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)21Ta​22 °C

علبة مشروب غازي عند 5 °C أُخرجت من الثلاجة إلى غرفة عند 27 °C. بعد 21 min تكون درجة حرارتها 22 °C. تتبع قانون نيوتن للتبريد، dT/dt = −k·(T − Tₐ). أوجد الثابت k بالـ min⁻¹.

T0 = 5 °CTa = 27 °CT(21) = 22 °C
k = min⁻¹
2.المعادلات التفاضليةصعبة
tyy(0) = 5y(0,75) = ?

حلّ y″ + 3y′ + 6,25y = 0 مع y(0) = 5 وy′(0) = 0 (تُترك من السكون). أوجد y(0,75)؛ الزوايا بالراديان.

y″ + 3y′ + 6,25y = 0y(0) = 5y′(0) = 0
y(0.75) =
3.المصفوفات والمحدداتمتوسطة
A =32−5−4−332−45

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

A = [3 2 −5; −4 −3 3; 2 −4 5]
det A =
4.المصفوفات والمحدداتصعبة
A =−131−6b =5−3

حُلّ النظام −x + 3y = 5 و x − 6y = −3. أوجد x.

−x + 3y = 5x − 6y = −3
x =
5.المتّجهات: الضرب القياسي والاتجاهيمتوسطة
xyzab

أوجد قيمة k التي يكون عندها المتّجهان a = (6, 5, 1) و b = (0, −4, k) متعامدين.

a = (6, 5, 1)b = (0, −4, k)
k =
6.المتّجهات: الضرب القياسي والاتجاهيصعبة
xyzabc

أوجد حجم V متوازي السطوح الذي أضلاعه من رأس واحد a = (2, 2, 0) و b = (−4, 0, −3) و c = (0, −5, −5).

a = (2, 2, 0)b = (−4, 0, −3)c = (0, −5, −5)
V =
7.التكاملاتمتوسطة
xy1y = x

تُدوَّر المنطقة تحت y = x من x = 0 إلى x = 1 حول المحور x. أوجد حجم الجسم V (مخروط).

y = x0 ≤ x ≤ 1
V =
8.التكاملاتصعبة
xyy = 0,5x2​y = 3x

أوجد المساحة A للمنطقة المحصورة بين y = 0,5x2 و y = 3x.

y = 0,5x2y = 3x
A =
9.التفاضل والتكامل لعدة متغيراتمتوسطة
xy20,5P

يمكن كتابة المستوى المماس لـ z = ln(x² + 4y²) عند النقطة (x, y) = (2, 0,5) بالشكل z = px + qy + c. جد c.

f(x, y) = ln(x² + 4y²)(a, b) = (2, 0,5)
c =
10.التفاضل والتكامل لعدة متغيراتصعبة
xy−202−202(0, 0)(1, 1)(−1, −1)

للدالة f(x, y) = x⁴ + y⁴ − 4xy نقطة حرجة عند (0, 0). احسب المميِّز D = fxxfyy − fxy² هناك.

f(x, y) = x⁴ + y⁴ − 4xyP = (0, 0)
D =
11.المتتاليات والمتسلسلاتمتوسطة
xx₀ = −1??R

تتقارب متسلسلة القوى Σk=1∞ 5ᵏ·(x + 1)ᵏ/(k + 1) على مجال حول x₀ = −1. جد الطرف الأيسر x لذلك المجال.

Σ 5ᵏ·(x + 1)ᵏ/(k + 1)x₀ = −1
x =
12.المتتاليات والمتسلسلاتصعبة
xyfP₃0,5

استخدم كثيرة حدود ماكلورين من الدرجة 3 للدالة f(x) = 1/(1 − x) لتقريب f(0,5). أعطِ P₃(0,5).

f(x) = 1/(1 − x)n = 3x = 0,5
P₃(0.5) =
13.تحويلات لابلاسمتوسطة
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−8−91

F(s) = (4s + 8)/(s² + 11s + 24). تحويله العكسي على الصورة f(t) = A·e−3t + B·e−8t. أوجد المعامل A بالكسور الجزئية.

F(s) = (4s + 8)/(s² + 11s + 24)
A =
14.تحويلات لابلاسصعبة
t (s)y(t)t = 0,2y(0,2) = ?

حلّ y″ + 8y′ + 15y = 0 مع y(0) = 10 و y′(0) = −15 باستخدام تحويل لابلاس، وأوجد y(0,2).

y″ + 8y′ + 15y = 0y(0) = 10y′(0) = −15t = 0,2 s
y(0.2) =
15.الالتفاف والأنظمة الخطية اللامتغيرة زمنيًامتوسطة
x(t)t1h(t)t1

يُطبَّق الدخل x(t) = 1·e−4tu(t) على نظام فيه h(t) = e−2tu(t). أوجد الخرج y(0,5) عند t = 0,5 s.

x(t) = 1·e−4tu(t)h(t) = e−2tu(t)t = 0,5 s
y(0.5) =
16.الالتفاف والأنظمة الخطية اللامتغيرة زمنيًاصعبة
δ[n]4+h[n]0,9·z⁻¹+

يحقق نظام المعادلة y[n] = 0,9·y[n − 1] + 4·x[n] ويبدأ من السكون. أوجد عينة استجابة نبضته h[3].

y[n] = 0,9y[n − 1] + 4x[n]x[n] = δ[n]
h[3] =

3المحاليل

1.المعادلات التفاضلية

الإجابة: k = 0,07055 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−21k = -5/-22

حلّ لإيجاد k

k = ln(-22/-5)/21 = 0,07055 min⁻¹

الإجابة

k = 0,07055 min⁻¹
2.المعادلات التفاضلية

الإجابة: y(0.75) = 1,329

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.

