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)58Ta​43 °C

قطعة فولاذ مطروقة عند 320 °C تُركت لتبرد في ورشة عند 27 °C. بعد 58 min تكون درجة حرارتها 43 °C. تتبع قانون نيوتن للتبريد، dT/dt = −k·(T − Tₐ). أوجد الثابت k بالـ min⁻¹.

T0 = 320 °CTa = 27 °CT(58) = 43 °C
k = min⁻¹
2.المعادلات التفاضليةصعبة
tyK = 2ymax​ = ?

يخضع نظام للمعادلة y″ + 2y′ + 17y = 34 عندما t ≥ 0، بادئًا من السكون: y(0) = 0 وy′(0) = 0. أوجد القيمة العظمى ymax لاستجابته للدخل الدرجي.

y″ + 2y′ + 17y = 34y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.المصفوفات والمحدداتمتوسطة
A =−3−5−3−450−51−2

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

A = [−3 −5 −3; −4 5 0; −5 1 −2]
det A =
4.المصفوفات والمحدداتصعبة
A =−26−59

أوجد القيمة الذاتية الأكبر λ للمصفوفة A المعروضة.

A = [−2 6; −5 9]
λ =
5.المتّجهات: الضرب القياسي والاتجاهيمتوسطة
xyzab

أوجد الزاوية θ بين المتّجهين a = (2, 0, −2) و b = (6, −6, −6)، بالدرجات.

a = (2, 0, −2)b = (6, −6, −6)
θ = °
6.المتّجهات: الضرب القياسي والاتجاهيصعبة
xyzABC

أوجد مساحة A المثلث الذي رؤوسه A(3, 2, 4) و B(2, 2, −4) و C(0, 3, 1). الإحداثيات بالمتر.

A(3, 2, 4)B(2, 2, −4)C(0, 3, 1)
A = m²
7.التكاملاتمتوسطة
xy01

احسب I = ∫01 2x·(x² + 1)1 dx.

f(x) = 2x·(x² + 1)1[0, 1]
I =
8.التكاملاتصعبة
xyy = 0,5x2​y = 2x

أوجد المساحة A للمنطقة المحصورة بين y = 0,5x2 و y = 2x.

y = 0,5x2y = 2x
A =
9.التفاضل والتكامل لعدة متغيراتمتوسطة
xy0,5−1∇fP

للدالة f(x, y) = 2y·e−xy، جد أقصى معدل تغير لـ f عند النقطة (0,5, −1)، أي |∇f|.

f(x, y) = 2y·e−xyP = (0,5, −1)
|∇f| =
10.التفاضل والتكامل لعدة متغيراتصعبة
xyy = 3xy = x²39

احسب I = ∬R xy dA، حيث R المنطقة بين القطع المكافئ y = x² والمستقيم y = 3x.

y = x²y = 3xf = xy
I =
11.المتتاليات والمتسلسلاتمتوسطة
kSn​12345678910S = ?

جد المجموع S = Σk=1∞ 12/(k(k + 3)).

ak = 12/(k(k + 3))
S =
12.المتتاليات والمتسلسلاتصعبة
xyfP₃−1,5

استخدم كثيرة حدود ماكلورين من الدرجة 3 للدالة f(x) = sin x لتقريب f(−1,5). أعطِ P₃(−1,5).

f(x) = sin xn = 3x = −1,5
P₃(−1.5) =
13.تحويلات لابلاسمتوسطة
ReIm−5−10−15

أوجد f(t) للدالة F(s) = (s + 17)/(s² + 6s + 10) بإكمال المربّع، واحسب f(0,5).

