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)26Ta​20 °C14 °C

علبة مشروب غازي عند 4 °C أُخرجت من الثلاجة إلى غرفة عند 26 °C. بعد 26 min تكون درجة حرارتها 20 °C. تتبع قانون نيوتن للتبريد، dT/dt = −k·(T − Tₐ). كم من الوقت بعد البداية، t، يلزم لبلوغ 14 °C؟

T0 = 4 °CTa = 26 °CT(26) = 20 °CT = 14 °C
t = min
2.المعادلات التفاضليةصعبة
tyK = 10y(1) = ?

يخضع نظام للمعادلة y″ + y′ + 16,25y = 162,5 عندما t ≥ 0، بادئًا من السكون: y(0) = 0 وy′(0) = 0. أوجد y(1)؛ الزوايا بالراديان.

y″ + y′ + 16,25y = 162,5y(0) = 0y′(0) = 0
y(1) =
3.المصفوفات والمحدداتمتوسطة
A =5−1−3−524−114

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

A = [5 −1 −3; −5 2 4; −1 1 4]
det A =
4.المصفوفات والمحدداتصعبة
A =1−438

أوجد القيمة الذاتية الأكبر λ للمصفوفة A المعروضة.

A = [1 −4; 3 8]
λ =
5.المتّجهات: الضرب القياسي والاتجاهيمتوسطة
xyzab

أوجد المسقط القياسي compb a لـ a = (−4, −2, −5) على b = (3, −2, −1)، أي مركّبة a في اتجاه b.

a = (−4, −2, −5)b = (3, −2, −1)
compb a =
6.المتّجهات: الضرب القياسي والاتجاهيصعبة
xyzABC

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

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

احسب I = ∫01 ex dx.

f(x) = ex[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) = 3x³e−y، جد أقصى معدل تغير لـ f عند النقطة (0,5, −1)، أي |∇f|.

f(x, y) = 3x³e−yP = (0,5, −1)
|∇f| =
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
kSn​12345678910S = ?

جد المجموع S = Σk=1∞ 6/(k(k + 2)).

ak = 6/(k(k + 2))
S =
12.المتتاليات والمتسلسلاتصعبة

تُقرَّب f(x) = cos x عند x = 1,5 بكثيرة حدود ماكلورين من الدرجة n. مع حد لاغرانج M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! و M = 1، جد أصغر درجة n تضمن خطأً أقل من 0,0005.

f(x) = cos xx = 1,5M = 1ε = 0,0005
n =
13.تحويلات لابلاسمتوسطة
ReIm−1−2−312

أوجد f(t) للدالة F(s) = (2s + 6)/(s² + 2s + 5) بإكمال المربّع، واحسب f(0,2).

F(s) = (2s + 6)/(s² + 2s + 5)t = 0,2 s
f(0.2) =
14.تحويلات لابلاسصعبة
t (s)y(t)t = 0,1y(0,1) = ?

يخضع نظام للمعادلة y″ + 10y′ + 24y = 12·u(t). يبدأ من السكون (y(0) = 0، y′(0) = 0) والدخل خطوة u(t) = 10 لـ t ≥ 0. استخدم تحويل لابلاس لإيجاد الخرج y(0,1).

y″ + 10y′ + 24y = 12·u(t)u(t) = 10y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0,1 s
y(0.1) =
15.الالتفاف والأنظمة الخطية اللامتغيرة زمنيًامتوسطة
x(t)t12h(t)t45

تُطبَّق النبضة x(t) = 2 لـ 0 ≤ t < 1 s (وصفر في غير ذلك) على نظام استجابة نبضته h(t) = 5 لـ 0 ≤ t < 4 s (وصفر في غير ذلك). أوجد الخرج y(2) عند t = 2 s.

x(t) = 2, 0 ≤ t < 1 sh(t) = 5, 0 ≤ t < 4 st = 2 s
y(2) =
16.الالتفاف والأنظمة الخطية اللامتغيرة زمنيًاصعبة
2cos(7,5t)h(t) = 5e−5t​u(t)y(t)

يُطبَّق الدخل x(t) = 2·cos(7,5t) على نظام فيه h(t) = 5·e−5tu(t). أوجد سعة Ym الخرج في الحالة المستقرة.

h(t) = 5e−5tu(t)x(t) = 2cos(7,5t)
Ym =

3المحاليل

1.المعادلات التفاضلية

الإجابة: t = 12,13 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(-22/-6)/26 = 0,04997 min⁻¹

