الرياضيات الهندسية 2: حزمة المراجعة المكثفة

أوراق القوانين، وأهم خطوات الحل لكل موضوع، و16 مسألة تدريبية، مع الحلول الكاملة في الخلف.

مسائل جديدةالعودة 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 = y0ekt
عمر النصف
k = ln 2 / t½
قانون نيوتن للتبريد
T(t) = Ta + (T0 − Ta)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

المصفوفات والمحددات

محدد 2×2
det = ad − bc
معكوس مصفوفة 2×2
A⁻¹ = (1/det)·[d −b; −c a]
المنتج
(AB)ij = Σk AikBkj
القيم الذاتية
det(A − λI) = 0
قاعدة كرامر
xi = det(Ai)/det(A)

المتّجهات: الضرب القياسي والاتجاهي

المقدار
|a| = √(ax² + ay² + az²)
متّجه الوحدة
û = a/|a|
المركّبات من زاوية
Fx = F·cos θ, Fy = F·sin θ
الضرب القياسي
a·b = axbx + ayby + azbz = |a||b|cos θ
الإسقاط القياسي للمتجه a على المتجه b
a·b/|b|
الشغل
W = F·d
الضرب الاتجاهي
a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx)
المساحات
متوازي الأضلاع |a × b|، المثلث ½|a × b|
العزم حول O
MO = r × F, r = A − O
حجم متوازي السطوح
V = |a·(b × c)|

الطريقة

  1. اكتب كل متجه بمركّباته؛ وللقوة المعطاة بمقدارها وزاويتها استخدم F·cos θ وF·sin θ.
  2. للأطوال والاتجاهات استخدم المقدار √(x² + y² + z²) ومتجه الوحدة a/|a|.
  3. استخدم الضرب القياسي للزوايا والإسقاطات والتعامد والشغل: a·b = |a||b|cos θ.
  4. استخدم الضرب الاتجاهي للمتجهات المتعامدة والمساحات والعزوم: اكتب المركّبات الثلاث بعناية مع الحفاظ على الترتيب a × b.

التكاملات

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

الطريقة

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

التفاضل والتكامل لعدة متغيرات

المشتقات الجزئية
fx = ∂f/∂x (y constant), fxy = fyx
الفرق
∇f = (fx, fy), largest slope |∇f|
المشتقة الاتجاهية
Duf = ∇f·u, u = v/|v|
المستوى المماس
z = f(a, b) + fx(x − a) + fy(y − b)
قاعدة السلسلة
dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt
اختبار المشتقة الثانية
D = fxxfyy − fxy²: D > 0, fxx > 0 minimum; D > 0, fxx < 0 maximum; D < 0 saddle
التكامل الثنائي
∬R f dA = ∫ab∫g(x)h(x) f dy dx
الإحداثيات القطبية
x = r cos θ, y = r sin θ, dA = r dr dθ

الطريقة

  1. للمشتقة الجزئية عامل المتغير الآخر كثابت واستخدم قواعد المتغير الواحد.
  2. في أسئلة التدرج احسب ∇f = (fx, fy) عند النقطة؛ واستخدم |∇f| لأشد ميل و ∇f·u مع متجه وحدة u للمشتقة الاتجاهية.
  3. للنهايات القصوى حلّ fx = 0 و fy = 0 معًا، ثم صنّف كل نقطة بـ D = fxx·fyy − fxy².
  4. لتكامل ثنائي ارسم المنطقة، واختر الترتيب (أو الإحداثيات القطبية للأقراص) بحيث تكون الحدود الداخلية هي المنحنيات المحيطة، وكامل الداخل أولًا.

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 |ak+1/ak|: L < 1 converges, L > 1 diverges
نصف قطر التقارب
R = lim |ck/ck+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

  1. حدد النوع: حسابية (فرق ثابت)، أو هندسية (نسبة ثابتة)، أو متسلسلة معيارية، أو متسلسلة قوى، أو كثيرة حدود تايلور.
  2. 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.
  3. للتقارب: اختبار الحد النوني أولًا، ثم قارن مع Σ1/kᵖ أو متسلسلة هندسية، واستخدم اختبار النسبة أو الجذر للمضروبات والقوى النونية.
  4. 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)!.

