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
tyy(0) = 1y(2) = ?

حلّ y″ + 6y′ + 9y = 0 مع y(0) = 1 وy′(0) = 0. أوجد y(2).

y″ + 6y′ + 9y = 0y(0) = 1y′(0) = 0
y(2) =
2.المعادلات التفاضليةصعبة
tyK = 5ymax​ = ?

يخضع نظام للمعادلة y″ + 2y′ + 17y = 85 عندما t ≥ 0، بادئًا من السكون: y(0) = 0 وy′(0) = 0. أوجد القيمة العظمى ymax لاستجابته للدخل الدرجي.

y″ + 2y′ + 17y = 85y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.المصفوفات والمحدداتمتوسطة
A =4−1052−25−12

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

A = [4 −1 0; 5 2 −2; 5 −1 2]
det A =
4.المصفوفات والمحدداتصعبة
A =−34−89

أوجد القيمة الذاتية الأكبر λ للمصفوفة A المعروضة.

A = [−3 4; −8 9]
λ =
5.المتّجهات: الضرب القياسي والاتجاهيمتوسطة
xyzab

أوجد الزاوية θ بين المتّجهين a = (6, −3, 2) و b = (−2, 6, 0)، بالدرجات.

a = (6, −3, 2)b = (−2, 6, 0)
θ = °
6.المتّجهات: الضرب القياسي والاتجاهيصعبة
xyzab

للمتّجهين a = (0, 6, −1) و b = (−4, −4, 3)، أوجد المركّبة x (a × b)x للضرب الاتجاهي a × b.

a = (0, 6, −1)b = (−4, −4, 3)
(a × b)x =
7.التكاملاتمتوسطة
xy15y = x ln x

احسب I = ∫₁5 x·ln x dx.

∫₁5 x ln x dx
I =
8.التكاملاتصعبة
xyy = x2​y = x

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

y = x2y = x
A =
9.التفاضل والتكامل لعدة متغيراتمتوسطة
xy−2−2∇fP

للدالة f(x, y) = 4x²y² − x³ − 3y² − xy، جد أقصى معدل تغير لـ f عند النقطة (−2, −2)، أي |∇f|.

f(x, y) = 4x²y² − x³ − 3y² − xyP = (−2, −2)
|∇f| =
10.التفاضل والتكامل لعدة متغيراتصعبة
xy−50−4−202(0, 0)(−3, −3)

للدالة f(x, y) = x³ + y³ + 9xy نقطة حرجة عند (0, 0). احسب المميِّز D = fxxfyy − fxy² هناك.

f(x, y) = x³ + y³ + 9xyP = (0, 0)
D =
11.المتتاليات والمتسلسلاتمتوسطة
AΣ (k + 3)/k²k = 1 … ∞BΣ (5/4)ᵏk = 1 … ∞CΣ k²/2ᵏk = 1 … ∞DΣ (1 + 1/k)ᵏk = 1 … ∞

متسلسلة واحدة بالضبط من المتسلسلات الأربع تتقارب. انقر عليها.

A: Σ (k + 3)/k²B: Σ (5/4)ᵏC: Σ k²/2ᵏD: Σ (1 + 1/k)ᵏ
  1. 1A: Σ (k + 3)/k²
  2. 2B: Σ (5/4)ᵏ
  3. 3C: Σ k²/2ᵏ
  4. 4D: Σ (1 + 1/k)ᵏ
12.المتتاليات والمتسلسلاتصعبة

تُقرَّب f(x) = eˣ عند x = 1 بكثيرة حدود ماكلورين من الدرجة n. مع حد لاغرانج M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! و M = 3، جد أصغر درجة n تضمن خطأً أقل من 0,001.

f(x) = eˣx = 1M = 3ε = 0,001
n =
13.تحويلات لابلاسمتوسطة
t (s)f(t)t = 0,6f(0,6) = ?

أوجد f(t) للدالة F(s) = (5s + 23)/(s² + 4s + 4) واحسب f(0,6).

F(s) = (5s + 23)/(s² + 4s + 4)t = 0,6 s
f(0.6) =
14.تحويلات لابلاسصعبة
t (s)y(t)t = 0,4y(0,4) = ?

