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)13Ta​19 °C25 °C

علبة مشروب غازي عند 4 °C أُخرجت من الثلاجة إلى غرفة عند 27 °C. بعد 13 min تكون درجة حرارتها 19 °C. تتبع قانون نيوتن للتبريد، dT/dt = −k·(T − Tₐ). كم من الوقت بعد البداية، t، يلزم لبلوغ 25 °C؟

T0 = 4 °CTa = 27 °CT(13) = 19 °CT = 25 °C
t = min
2.المعادلات التفاضليةصعبة
ty0,5y(0,5) = ?

حلّ y′ + 0,5y = 7e−t مع y(0) = 3. أوجد y(0,5).

y′ + 0,5y = 7e−ty(0) = 3
y(0.5) =
3.المصفوفات والمحدداتمتوسطة
A =256−5B =43−3−3

لتكن C = AB للمصفوفتين المعروضتين. أوجد العنصر c11 (الصف 1، العمود 1).

A = [2 5; 6 −5]B = [4 3; −3 −3]
c11 =
4.المصفوفات والمحدداتصعبة
A =2−21−6b =3−1

حُلّ النظام 2x − 2y = 3 و x − 6y = −1. أوجد x.

2x − 2y = 3x − 6y = −1
x =
5.المتّجهات: الضرب القياسي والاتجاهيمتوسطة
xyzab

أوجد قيمة k التي يكون عندها المتّجهان a = (−1, −3, −5) و b = (1, −3, k) متعامدين.

a = (−1, −3, −5)b = (1, −3, k)
k =
6.المتّجهات: الضرب القياسي والاتجاهيصعبة
xyzabc

أوجد حجم V متوازي السطوح الذي أضلاعه من رأس واحد a = (−2, −1, 2) و b = (−3, 5, 5) و c = (−1, −4, −3).

a = (−2, −1, 2)b = (−3, 5, 5)c = (−1, −4, −3)
V =
7.التكاملاتمتوسطة
xy1y = x·cos x

احسب I = ∫₀1 x·cos x dx (قيمة x بالراديان).

∫₀1 x·cos x dx
I =
8.التكاملاتصعبة
xy1,5y = 3xy = 2x²

تُدوَّر المنطقة بين المستقيم y = 3x والقطع المكافئ y = 2x² حول المحور x. أوجد حجم الجسم V.

y = 3xy = 2x²
V =
9.التفاضل والتكامل لعدة متغيراتمتوسطة
xy−4−20024PQ

للدالة f(x, y) = −3xy² − 4x² + 3y² + 3xy، جد المشتقة الاتجاهية Duf عند P(−2, 2) في الاتجاه نحو Q(−5, 0).

f(x, y) = −3xy² − 4x² + 3y² + 3xyP = (−2, 2)Q = (−5, 0)
Duf =
10.التفاضل والتكامل لعدة متغيراتصعبة
xy−20−20(0, 0)(−2, −2)

للدالة f(x, y) = x³ + y³ + 6xy نقطة حرجة عند (−2, −2). احسب المميِّز D = fxxfyy − fxy² هناك.

f(x, y) = x³ + y³ + 6xyP = (−2, −2)
D =
11.المتتاليات والمتسلسلاتمتوسطة
k|aₖ₊₁/aₖ|123456789101112

طبّق اختبار النسبة على Σk=1∞ k·2ᵏ/3ᵏ. جد L = lim |ak+1/ak|.

ak = k·2ᵏ/3ᵏ
L =
12.المتتاليات والمتسلسلاتصعبة

تُقرَّب f(x) = cos x عند x = 0,5 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 = 0,5M = 1ε = 0,0005
n =
13.تحويلات لابلاسمتوسطة
t (s)f(t)t = 1,2f(1,2) = ?

أوجد f(t) للدالة F(s) = 60/(s(s + 1)(s + 6)) بالكسور الجزئية، واحسب f(1,2).