الالتفاف والأنظمة الخطية اللامتغيرة زمنيًا

الالتفاف المتقطع
y[n] = Σ x[k]·h[n − k]
الالتفاف المستمر
y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ
الطول والمجموع
Ly = Lx + Lh − 1, Σy = Σx·Σh
البداية والنهاية والمساحة
t1 + t3 … t2 + t4, ∫y = ∫x·∫h
خطوة داخلة في e^(−at)u(t)
y(t) = (A/a)(1 − e−at)
نظام من الرتبة الأولى
y′ + a·y = b·x → h(t) = b·e−atu(t)
التكرار من الرتبة الأولى
y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] → h[n] = b·aⁿ
جيبية تمر عبر h(t)
|H(jω)|, ∠H(jω); H(jω) = b/(a + jω)
سعات متسلسلة فورييه
مربعة ±A: 4A/(kπ)، k فردي؛ مثلثية ±A: 8A/(π²k²)، k فردي؛ قطار نبضات: A·D و(2A/(kπ))|sin kπD|

الطريقة

  1. ارسم الإشارتين ودوّن أين تكون كل منهما غير صفرية.
  2. اقلب h وحرّكه: لكل زمن خرج أوجد المدى الذي تتراكب فيه الإشارتان.
  3. اضرب واجمع (في المتقطع) أو اضرب وكامِل (في المستمر) على ذلك التراكب وحده.
  4. تحقق من النتيجة: يبدأ الخرج عند مجموع زمني البداية وينتهي عند مجموع زمني النهاية، وتساوي مساحته أو مجموعه حاصل ضرب مساحتي الدخلين أو مجموعيهما.

2مسائل تدريبية

1.المعادلات التفاضليةمتوسطة
t (min)T (°C)49Ta​66 °C47 °C

قطعة فولاذ مطروقة عند 480 °C تُركت لتبرد في ورشة عند 27 °C. بعد 49 min تكون درجة حرارتها 66 °C. تتبع قانون نيوتن للتبريد، dT/dt = −k·(T − Tₐ). كم من الوقت بعد البداية، t، يلزم لبلوغ 47 °C؟

T0 = 480 °CTa = 27 °CT(49) = 66 °CT = 47 °C
t = min
2.المعادلات التفاضليةصعبة
t (min)m (kg)t = ?10 kg

خزان يحتوي 100 L من الماء أُذيب فيه 20 kg من الملح. محلول ملحي يحتوي 0,05 kg من الملح لكل لتر يتدفّق إلى الداخل بمعدل 5 L/min، ويخرج المحلول جيد الخلط بالمعدل نفسه. بعد كم دقيقة t يحتوي الخزان 10 kg من الملح؟

V = 100 Lm0 = 20 kgc = 0,05 kg/Lr = 5 L/min
t = min
3.المصفوفات والمحدداتمتوسطة
A =022−15−112−2

أوجد المحدد det A للمصفوفة A ذات 3×3 المعروضة.

A = [0 2 2; −1 5 −1; 1 2 −2]
det A =
4.المصفوفات والمحدداتصعبة
A =−434−4b =9−5

حُلّ النظام −4x + 3y = 9 و 4x − 4y = −5. أوجد x.

−4x + 3y = 94x − 4y = −5
x =
5.المتّجهات: الضرب القياسي والاتجاهيمتوسطة
xyzab

أوجد المسقط القياسي compb a لـ a = (5, 7, −6) على b = (3, −5, 3)، أي مركّبة a في اتجاه b.

a = (5, 7, −6)b = (3, −5, 3)
compb a =
6.المتّجهات: الضرب القياسي والاتجاهيصعبة
xyzrFOA

تؤثّر قوة F = (0, −60, −30) N عند النقطة A(2, −2, 0). الإحداثيات بالمتر. أوجد المركّبة z Mz لعزم القوة حول النقطة O(3, 1, −2).

F = (0, −60, −30) NA(2, −2, 0) mO(3, 1, −2) m
Mz = N·m
7.التكاملاتمتوسطة
xy02

احسب I = ∫02 2x·(x² + 1)1 dx.

f(x) = 2x·(x² + 1)1[0, 2]
I =
8.التكاملاتصعبة
xy−11

أوجد المساحة A للمنطقة بين القطع المكافئ y = 1 − x² والمحور x.

y = 1 − x²
A =
9.التفاضل والتكامل لعدة متغيراتمتوسطة

z = 2 sin(−x − y) مع x = t + 1 و y = −2t² + 1. استخدم قاعدة السلسلة لإيجاد dz/dt عند t = −1.

z = 2 sin(−x − y)x = t + 1y = −2t² + 1t = −1
dz/dt =
10.التفاضل والتكامل لعدة متغيراتصعبة
xyy = 1y = x11

لا يمكن حساب التكامل I = ∫01 ∫x1 sin(y²) dy dx بهذا الترتيب. اعكس ترتيب التكامل ثم احسبه.

f = sin(y²)0 ≤ x ≤ y ≤ 1
I =
11.المتتاليات والمتسلسلاتمتوسطة
xx₀ = 0??R

جد نصف قطر التقارب R لمتسلسلة القوى Σk=1∞ 5ᵏ·xᵏ/(k + 1).