يخضع نظام للمعادلة y″ + 8y′ + 12y = 24·u(t). يبدأ من السكون (y(0) = 0، y′(0) = 0) والدخل خطوة u(t) = 5 لـ t ≥ 0. استخدم تحويل لابلاس لإيجاد الخرج y(0,4).

y″ + 8y′ + 12y = 24·u(t)u(t) = 5y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0,4 s
y(0.4) =
15.الالتفاف والأنظمة الخطية اللامتغيرة زمنيًامتوسطة
x(t)t12h(t)t21

تُطبَّق النبضة x(t) = 2 لـ 0 ≤ t < 1 s (وصفر في غير ذلك) على نظام استجابة نبضته h(t) = 1 لـ 0 ≤ t < 2 s (وصفر في غير ذلك). أوجد الخرج y(1,5) عند t = 1,5 s.

x(t) = 2, 0 ≤ t < 1 sh(t) = 1, 0 ≤ t < 2 st = 1,5 s
y(1.5) =
16.الالتفاف والأنظمة الخطية اللامتغيرة زمنيًاصعبة
δ[n]2+h[n]−0,8·z⁻¹+

يحقق نظام المعادلة y[n] = −0,8·y[n − 1] + 2·x[n] ويبدأ من السكون. أوجد عينة استجابة نبضته h[3].

y[n] = −0,8y[n − 1] + 2x[n]x[n] = δ[n]
h[3] =

3المحاليل

1.المعادلات التفاضلية

الإجابة: y(2) = 0,01735

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.

الجذر المضاعف

(r + 3)² = 0 → r = −3

الثوابت

A = y(0) = 1
y′(0) = B − 3A → B = 0 + 3 = 3

احسب

y(2) = (1 + 3·2)·e−6 = 0,01735

الإجابة

y(2) = 0,01735
2.المعادلات التفاضلية

الإجابة: ymax = 7,28

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 = 5, r = −1 ± 4j

الثابتان من القيم الابتدائية

y(0) = 5 + A = 0 → A = −5
y′(0) = −1A + 4B = 0 → B = −1,25

الذروة

t = π/4 = 0,7854
ymax = 5·(1 + e−1·π/4) = 7,28

الإجابة

ymax = 7,28
3.المصفوفات والمحددات

الإجابة: det A = 28

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 = 2, M₁₂ = 20, M₁₃ = −15

النشر بالمعاملات المرافقة

det A = 4·2 − (−1)·20 + 0·(−15) = 28

الإجابة

det A = 28
4.المصفوفات والمحددات

الإجابة: λ = 5

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 − (6)λ + (5) = 0

الحل

λ = (6 ± √(16))/2 → λ = 1, 5
λ = 5

الإجابة

λ = 5
5.المتّجهات: الضرب القياسي والاتجاهي

الإجابة: θ = 132,7 °

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 = 6·(−2) + (−3)·6 + 2·0 = −30

المقداران

|a| = √(6² + (−3)² + 2²) = 7
|b| = √((−2)² + 6² + 0²) = 6,325

الزاوية

cos θ = −30/(7·6,325) = −0,6776
θ = arccos(−0,6776) = 132,7°

الإجابة

θ = 132,7°
6.المتّجهات: الضرب القياسي والاتجاهي

الإجابة: (a × b)x = 14

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.

الضرب الاتجاهي، مركّبةً مركّبة

(a × b)x = aybz − azby = 6·3 − (−1)·(−4) = 14
(a × b)y = azbx − axbz = (−1)·(−4) − 0·3 = 4
(a × b)z = axby − aybx = 0·(−4) − 6·(−4) = 24

المركّبة المطلوبة

(a × b)x = 14

الإجابة

(a × b)x = 14

تحقّق: a × b عمودي على المتّجهين كليهما، لذا ضربه القياسي مع a ومع b صفر.

7.التكاملات

الإجابة: I = 14,12

التكامل بالتجزئة: ∫u·dv = u·v − ∫v·du، وهو ناتج عن قاعدة الضرب. اختر u العامل الذي يصبح أبسط عند اشتقاقه (قوة لـ x، أو ln x)، واختر dv العامل الذي تستطيع تكامله (eˣ أو sin x أو cos x، أو x حين تكون u = ln x). وفي التكامل المحدد قيّم u·v عند الحدّين: ∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du. العامل x² يحتاج إلى جولتين.

