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) = 4y(1) = ?

حلّ y″ + 6y′ + 8y = 0 مع y(0) = 4 وy′(0) = 2. أوجد y(1).

y″ + 6y′ + 8y = 0y(0) = 4y′(0) = 2
y(1) =
2.المعادلات التفاضليةصعبة
ty1,5y(1,5) = ?

حلّ y′ + y = 9e−0,5t مع y(0) = 5. أوجد y(1,5).

y′ + y = 9e−0,5ty(0) = 5
y(1.5) =
3.المصفوفات والمحدداتمتوسطة
A =1−1−2120301

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

A = [1 −1 −2; 1 2 0; 3 0 1]
det A =
4.المصفوفات والمحدداتصعبة
A =62−42b =−72

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

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

أوجد الزاوية θ بين المتّجهين a = (3, 6, 6) و b = (−4, −3, −5)، بالدرجات.

a = (3, 6, 6)b = (−4, −3, −5)
θ = °
6.المتّجهات: الضرب القياسي والاتجاهيصعبة
xyzab

أوجد مساحة A متوازي الأضلاع المحدَّد بـ a = (1, −5, 5) و b = (−2, −1, −6).

a = (1, −5, 5)b = (−2, −1, −6)
A =
7.التكاملاتمتوسطة
xy02

احسب I = ∫02 ex dx.

f(x) = ex[0, 2]
I =
8.التكاملاتصعبة
xy3y = x²eˣ

احسب I = ∫₀3 x²·eˣ dx.

∫₀3 x²eˣ dx
I =
9.التفاضل والتكامل لعدة متغيراتمتوسطة
xy−4−2002vP

للدالة f(x, y) = −4x³y³ + 3x² − 4y³ + xy، جد المشتقة الاتجاهية Duf عند (−2, 1) في اتجاه v = (2, 2).

f(x, y) = −4x³y³ + 3x² − 4y³ + xyP = (−2, 1)v = (2, 2)
Duf =
10.التفاضل والتكامل لعدة متغيراتصعبة
xyy = 2y = x22

لا يمكن حساب التكامل I = ∫02 ∫x2 sin(y²) dy dx بهذا الترتيب. اعكس ترتيب التكامل ثم احسبه.

f = sin(y²)0 ≤ x ≤ y ≤ 2
I =
11.المتتاليات والمتسلسلاتمتوسطة
xx₀ = 0??R

جد نصف قطر التقارب R لمتسلسلة القوى Σk=1∞ 25ᵏx²ᵏ/k.

Σ 25ᵏx²ᵏ/kx₀ = 0
R =
12.المتتاليات والمتسلسلاتصعبة
xyfP₅2

استخدم كثيرة حدود ماكلورين من الدرجة 5 للدالة f(x) = sin(−x) لتقريب f(2). أعطِ P₅(2).

f(x) = sin(−x)n = 5x = 2
P₅(2) =
13.تحويلات لابلاسمتوسطة
ReIm−2−424

أوجد f(t) للدالة F(s) = (s + 1)/(s² + 8s + 32) بإكمال المربّع، واحسب f(0,4).

F(s) = (s + 1)/(s² + 8s + 32)t = 0,4 s
f(0.4) =
14.تحويلات لابلاسصعبة
t (s)y(t)t = 1y(1) = ?

حلّ y″ + 3y′ + 2y = 0 مع y(0) = 7 و y′(0) = 6 باستخدام تحويل لابلاس، وأوجد y(1).

y″ + 3y′ + 2y = 0y(0) = 7y′(0) = 6t = 1 s
y(1) =
15.الالتفاف والأنظمة الخطية اللامتغيرة زمنيًامتوسطة
x(t)t35h(t)t14

يُلتَفّ بين النبضة x(t) = 5 لـ 0 ≤ t < 3 s والنبضة h(t) = 4 لـ 0 ≤ t < 1 s. أوجد المساحة Ay تحت y(t) = x(t) ∗ h(t).

x(t) = 5, 0 ≤ t < 3 sh(t) = 4, 0 ≤ t < 1 s
Ay =
16.الالتفاف والأنظمة الخطية اللامتغيرة زمنيًاصعبة
2cos(15t)h(t) = 10e−20t​u(t)y(t)

يُطبَّق الدخل x(t) = 2·cos(15t) على نظام فيه h(t) = 10·e−20tu(t). أوجد طور φ الخرج في الحالة المستقرة بالنسبة إلى الدخل، بالدرجات.

h(t) = 10e−20tu(t)x(t) = 2cos(15t)
φ = °

3المحاليل

1.المعادلات التفاضلية

الإجابة: y(1) = 1,126

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 المميِّزة

(r + 2)(r + 4) = 0 → r = −2, −4

الثابتان من القيم الابتدائية

A + B = 4, −2A − 4B = 2
A = 9, B = −5

احسب

y(1) = 9·e−2 + (−5)·e−4 = 1,126

الإجابة

y(1) = 1,126
2.المعادلات التفاضلية

الإجابة: y(1.5) = 5,602

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 = et
(ety)′ = 9e0,5t

الحل العام

y = 9/0,5·e−0,5t + C·e−t = 18·e−0,5t + C·e−t

الشرط الابتدائي

5 = 18 + C → C = −13

احسب

y(1,5) = 18·0,4724 + (−13)·0,2231 = 5,602

الإجابة

y(1,5) = 5,602
3.المصفوفات والمحددات

الإجابة: det A = 15

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 = 1, M₁₃ = −6

النشر بالمعاملات المرافقة

det A = 1·2 − (−1)·1 + (−2)·(−6) = 15

الإجابة

det A = 15
4.المصفوفات والمحددات

الإجابة: x = −0,9

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 = 6·2 − 2·(−4) = 20

استبدل عمود x

det Aₓ = (−7)·2 − 2·2 = −18
x = −18/20 = −0,9

الإجابة

x = −0,9
y = −0,8
5.المتّجهات: الضرب القياسي والاتجاهي

الإجابة: θ = 160,5 °

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 = 3·(−4) + 6·(−3) + 6·(−5) = −60

