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)59Ta​39 °C232 °C

قطعة فولاذ مطروقة عند 360 °C تُركت لتبرد في ورشة عند 21 °C. بعد 59 min تكون درجة حرارتها 39 °C. تتبع قانون نيوتن للتبريد، dT/dt = −k·(T − Tₐ). كم من الوقت بعد البداية، t، يلزم لبلوغ 232 °C؟

T0 = 360 °CTa = 21 °CT(59) = 39 °CT = 232 °C
t = min
2.المعادلات التفاضليةصعبة
xy13(1, 5)y(3) = ?

حلّ مسألة القيمة الابتدائية y′ + 2y/x = 4x لـ x > 0، مع y(1) = 5. أوجد y(3).

y′ + 2y/x = 4xy(1) = 5
y(3) =
3.المصفوفات والمحدداتمتوسطة
A =−6−315B =5−640

لتكن C = AB للمصفوفتين المعروضتين. أوجد العنصر c11 (الصف 1، العمود 1).

A = [−6 −3; 1 5]B = [5 −6; 4 0]
c11 =
4.المصفوفات والمحدداتصعبة
A =4−6−21b =−71

حُلّ النظام 4x − 6y = −7 و −2x + y = 1. أوجد x.

4x − 6y = −7−2x + y = 1
x =
5.المتّجهات: الضرب القياسي والاتجاهيمتوسطة
xyzab

أوجد المسقط القياسي compb a لـ a = (−5, 4, 6) على b = (0, 1, −3)، أي مركّبة a في اتجاه b.

a = (−5, 4, 6)b = (0, 1, −3)
compb a =
6.المتّجهات: الضرب القياسي والاتجاهيصعبة
xyzrFOA

تؤثّر قوة F = (60, 10, 0) N عند النقطة A(−4, −4, −4). الإحداثيات بالمتر. أوجد المركّبة x Mx لعزم القوة حول النقطة O(1, −2, 3).

F = (60, 10, 0) NA(−4, −4, −4) mO(1, −2, 3) m
Mx = N·m
7.التكاملاتمتوسطة
xy2y = x

تُدوَّر المنطقة تحت y = x من x = 0 إلى x = 2 حول المحور x. أوجد حجم الجسم V (مخروط).

y = x0 ≤ x ≤ 2
V =
8.التكاملاتصعبة
xyy = 0,5x2​y = x

أوجد المساحة A للمنطقة المحصورة بين y = 0,5x2 و y = x.

y = 0,5x2y = x
A =
9.التفاضل والتكامل لعدة متغيراتمتوسطة
xy−22P

يمكن كتابة المستوى المماس لـ z = −4x³y³ − 3x³ − 5y³ − 4xy عند النقطة (x, y) = (−2, 2) بالشكل z = px + qy + c. جد c.

f(x, y) = −4x³y³ − 3x³ − 5y³ − 4xy(a, b) = (−2, 2)
c =
10.التفاضل والتكامل لعدة متغيراتصعبة
xy2

استخدم الإحداثيات القطبية لحساب I = ∬R e−(x² + y²) dA، حيث R هي القرص x² + y² ≤ 4.

f = e−(x² + y²)0 ≤ r ≤ 20 ≤ θ ≤ 2π
I =
11.المتتاليات والمتسلسلاتمتوسطة
k|aₖ₊₁/aₖ|123456789101112

طبّق اختبار النسبة على Σk=1∞ kᵏ/(2ᵏ·k!). جد L = lim |ak+1/ak|.

ak = kᵏ/(2ᵏ·k!)
L =
12.المتتاليات والمتسلسلاتصعبة

جد المعامل c₄ لـ (x − 3)⁴ في متسلسلة تايلور للدالة f(x) = ln x حول a = 3.

f(x) = ln xa = 3k = 4
c₄ =
13.تحويلات لابلاسمتوسطة
ReIm−1−2−3−412

أوجد f(t) للدالة F(s) = (4s + 14)/(s² + 4s + 8) بإكمال المربّع، واحسب f(0,5).