اختر u وdv

u = ln x, du = dx/x; dv = x dx, v = x²/2

الدالة الأصلية

∫x ln x dx = (x²/2)ln x − ∫(x/2) dx = (x²/2)ln x − x²/4

النهايات

(12,5·ln 5 − 6,25) − (0 − 0,25) = 14,12

الإجابة

I = 14,12
8.التكاملات

الإجابة: A = 0,1667

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

x2 = x → x = 0, x = 1

كامل العلوي ناقص السفلي

A = [0,5x2 − 0,3333x3]01 = 0,1667

الإجابة

A = 0,1667
9.التفاضل والتكامل لعدة متغيرات

الإجابة: |∇f| = 89,31

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 = 8xy² − 3x² − y → fx(−2, −2) = −74
fy = 8x²y − 6y − x → fy(−2, −2) = −50

طول التدرج

|∇f| = √((−74)² + (−50)²) = 89,31

الإجابة

|∇f| = 89,31
10.التفاضل والتكامل لعدة متغيرات

الإجابة: D = −81

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).

المشتقات الثانية

fxx = 0, fyy = 0, fxy = 9

المميِّز

D = 0·0 − 9² = −81
→ نقطة سرج

الإجابة

D = −81
11.المتتاليات والمتسلسلات

الإجابة: C: Σ k²/2ᵏ

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.

اختبر كل متسلسلة

A: Σ (k + 3)/k² → تسلك سلوك 1/k لـ k كبيرة: تتباعد بالمقارنة مع المتسلسلة التوافقية.
B: Σ (5/4)ᵏ → هندسية مع r = 5/4 > 1: تنمو الحدود، فتتباعد.
C: Σ k²/2ᵏ → اختبار النسبة: L = 1/2 < 1، تتقارب.
D: Σ (1 + 1/k)ᵏ → تؤول الحدود إلى e لا إلى 0: تتباعد باختبار الحد النوني.

الجواب

C: Σ k²/2ᵏ

الإجابة

C: Σ k²/2ᵏ
12.المتتاليات والمتسلسلات

الإجابة: n = 6

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.

n(n + 1)!الحد013121,5260,53240,12541200,02557200,004167650400,0005952

الحدود لقيم n متزايدة

n = 5: 0,004167 ≥ 0,001
n = 6: 0,0005952 < 0,001

أصغر درجة

n = 6

الإجابة

n = 6
13.تحويلات لابلاس

الإجابة: f(0.6) = 3,855

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 + 4s + 4 = (s + 2)²

الكسور الجزئية

5s + 23 = 5(s + 2) + 13
F(s) = 5/(s + 2) + 13/(s + 2)²

التحويل العكسي

f(t) = 5·e−2t + 13·t·e−2t
f(0,6) = (5 + 13·0,6)·e−2·0,6 = 3,855

الإجابة

f(0,6) = 3,855
14.تحويلات لابلاس

الإجابة: y(0.4) = 3,714

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) = 120/(s(s + 2)(s + 6))

الكسور الجزئية

A = 120/(2·6) = 10
B = 120/((−2)·4) = −15
C = 120/((−6)·(−4)) = 5

المخرَج

y(t) = 10 − 15·e−2t + 5·e−6t
y(0,4) = 3,714

الإجابة

y(0,4) = 3,714
15.الالتفاف والأنظمة الخطية اللامتغيرة زمنيًا

الإجابة: y(1.5) = 2

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).

تراكب النبضة المقلوبة

h(t − τ) هي نبضة h مقلوبة ومزاحة بحيث تنتهي عند τ = t.

τ ∈ [0, 1] → الطول 1 s

التكامل

y(1,5) = 2·1·1 = 2

الإجابة

y(1,5) = 2

y(t) شبه منحرف: يرتفع من 0 ويبقى عند 2 ثم يهبط إلى 0 عند t = 3 s.

16.الالتفاف والأنظمة الخطية اللامتغيرة زمنيًا

الإجابة: h[3] = −1,024

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)|.

كرّر الحساب

h[0] = 2
h[1] = −1,6
h[2] = 1,28
h[3] = −1,024

النتيجة

h[3] = 2·(−0,8)3 = −1,024

الإجابة

h[3] = −1,024

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