Σ 5ᵏ·xᵏ/(k + 1)x₀ = 0
R =
12.المتتاليات والمتسلسلاتصعبة

جد المعامل c₂ لـ (x − 25)² في متسلسلة تايلور للدالة f(x) = √x حول a = 25.

f(x) = √xa = 25k = 2
c₂ =
13.تحويلات لابلاسمتوسطة
ReIm−1−2−3−4−5−61

F(s) = (5s + 19)/(s² + 8s + 12). تحويله العكسي على الصورة f(t) = A·e−2t + B·e−6t. أوجد المعامل A بالكسور الجزئية.

F(s) = (5s + 19)/(s² + 8s + 12)
A =
14.تحويلات لابلاسصعبة
ReIm−22

يُوصف نظام بالمعادلة التفاضلية y″ + 4y′ + 13y = 2u′ + 5u، مع الدخل u(t) والخرج y(t). أوجد دالة تحويله G(s) = Y(s)/U(s) (شروط ابتدائية صفرية) واحسب استجابة النبضة g(t) عند t = 0,4 s. أوجد g(0,4).

y″ + 4y′ + 13y = 2u′ + 5ut = 0,4 s
g(0.4) =
15.الالتفاف والأنظمة الخطية اللامتغيرة زمنيًامتوسطة
x(t)t34h(t)t13

يُلتَفّ بين النبضة x(t) = 4 لـ 0 ≤ t < 3 s والدالة h(t)، وهي مثلث يهبط خطيًا من 3 عند t = 0 إلى 0 عند t = 1 s. أوجد المساحة Ay تحت y(t) = x(t) ∗ h(t).

x(t) = 4, 0 ≤ t < 3 sh(0) = 3, h(1) = 0
Ay =
16.الالتفاف والأنظمة الخطية اللامتغيرة زمنيًاصعبة
x(t)t (ms)510204−4

تتبدل موجة مربعة بين +4 و−4 بدور T = 10 ms (نصف دور عند كل مستوى). أوجد سعة c3 مركّبتها الفورييهية عند 300 Hz.

±4T = 10 msf = 300 Hz
c3 =

3المحاليل

1.المعادلات التفاضلية

الإجابة: t = 62,34 min

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.

ثابت التبريد

k = ln(453/39)/49 = 0,05005 min⁻¹

الزمن لبلوغ القيمة المستهدفة

t = ln(453/20)/0,05005 = 62,34 min

الإجابة

t = 62,34 min
2.المعادلات التفاضلية

الإجابة: t = 21,97 min

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.

النتيجة

m(t) = 5 + 15·e−t/20

حلّ لإيجاد t

e−t/20 = (5 − 10)/(5 − 20) = 0,3333
t = 20·ln(3) = 21,97 min

الإجابة

t = 21,97 min
3.المصفوفات والمحددات

الإجابة: det A = −20

المصفوفات: محدد مصفوفة 2×2 هو ad − bc. وللمصفوفة 3×3، انشر على صف: كل عنصر مضروب في محدد المصفوفة 2×2 المتبقية بعد حذف صفه وعموده، مع إشارات متناوبة + − +. القيم الذاتية λ تحقق det(A − λI) = 0؛ وللمصفوفة 2×2 يكون ذلك λ² − (الأثر)·λ + det = 0.

مصغّرات 2×2 للصف الأول

M₁₁ = −8, M₁₂ = 3, M₁₃ = −7

النشر بالمعاملات المرافقة

det A = 0·(−8) − 2·3 + 2·(−7) = −20

الإجابة

det A = −20
4.المصفوفات والمحددات

الإجابة: x = −5,25

المصفوفات: محدد مصفوفة 2×2 هو ad − bc. وللمصفوفة 3×3، انشر على صف: كل عنصر مضروب في محدد المصفوفة 2×2 المتبقية بعد حذف صفه وعموده، مع إشارات متناوبة + − +. القيم الذاتية λ تحقق det(A − λI) = 0؛ وللمصفوفة 2×2 يكون ذلك λ² − (الأثر)·λ + det = 0.