F(s) = (4s + 14)/(s² + 4s + 8)t = 0,5 s
f(0.5) =
14.تحويلات لابلاسصعبة
t (s)y(t)t = 0,2y(0,2) = ?

يخضع نظام للمعادلة y″ + 9y′ + 20y = 30·u(t). يبدأ من السكون (y(0) = 0، y′(0) = 0) والدخل خطوة u(t) = 1 لـ t ≥ 0. استخدم تحويل لابلاس لإيجاد الخرج y(0,2).

y″ + 9y′ + 20y = 30·u(t)u(t) = 1y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0,2 s
y(0.2) =
15.الالتفاف والأنظمة الخطية اللامتغيرة زمنيًامتوسطة
x(t)t0,510h(t)t1

تُطبَّق النبضة x(t) = 10 لـ 0 ≤ t < 0.5 s (وصفر في غير ذلك) على نظام فيه h(t) = e−0,5tu(t). أوجد الخرج y(1) عند t = 1 s، بعد انتهاء النبضة.

x(t) = 10, 0 ≤ t < 0.5 sh(t) = e−0,5tu(t)t = 1 s
y(1) =
16.الالتفاف والأنظمة الخطية اللامتغيرة زمنيًاصعبة
5cos(60t)h(t) = 2e−20t​u(t)y(t)

يُطبَّق الدخل x(t) = 5·cos(60t) على نظام فيه h(t) = 2·e−20tu(t). أوجد طور φ الخرج في الحالة المستقرة بالنسبة إلى الدخل، بالدرجات.

h(t) = 2e−20tu(t)x(t) = 5cos(60t)
φ = °

3المحاليل

1.المعادلات التفاضلية

الإجابة: t = 9,529 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(339/18)/59 = 0,04976 min⁻¹

الزمن لبلوغ القيمة المستهدفة

t = ln(339/211)/0,04976 = 9,529 min

الإجابة

t = 9,529 min
2.المعادلات التفاضلية

الإجابة: y(3) = 9,444

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.

عامل التكامل

μ = e∫2/x dx = x2

كامل

(x2y)′ = 4x3 → x2y = 4x4/4 + C

الشرط الابتدائي

5 = 4/4 + C → C = 4

احسب

y(3) = (4·34/4 + 4)/32 = 9,444

الإجابة

y(3) = 9,444
3.المصفوفات والمحددات

الإجابة: c11 = −42

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.

صف في عمود

c11 = (−6)·5 + (−3)·4 = −42

الإجابة

c11 = −42
4.المصفوفات والمحددات

الإجابة: x = 0,125

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 = 4·1 − (−6)·(−2) = −8

استبدل عمود x

det Aₓ = (−7)·1 − (−6)·1 = −1
x = −1/(−8) = 0,125

الإجابة

x = 0,125
y = 1,25
5.المتّجهات: الضرب القياسي والاتجاهي

الإجابة: compb a = −4,427

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)·0 + 4·1 + 6·(−3) = −14

طول b

|b| = √(0² + 1² + (−3)²) = 3,162

المسقط القياسي

compb a = a·b/|b| = −14/3,162 = −4,427

الإجابة

compb a = −4,427

سالب: لـ a مركّبة تشير عكس b.

6.المتّجهات: الضرب القياسي والاتجاهي

الإجابة: Mx = 70 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 = (−4, −4, −4) − (1, −2, 3) = (−5, −2, −7) m

العزم M = r × F

(r × F)x = ryFz − rzFy = (−2)·0 − (−7)·10 = 70 N·m
(r × F)y = rzFx − rxFz = (−7)·60 − (−5)·0 = −420 N·m
(r × F)z = rxFy − ryFx = (−5)·10 − (−2)·60 = 70 N·m

المركّبة المطلوبة

Mx = 70 N·m

الإجابة

Mx = 70 N·m
7.التكاملات

الإجابة: V = 8,378

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.