F(s) = (s + 17)/(s² + 6s + 10)t = 0,5 s
f(0.5) =
14.تحويلات لابلاسصعبة
ReIm−1−2−3−4−5−61

يُوصف نظام بالمعادلة التفاضلية y″ + 9y′ + 18y = 4u′ + 12u، 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 = 0,2 s. أوجد g(0,2).

y″ + 9y′ + 18y = 4u′ + 12ut = 0,2 s
g(0.2) =
15.الالتفاف والأنظمة الخطية اللامتغيرة زمنيًامتوسطة
x(t)t10h(t)t11

نظام استجابة نبضته h(t) = e−1tu(t). الدخل خطوة x(t) = 10·u(t). أوجد الخرج y(6) عند t = 6 s.

h(t) = e−1tu(t)x(t) = 10·u(t)t = 6 s
y(6) =
16.الالتفاف والأنظمة الخطية اللامتغيرة زمنيًاصعبة
δ(t)y′ + 0,5y = 2xh(t)

يحقق نظام المعادلة y′(t) + 0,5·y(t) = 2·x(t). أوجد استجابة نبضته عند t = 0,4 s، h(0,4).

y′ + 0,5y = 2xt = 0,4 s
h(0.4) =

3المحاليل

1.المعادلات التفاضلية

الإجابة: k = 0,05013 min⁻¹

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.

نسبة فروق درجات الحرارة

e−58k = 16/293

حلّ لإيجاد k

k = ln(293/16)/58 = 0,05013 min⁻¹

الإجابة

k = 0,05013 min⁻¹
2.المعادلات التفاضلية

الإجابة: ymax = 2,912

المعادلات الخطية من الرتبة الثانية: للمعادلة y″ + b·y′ + c·y = 0 جرّب y = ert: فتحصل على المعادلة المميِّزة r² + b·r + c = 0. جذران حقيقيان r₁ ≠ r₂ يعطيان y = A·er₁t + B·er₂t (فوق التخميد)؛ وجذر مضاعف r يعطي y = (A + Bt)·ert (تخميد حرج)؛ وجذران مركّبان −α ± jω يعطيان y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt) (تحت التخميد، متذبذب). تحدد القيمتان الابتدائيتان y(0) وy′(0) الثابتين A وB. وعند كتابتها y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0 تكون ωn التردد الطبيعي وζ نسبة التخميد: ζ < 1 يعني تذبذبًا. ومع دخل ثابت y″ + by′ + cy = c·K يكون الحل القيمة المستقرة K زائد الاستجابة الحرة.

القيمة المستقرة والجذور

yss = 2, r = −1 ± 4j

الثابتان من القيم الابتدائية

y(0) = 2 + A = 0 → A = −2
y′(0) = −1A + 4B = 0 → B = −0,5

الذروة

t = π/4 = 0,7854
ymax = 2·(1 + e−1·π/4) = 2,912

الإجابة

ymax = 2,912
3.المصفوفات والمحددات

الإجابة: det A = 7

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 = −10, M₁₂ = 8, M₁₃ = 21

النشر بالمعاملات المرافقة

det A = (−3)·(−10) − (−5)·8 + (−3)·21 = 7

الإجابة

det A = 7
4.المصفوفات والمحددات

الإجابة: λ = 4

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.

المعادلة المميزة

λ² − (7)λ + (12) = 0

الحل

λ = (7 ± √(1))/2 → λ = 3, 4
λ = 4

الإجابة

λ = 4
5.المتّجهات: الضرب القياسي والاتجاهي

الإجابة: θ = 35,26 °

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 = 2·6 + 0·(−6) + (−2)·(−6) = 24

المقداران

|a| = √(2² + 0² + (−2)²) = 2,828
|b| = √(6² + (−6)² + (−6)²) = 10,39

الزاوية

cos θ = 24/(2,828·10,39) = 0,8165
θ = arccos(0,8165) = 35,26°

الإجابة

θ = 35,26°
6.المتّجهات: الضرب القياسي والاتجاهي

الإجابة: A = 11,25 m²

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.