محدد مصفوفة المعاملات

det A = (−4)·(−4) − 3·4 = 4

استبدل عمود x

det Aₓ = 9·(−4) − 3·(−5) = −21
x = −21/4 = −5,25

الإجابة

x = −5,25
y = −4
5.المتّجهات: الضرب القياسي والاتجاهي

الإجابة: compb a = −5,795

Dot product: a·b = axbx + ayby + azbz = |a|·|b|·cos θ, a scalar. It gives the angle between two vectors, cos θ = a·b/(|a|·|b|), and it is zero when they are perpendicular. The scalar projection of a onto b is a·b/|b|, and a constant force F moving through a displacement d does work W = F·d.

الضرب القياسي

a·b = 5·3 + 7·(−5) + (−6)·3 = −38

طول b

|b| = √(3² + (−5)² + 3²) = 6,557

المسقط القياسي

compb a = a·b/|b| = −38/6,557 = −5,795

الإجابة

compb a = −5,795

سالب: لـ a مركّبة تشير عكس b.

6.المتّجهات: الضرب القياسي والاتجاهي

الإجابة: Mz = 60 N·m

Cross product: a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx) is perpendicular to both vectors, and |a × b| = |a|·|b|·sin θ is the area of the parallelogram they span (the triangle has half of it). Order matters: b × a = −(a × b). The moment of a force F applied at point A about point O is MO = r × F, with r = A − O.

متّجه الموضع من O إلى A

r = A − O = (2, −2, 0) − (3, 1, −2) = (−1, −3, 2) m

العزم M = r × F

(r × F)x = ryFz − rzFy = (−3)·(−30) − 2·(−60) = 210 N·m
(r × F)y = rzFx − rxFz = 2·0 − (−1)·(−30) = −30 N·m
(r × F)z = rxFy − ryFx = (−1)·(−60) − (−3)·0 = 60 N·m

المركّبة المطلوبة

Mz = 60 N·m

الإجابة

Mz = 60 N·m
7.التكاملات

الإجابة: I = 12

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 u1 du

كامل وعوّض الحدود

I = [u2/2]15 = (25 − 1)/2 = 12

الإجابة

I = 12
8.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.

الأصفار

1 − x² = 0 → x = ±1

كامل

A = [1x − x³/3]−11 = 0,6667 − (−0,6667) = 1,333

الإجابة

A = 1,333
9.التفاضل والتكامل لعدة متغيرات

الإجابة: dz/dt = −5,403

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.

النقطة والمعدلات

x(−1) = 0, y(−1) = −1
dx/dt = 1, dy/dt = −4t = 4

المشتقات الجزئية

fx = −2 cos(−x − y) = −1,081
fy = −2 cos(−x − y) = −1,081

قاعدة السلسلة

dz/dt = (−1,081)·1 + (−1,081)·4 = −5,403

الإجابة

dz/dt = −5,403
10.التفاضل والتكامل لعدة متغيرات

الإجابة: I = 0,2298

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).

المنطقة

0 ≤ x ≤ y, 0 ≤ y ≤ 1

الترتيب المعكوس

I = ∫01 ∫0y sin(y²) dx dy = ∫01 y·sin(y²) dy

التعويض u = y²

I = [−cos(y²)/2]01 = 0,2298

الإجابة

I = 0,2298
11.المتتاليات والمتسلسلات

الإجابة: R = 0,2

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.

المعاملات

ck/ck+1 = (1/5)·(k + 2)/(k + 1) → 0,2

نصف القطر

R = 0,2

الإجابة

R = 0,2

لا يقول اختبار النسبة شيئًا عند الطرفين؛ ويجب فحصهما على حدة.

12.المتتاليات والمتسلسلات

الإجابة: c₂ = −0,001

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.

