 1,1

y₂ = 1,1 + 0,1·(0,895834) = 1,189583

y₃ = 1,189583 + 0,1·(0,788268) = 1,26841

y₄ = 1,26841 + 0,1·(0,683504) = 1,336761

y₅ = 1,336761 + 0,1·(0,585843) = 1,395345

الرسم البياني

y₅ = 1,395

الإجابة

y₅ = 1,395

ExamProblems · examproblems.com/courses/differential-equations