طريقة الأقراص

V = π∫₀2 1x² dx

كامل

V = π·1·2³/3 = 8,378

الإجابة

V = 8,378

تحقق: للمخروط الذي نصف قطره 2 وارتفاعه 2 الحجم (1/3)πr²h = 8,378.

8.التكاملات

الإجابة: A = 0,6667

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

0,5x2 = x → x = 0, x = 2

كامل العلوي ناقص السفلي

A = [0,5x2 − 0,1667x3]02 = 0,6667

الإجابة

A = 0,6667
9.التفاضل والتكامل لعدة متغيرات

الإجابة: c = −1264

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.

القيمة والميلان عند النقطة

f(−2, 2) = 256
fx = −12x²y³ − 9x² − 4y → fx(−2, 2) = −428
fy = −12x³y² − 15y² − 4x → fy(−2, 2) = 332

المستوى المماس

z = 256 − 428(x + 2) + 332(y − 2)
z = −428x + 332y − 1264

الحد الثابت

c = −1264

الإجابة

c = −1264
10.التفاضل والتكامل لعدة متغيرات

الإجابة: I = 3,084

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).

الصيغة القطبية

I = ∫02π ∫02 e−r²·r dr dθ

كامل

∫ e−r²·r dr = [−e−r²/2]
I = 3,084

الإجابة

I = 3,084
11.المتتاليات والمتسلسلات

الإجابة: L = 1,359

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.

نسبة الحدود المتتالية

|ak+1/ak| = (1 + 1/k)ᵏ/2 → e/2

الخلاصة

L = 1,359 > 1

الإجابة

L = 1,359

L > 1، فالمتسلسلة تتباعد.

12.المتتاليات والمتسلسلات

الإجابة: c₄ = −0,003086

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⁽⁴⁾

f⁽⁴⁾(x) = −6/x⁴

المعامل

c₄ = f⁽⁴⁾(3)/4! = −6/(3⁴·24) = −0,003086
c₄ = −0,003086

الإجابة

c₄ = −0,003086
13.تحويلات لابلاس

الإجابة: f(0.5) = 1,724

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).

أكمل المربّع

s² + 4s + 8 = (s + 2)² + 4 = (s + 2)² + 2²

طابق البسط

F(s) = 4·(s + 2)/((s + 2)² + 2²) + (6/2)·2/((s + 2)² + 2²)

التحويل العكسي

f(t) = e−2t·(4·cos 2t + 3·sin 2t)
f(0,5) = e−2·0,5·(4·cos(2·0,5) + 3·sin(2·0,5)) = 1,724

الإجابة

f(0,5) = 1,724
14.تحويلات لابلاس

الإجابة: y(0.2) = 0,3373

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).

حوّل المعادلة

Y(s) = 30/(s(s + 4)(s + 5))

الكسور الجزئية

A = 30/(4·5) = 1,5
B = 30/((−4)·1) = −7,5
C = 30/((−5)·(−1)) = 6

المخرَج

y(t) = 1,5 − 7,5·e−4t + 6·e−5t
y(0,2) = 0,3373

الإجابة

y(0,2) = 0,3373
15.الالتفاف والأنظمة الخطية اللامتغيرة زمنيًا

الإجابة: y(1) = 3,445

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).

الخرج عند نهاية النبضة

y(0,5) = (10/0,5)(1 − e−0,25) = 4,424

التضاؤل بعد النبضة

y(1) = 4,424·e−0,5·0,5 = 3,445

الإجابة

y(1) = 3,445
16.الالتفاف والأنظمة الخطية اللامتغيرة زمنيًا

الإجابة: φ = −71,57 °

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)|.

الاستجابة الترددية

H(jω) = 2/(20 + jω)

الطور عند تردد الدخل

φ = −atan(60/20) = −71,57°

الإجابة

φ = −71,57°

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