المشتقة f⁽²⁾

f⁽²⁾(x) = −0,25·x1/2 − 2

المعامل

c₂ = −0,25·251/2 − 2/2! = −0,001
c₂ = −0,001

الإجابة

c₂ = −0,001
13.تحويلات لابلاس

الإجابة: A = 2,25

تحويل لابلاس: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt يحوّل المشتقات إلى ضرب في s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0)، ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). الأزواج القياسية: 1 ↔ 1/s، e−at ↔ 1/(s + a)، t·e−at ↔ 1/(s + a)²، sin ωt ↔ ω/(s² + ω²)، cos ωt ↔ s/(s² + ω²)، والإزاحة s → s + σ تضرب دالة الزمن في e−σt. لعكس F(s) كسرية، جزّئها إلى كسور جزئية: باقي القطب البسيط p هو A = [(s − p)·F(s)] عند s = p. نظرية القيمة النهائية: f(∞) = lims→0 s·F(s)، وتصحّ فقط عندما تقع كل أقطاب s·F(s) في نصف المستوى الأيسر. نظرية القيمة الابتدائية: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

حلّل المقام

s² + 8s + 12 = (s + 2)(s + 6)
F(s) = A/(s + 2) + B/(s + 6)

قاعدة التغطية

اضرب في (s + 2) وضع s = −2: يختفي حدّ B.

A = (5s + 19)/(s + 6) |s = −2 = 9/4 = 2,25

الإجابة

A = 2,25
(B = 2,75، لذا f(t) = 2,25·e−2t + 2,75·e−6t)
14.تحويلات لابلاس

الإجابة: g(0.4) = 0,4652

تحويل لابلاس: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt يحوّل المشتقات إلى ضرب في s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0)، ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). الأزواج القياسية: 1 ↔ 1/s، e−at ↔ 1/(s + a)، t·e−at ↔ 1/(s + a)²، sin ωt ↔ ω/(s² + ω²)، cos ωt ↔ s/(s² + ω²)، والإزاحة s → s + σ تضرب دالة الزمن في e−σt. لعكس F(s) كسرية، جزّئها إلى كسور جزئية: باقي القطب البسيط p هو A = [(s − p)·F(s)] عند s = p. نظرية القيمة النهائية: f(∞) = lims→0 s·F(s)، وتصحّ فقط عندما تقع كل أقطاب s·F(s) في نصف المستوى الأيسر. نظرية القيمة الابتدائية: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

دالة التحويل

G(s) = Y(s)/U(s) = (2s + 5)/(s² + 4s + 13)

الكسور الجزئية

s² + 4s + 13 = (s + 2)² + 3²
G(s) = 2·(s + 2)/((s + 2)² + 3²) + (1/3)·3/((s + 2)² + 3²)

استجابة النبضة

g(t) = e−2t·(2·cos 3t + 0,3333·sin 3t)
g(0,4) = 0,4652

الإجابة

g(0,4) = 0,4652
15.الالتفاف والأنظمة الخطية اللامتغيرة زمنيًا

الإجابة: Ay = 18

الالتفاف المستمر: y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ. اقلب h وحرّكه إلى الموضع t ثم كامِل حاصل ضرب الجزأين المتراكبين. وللإشارات السببية يمتد التكامل من 0 إلى t. نتائج مفيدة: مساحة y تساوي مساحة x مضروبة في مساحة h؛ وإذا استمرت x من t₁ إلى t₂ وh من t₃ إلى t₄ فإن y تستمر من t₁ + t₃ إلى t₂ + t₄. وللدالة h(t) = e−atu(t) ولخطوة ارتفاعها A يكون y(t) = (A/a)(1 − e−at).

مساحتا الدخلين

∫x dt = 4·3 = 12
∫h dt = ½·1·3 = 1,5

مساحة الخرج

Ay = 12·1,5 = 18

الإجابة

Ay = 18
16.الالتفاف والأنظمة الخطية اللامتغيرة زمنيًا

الإجابة: c3 = 1,698

استجابة النبضة ومتسلسلة فورييه: تصف استجابة النبضة h(t) نظامًا خطيًا لا يتغير مع الزمن وصفًا كاملًا: ففي y′ + a·y = b·x تكون h(t) = b·e−atu(t)، وفي y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] تكون h[n] = b·aⁿu[n]. تمر الجيبية cos ωt بكسب |H(jω)| وطور ∠H(jω)، حيث H هو تحويل فورييه لـ h. الإشارة الدورية مجموع توافقيات عند k/T: فالموجة المربعة ±A لها توافقيات فردية فقط بسعات 4A/(kπ)، والموجة المثلثية ذات الذروة A لها 8A/(π²k²)، وقطار النبضات ذو الارتفاع A ودورة التشغيل D له المتوسط A·D والتوافقيات (2A/(kπ))·|sin(kπD)|.

رقم التوافقي

f₀ = 1/T = 100 Hz → k = 300/100 = 3

السعة

c3 = 4·4/(3π) = 1,698

الإجابة

c3 = 1,698

ExamProblems · examproblems.com/courses/engineering-mathematics-2