الزمن لبلوغ القيمة المستهدفة

t = ln(-22/(−12))/0,04997 = 12,13 min

الإجابة

t = 12,13 min
2.المعادلات التفاضلية

الإجابة: y(1) = 14,54

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 = 10, r = −0,5 ± 4j

الثابتان من القيم الابتدائية

y(0) = 10 + A = 0 → A = −10
y′(0) = −0,5A + 4B = 0 → B = −1,25

احسب

y(1) = 10·(1 − e−0,5(cos 4 + 0,125·sin 4)) = 14,54

الإجابة

y(1) = 14,54
3.المصفوفات والمحددات

الإجابة: det A = 13

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 = 4, M₁₂ = −16, M₁₃ = −3

النشر بالمعاملات المرافقة

det A = 5·4 − (−1)·(−16) + (−3)·(−3) = 13

الإجابة

det A = 13
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 − (9)λ + (20) = 0

الحل

λ = (9 ± √(1))/2 → λ = 4, 5
λ = 5

الإجابة

λ = 5
5.المتّجهات: الضرب القياسي والاتجاهي

الإجابة: compb a = −0,8018

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 = (−4)·3 + (−2)·(−2) + (−5)·(−1) = −3

طول b

|b| = √(3² + (−2)² + (−1)²) = 3,742

المسقط القياسي

compb a = a·b/|b| = −3/3,742 = −0,8018

الإجابة

compb a = −0,8018

سالب: لـ a مركّبة تشير عكس b.

6.المتّجهات: الضرب القياسي والاتجاهي

الإجابة: A = 8,874 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 = (7, −5, −6)
AC = C − A = (6, −3, −3)

الضرب الاتجاهي

(AB × AC)x = AByACz − ABzACy = (−5)·(−3) − (−6)·(−3) = −3
(AB × AC)y = ABzACx − ABxACz = (−6)·6 − 7·(−3) = −15
(AB × AC)z = ABxACy − AByACx = 7·(−3) − (−5)·6 = 9
|AB × AC| = √((−3)² + (−15)² + 9²) = 17,75

مساحة المثلث

A = ½·17,75 = 8,874 m²

الإجابة

A = 8,874 m²
7.التكاملات

الإجابة: I = 1,718

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.

الدالة الأصلية

F(x) = ex/1

عوّض الحدود

I = (e1 − 1)/1 = (2,718 − 1)/1 = 1,718

الإجابة

I = 1,718
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| = 6,2

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 = 9x²e−y → fx(0,5, −1) = 6,116
fy = −3x³e−y → fy(0,5, −1) = −1,019

طول التدرج

|∇f| = √(6,116² + (−1,019)²) = 6,2

الإجابة

|∇f| = 6,2
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: S = 4,5

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

6/(k(k + 2)) = (6/2)·(1/k − 1/(k + 2))

إلغاء

S = (6/2)·(1 + 1/2) = 4,5

الإجابة

S = 4,5
12.المتتاليات والمتسلسلات

الإجابة: n = 8

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)!الحد011,5121,125260,56253240,210941200,0632857200,01582650400,003397403200,000635683628800,0001059

الحدود لقيم n متزايدة

n = 7: 0,0006356 ≥ 0,0005
n = 8: 0,0001059 < 0,0005

أصغر درجة

n = 8

الإجابة

n = 8
13.تحويلات لابلاس

الإجابة: f(0.2) = 2,146

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 + 2s + 5 = (s + 1)² + 4 = (s + 1)² + 2²

طابق البسط

F(s) = 2·(s + 1)/((s + 1)² + 2²) + (4/2)·2/((s + 1)² + 2²)

التحويل العكسي

f(t) = e−t·(2·cos 2t + 2·sin 2t)
f(0,2) = e−0,2·(2·cos(2·0,2) + 2·sin(2·0,2)) = 2,146

الإجابة

f(0,2) = 2,146
14.تحويلات لابلاس

الإجابة: y(0.1) = 0,4333

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 + 4)(s + 6))

الكسور الجزئية

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

المخرَج

y(t) = 5 − 15·e−4t + 10·e−6t
y(0,1) = 0,4333

الإجابة

y(0,1) = 0,4333
15.الالتفاف والأنظمة الخطية اللامتغيرة زمنيًا

الإجابة: y(2) = 10

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(2) = 2·5·1 = 10

الإجابة

y(2) = 10

y(t) شبه منحرف: يرتفع من 0 ويبقى عند 10 ثم يهبط إلى 0 عند t = 5 s.

16.الالتفاف والأنظمة الخطية اللامتغيرة زمنيًا

الإجابة: Ym = 1,109

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) = 5/(5 + jω)

الكسب عند تردد الدخل

|H(j7,5)| = 5/√(5² + 7,5²) = 0,5547
Ym = 2·0,5547 = 1,109

الإجابة

Ym = 1,109

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