الجذور المركّبة

r = −1,5 ± 2j

الثوابت

A = 5, B = 1,5·5/2 = 3,75

احسب

y(0,75) = e−1,125(5·cos 1,5 + 3,75·sin 1,5) = 1,329

الإجابة

y(0,75) = 1,329
3.المصفوفات والمحددات

الإجابة: det A = −67

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 = −3, M₁₂ = −26, M₁₃ = 22

النشر بالمعاملات المرافقة

det A = 3·(−3) − 2·(−26) + (−5)·22 = −67

الإجابة

det A = −67
4.المصفوفات والمحددات

الإجابة: x = −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.

محدد مصفوفة المعاملات

det A = (−1)·(−6) − 3·1 = 3

استبدل عمود x

det Aₓ = 5·(−6) − 3·(−3) = −21
x = −21/3 = −7

الإجابة

x = −7
y = −0,6667
5.المتّجهات: الضرب القياسي والاتجاهي

الإجابة: k = 20

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 يساوي صفرًا

a·b = 6·0 + 5·(−4) + 1·k = 0
−20 + 1·k = 0

حلّ لإيجاد k

k = −(−20)/1 = 20

الإجابة

k = 20
6.المتّجهات: الضرب القياسي والاتجاهي

الإجابة: V = 70

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 b × c

(b × c)x = bycz − bzcy = 0·(−5) − (−3)·(−5) = −15
(b × c)y = bzcx − bxcz = (−3)·0 − (−4)·(−5) = −20
(b × c)z = bxcy − bycx = (−4)·(−5) − 0·0 = 20

الضرب القياسي مع a

a·(b × c) = 2·(−15) + 2·(−20) + 0·20 = −70
V = |−70| = 70

الإجابة

V = 70
7.التكاملات

الإجابة: V = 1,047

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∫₀1 1x² dx

كامل

V = π·1·1³/3 = 1,047

الإجابة

V = 1,047

تحقق: للمخروط الذي نصف قطره 1 وارتفاعه 1 الحجم (1/3)πr²h = 1,047.

8.التكاملات

الإجابة: A = 18

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 = 3x → x = 0, x = 6

كامل العلوي ناقص السفلي

A = [1,5x2 − 0,1667x3]06 = 18

الإجابة

A = 18
9.التفاضل والتكامل لعدة متغيرات

الإجابة: c = −0,3906

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, 0,5) = 1,609
fx = 2x/(x² + 4y²) → fx(2, 0,5) = 0,8
fy = 8y/(x² + 4y²) → fy(2, 0,5) = 0,8

المستوى المماس

z = 1,609 + 0,8(x − 2) + 0,8(y − 0,5)
z = 0,8x + 0,8y − 0,3906

الحد الثابت

c = −0,3906

الإجابة

c = −0,3906
10.التفاضل والتكامل لعدة متغيرات

الإجابة: D = −16

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 = −4

المميِّز

D = 0·0 − (−4)² = −16
→ نقطة سرج

الإجابة

D = −16
11.المتتاليات والمتسلسلات

الإجابة: x = −1,2

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

الفترة

−1,2 < x < −0,8
x = −1,2

الإجابة

x = −1,2

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

12.المتتاليات والمتسلسلات

الإجابة: P₃(0.5) = 1,875

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) = 1 + x + x² + x³

عوّض

P₃(0,5) = 1 + 0,5 + 0,25 + 0,125 = 1,875

الإجابة

P₃(0,5) = 1,875

القيمة الدقيقة هي f(0,5) = 2؛ ويتناقص الخطأ 0,125 عند أخذ حدود أكثر أو نقطة أقرب إلى 0.

13.تحويلات لابلاس

الإجابة: A = −0,8

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 + 11s + 24 = (s + 3)(s + 8)
F(s) = A/(s + 3) + B/(s + 8)

قاعدة التغطية

اضرب في (s + 3) وضع s = −3: يختفي حدّ B.

A = (4s + 8)/(s + 8) |s = −3 = −4/5 = −0,8

الإجابة

A = −0,8
(B = 4,8، لذا f(t) = −0,8·e−3t + 4,8·e−8t)
14.تحويلات لابلاس

الإجابة: y(0.2) = 6,845

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

s²Y − 10s − (−15) + 8(sY − 10) + 15Y = 0
Y(s) = (10s + 65)/((s + 3)(s + 5))

الكسور الجزئية

A = 35/2 = 17,5
B = 15/(−2) = −7,5

النتيجة

y(t) = 17,5·e−3t − 7,5·e−5t
y(0,2) = 6,845

الإجابة

y(0,2) = 6,845

تحقّق: y(0) = A + B = 10.

15.الالتفاف والأنظمة الخطية اللامتغيرة زمنيًا

الإجابة: y(0.5) = 0,1163

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).

تكامل الالتفاف

y(t) = 1e−2t∫₀ᵗ e−(4 − 2)τ dτ = 1(e−2t − e−4t)/(2)

احسب

y(0,5) = 1·(0,3679 − 0,1353)/(2) = 0,1163

الإجابة

y(0,5) = 0,1163
16.الالتفاف والأنظمة الخطية اللامتغيرة زمنيًا

الإجابة: h[3] = 2,916

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] = 4
h[1] = 3,6
h[2] = 3,24
h[3] = 2,916

النتيجة

h[3] = 4·(0,9)3 = 2,916

الإجابة

h[3] = 2,916

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