المقداران

|a| = √(3² + 6² + 6²) = 9
|b| = √((−4)² + (−3)² + (−5)²) = 7,071

الزاوية

cos θ = −60/(9·7,071) = −0,9428
θ = arccos(−0,9428) = 160,5°

الإجابة

θ = 160,5°
6.المتّجهات: الضرب القياسي والاتجاهي

الإجابة: A = 36,91

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

(a × b)x = aybz − azby = (−5)·(−6) − 5·(−1) = 35
(a × b)y = azbx − axbz = 5·(−2) − 1·(−6) = −4
(a × b)z = axby − aybx = 1·(−1) − (−5)·(−2) = −11

المساحة

A = |a × b| = √(35² + (−4)² + (−11)²) = 36,91

الإجابة

A = 36,91
7.التكاملات

الإجابة: I = 6,389

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 = (e2 − 1)/1 = (7,389 − 1)/1 = 6,389

الإجابة

I = 6,389
8.التكاملات

الإجابة: I = 98,43

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.

الجولة الأولى

∫x²eˣ dx = x²eˣ − ∫2x eˣ dx

الجولة الثانية

∫2x eˣ dx = 2x eˣ − 2eˣ
∫x²eˣ dx = eˣ(x² − 2x + 2)

النهايات

20,09·(5) − 1·2 = 98,43

الإجابة

I = 98,43
9.التفاضل والتكامل لعدة متغيرات

الإجابة: Duf = 16,26

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.

التدرج عند النقطة

fx = −12x²y³ + 6x + y → fx(−2, 1) = −59
fy = −12x³y² − 12y² + x → fy(−2, 1) = 82

متّجه الوحدة

|v| = √(2² + 2²) = 2,828
u = (0,7071, 0,7071)

الضرب القياسي

Duf = (−59)·0,7071 + 82·0,7071 = 16,26

الإجابة

Duf = 16,26
10.التفاضل والتكامل لعدة متغيرات

الإجابة: I = 0,8268

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).

المنطقة

0 ≤ x ≤ y, 0 ≤ y ≤ 2

الترتيب المعكوس

I = ∫02 ∫0y sin(y²) dx dy = ∫02 y·sin(y²) dy

التعويض u = y²

I = [−cos(y²)/2]02 = 0,8268

الإجابة

I = 0,8268
11.المتتاليات والمتسلسلات

الإجابة: R = 0,2

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

المتسلسلة بدلالة x²: تتقارب عندما 25·x² < 1، أي |x| < 1/5.

نصف القطر

R = 0,2

الإجابة

R = 0,2

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

12.المتتاليات والمتسلسلات

الإجابة: P₅(2) = −0,9333

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

P₅(x) = −x + 0,1667x³ − 0,008333x⁵

عوّض

P₅(2) = −2 + 1,333333 − 0,266667 = −0,9333

الإجابة

P₅(2) = −0,9333

القيمة الدقيقة هي f(2) = −0,909297؛ ويتناقص الخطأ 0,0240359 عند أخذ حدود أكثر أو نقطة أقرب إلى 0.

13.تحويلات لابلاس

الإجابة: f(0.4) = −0,1573

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 + 8s + 32 = (s + 4)² + 16 = (s + 4)² + 4²

طابق البسط

F(s) = 1·(s + 4)/((s + 4)² + 4²) + (−3/4)·4/((s + 4)² + 4²)

التحويل العكسي

f(t) = e−4t·(cos 4t − 0,75·sin 4t)
f(0,4) = e−4·0,4·(cos(4·0,4) − 0,75·sin(4·0,4)) = −0,1573

الإجابة

f(0,4) = −0,1573
14.تحويلات لابلاس

الإجابة: y(1) = 5,598

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 − 7s − 6 + 3(sY − 7) + 2Y = 0
Y(s) = (7s + 27)/((s + 1)(s + 2))

الكسور الجزئية

A = 20/1 = 20
B = 13/(−1) = −13

النتيجة

y(t) = 20·e−t − 13·e−2t
y(1) = 5,598

الإجابة

y(1) = 5,598

تحقّق: y(0) = A + B = 7.

15.الالتفاف والأنظمة الخطية اللامتغيرة زمنيًا

الإجابة: Ay = 60

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).

مساحتا الدخلين

∫x dt = 5·3 = 15
∫h dt = 4·1 = 4

مساحة الخرج

Ay = 15·4 = 60

الإجابة

Ay = 60
16.الالتفاف والأنظمة الخطية اللامتغيرة زمنيًا

الإجابة: φ = −36,87 °

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) = 10/(20 + jω)

الطور عند تردد الدخل

φ = −atan(15/20) = −36,87°

الإجابة

φ = −36,87°

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