متّجها الضلعين

AB = B − A = (−1, 0, −8)
AC = C − A = (−3, 1, −3)

الضرب الاتجاهي

(AB × AC)x = AByACz − ABzACy = 0·(−3) − (−8)·1 = 8
(AB × AC)y = ABzACx − ABxACz = (−8)·(−3) − (−1)·(−3) = 21
(AB × AC)z = ABxACy − AByACx = (−1)·1 − 0·(−3) = −1
|AB × AC| = √(8² + 21² + (−1)²) = 22,49

مساحة المثلث

A = ½·22,49 = 11,25 m²

الإجابة

A = 11,25 m²
7.التكاملات

الإجابة: I = 1,5

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 = ∫12 u1 du

كامل وعوّض الحدود

I = [u2/2]12 = (4 − 1)/2 = 1,5

الإجابة

I = 1,5
8.التكاملات

الإجابة: A = 5,333

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

0,5x2 = 2x → x = 0, x = 4

كامل العلوي ناقص السفلي

A = [x2 − 0,1667x3]04 = 5,333

الإجابة

A = 5,333
9.التفاضل والتكامل لعدة متغيرات

الإجابة: |∇f| = 5,945

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.

المشتقات الجزئية

fx = −2y²e−xy → fx(0,5, −1) = −3,297
fy = 2e−xy(1 − xy) → fy(0,5, −1) = 4,946

طول التدرج

|∇f| = √((−3,297)² + 4,946²) = 5,945

الإجابة

|∇f| = 5,945
10.التفاضل والتكامل لعدة متغيرات

الإجابة: I = 30,38

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).

نقاط التقاطع

x² = 3x → x = 0, x = 3

التكامل الداخلي

∫x²3x xy dy = x·(9x² − x⁴)/2

التكامل الخارجي

I = ∫03 (9x³ − x⁵)/2 dx = 30,38

الإجابة

I = 30,38
11.المتتاليات والمتسلسلات

الإجابة: S = 7,333

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.

الكسور الجزئية

12/(k(k + 3)) = (12/3)·(1/k − 1/(k + 3))

إلغاء

S = (12/3)·(1 + 1/2 + 1/3) = 7,333

الإجابة

S = 7,333
12.المتتاليات والمتسلسلات

الإجابة: P₃(−1.5) = −0,9375

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

P₃(x) = x − 0,1667x³

عوّض

P₃(−1,5) = −1,5 + 0,5625 = −0,9375

الإجابة

P₃(−1,5) = −0,9375

القيمة الدقيقة هي f(−1,5) = −0,997495؛ ويتناقص الخطأ −0,059995 عند أخذ حدود أكثر أو نقطة أقرب إلى 0.

13.تحويلات لابلاس

الإجابة: f(0.5) = 1,693

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 + 6s + 10 = (s + 3)² + 1 = (s + 3)² + 1²

طابق البسط

F(s) = 1·(s + 3)/((s + 3)² + 1²) + (14/1)·1/((s + 3)² + 1²)

التحويل العكسي

f(t) = e−3t·(cos 1t + 14·sin 1t)
f(0,5) = e−3·0,5·(cos(1·0,5) + 14·sin(1·0,5)) = 1,693

الإجابة

f(0,5) = 1,693
14.تحويلات لابلاس

الإجابة: g(0.2) = 1,205

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) = (4s + 12)/(s² + 9s + 18)

الكسور الجزئية

s² + 9s + 18 = (s + 3)(s + 6)
A = 0, B = 4

استجابة النبضة

g(t) = 4·e−6t
g(0,2) = 1,205

الإجابة

g(0,2) = 1,205
15.الالتفاف والأنظمة الخطية اللامتغيرة زمنيًا

الإجابة: y(6) = 9,975

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).

الالتفاف مع خطوة

y(t) = 10·∫₀ᵗ e−1τ dτ = (10/1)·(1 − e−1t)

احسب

y(6) = 10·(1 − e−6) = 9,975

الإجابة

y(6) = 9,975
16.الالتفاف والأنظمة الخطية اللامتغيرة زمنيًا

الإجابة: h(0.4) = 1,637

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)|.

دالة التحويل

H(s) = Y(s)/X(s) = 2/(s + 0,5)

استجابة النبضة

h(t) = 2·e−0,5tu(t)
h(0,4) = 2·e−0,2 = 1,637

الإجابة

h(0,4) = 1,637

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