F(s) = 60/(s(s + 1)(s + 6))t = 1,2 s
f(1.2) =
14.تحويلات لابلاسصعبة
ReIm−2−4−6−8−10−12−14−16

يُوصف نظام بالمعادلة التفاضلية y″ + 7y′ + 6y = u′ + 14u، 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 = 0,25 s. أوجد g(0,25).

y″ + 7y′ + 6y = u′ + 14ut = 0,25 s
g(0.25) =
15.الالتفاف والأنظمة الخطية اللامتغيرة زمنيًامتوسطة
x(t)t1h(t)t1

يُطبَّق الدخل x(t) = 1·e−3tu(t) على نظام فيه h(t) = e−4tu(t). أوجد الخرج y(1,5) عند t = 1,5 s.

x(t) = 1·e−3tu(t)h(t) = e−4tu(t)t = 1,5 s
y(1.5) =
16.الالتفاف والأنظمة الخطية اللامتغيرة زمنيًاصعبة
10cos(30t)h(t) = 10e−10t​u(t)y(t)

يُطبَّق الدخل x(t) = 10·cos(30t) على نظام فيه h(t) = 10·e−10tu(t). أوجد طور φ الخرج في الحالة المستقرة بالنسبة إلى الدخل، بالدرجات.

h(t) = 10e−10tu(t)x(t) = 10cos(30t)
φ = °

3المحاليل

1.المعادلات التفاضلية

الإجابة: t = 30,07 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(-23/-8)/13 = 0,08123 min⁻¹

الزمن لبلوغ القيمة المستهدفة

t = ln(-23/(−2))/0,08123 = 30,07 min

الإجابة

t = 30,07 min
2.المعادلات التفاضلية

الإجابة: y(0.5) = 4,748

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 = e0,5t
(e0,5ty)′ = 7e−0,5t

الحل العام

y = 7/(−0,5)·e−t + C·e−0,5t = −14·e−t + C·e−0,5t

الشرط الابتدائي

3 = −14 + C → C = 17

احسب

y(0,5) = −14·0,6065 + 17·0,7788 = 4,748

الإجابة

y(0,5) = 4,748
3.المصفوفات والمحددات

الإجابة: c11 = −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.

صف في عمود

c11 = 2·4 + 5·(−3) = −7

الإجابة

c11 = −7
4.المصفوفات والمحددات

الإجابة: x = 2

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 = 2·(−6) − (−2)·1 = −10

استبدل عمود x

det Aₓ = 3·(−6) − (−2)·(−1) = −20
x = −20/(−10) = 2

الإجابة

x = 2
y = 0,5
5.المتّجهات: الضرب القياسي والاتجاهي

الإجابة: k = 1,6

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 = (−1)·1 + (−3)·(−3) + (−5)·k = 0
8 + (−5)·k = 0

حلّ لإيجاد k

k = −8/(−5) = 1,6

الإجابة

k = 1,6
6.المتّجهات: الضرب القياسي والاتجاهي

الإجابة: V = 38

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 = 5·(−3) − 5·(−4) = 5
(b × c)y = bzcx − bxcz = 5·(−1) − (−3)·(−3) = −14
(b × c)z = bxcy − bycx = (−3)·(−4) − 5·(−1) = 17

الضرب القياسي مع a

a·(b × c) = (−2)·5 + (−1)·(−14) + 2·17 = 38
V = |38| = 38

الإجابة

V = 38
7.التكاملات

الإجابة: I = 0,3818

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 = x, du = dx; dv = cos x dx, v = sin x

الدالة الأصلية

∫x cos x dx = x sin x − ∫sin x dx = x sin x + cos x

النهايات

(1·sin 1 + cos 1) − (0 + 1) = 0,3818

الإجابة

I = 0,3818
8.التكاملات

الإجابة: V = 12,72

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.

نقاط التقاطع

3x = 2x² → x = 0, x = 1,5

طريقة الحلقات (الواشر)

V = π∫₀1,5 ((3x)² − (2x²)²) dx

كامل

V = π(9·1,5³/3 − 4·1,5⁵/5) = π·4,05 = 12,72

الإجابة

V = 12,72
9.التفاضل والتكامل لعدة متغيرات

الإجابة: Duf = −24,96

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 = −3y² − 8x + 3y → fx(−2, 2) = 10
fy = −6xy + 6y + 3x → fy(−2, 2) = 30

متّجه الوحدة

|v| = √((−3)² + (−2)²) = 3,606
u = (−0,8321, −0,5547)

الضرب القياسي

Duf = 10·(−0,8321) + 30·(−0,5547) = −24,96

الإجابة

Duf = −24,96
10.التفاضل والتكامل لعدة متغيرات

الإجابة: D = 108

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 = −12, fyy = −12, fxy = 6

المميِّز

D = (−12)·(−12) − 6² = 108
→ نهاية عظمى محلية

الإجابة

D = 108
11.المتتاليات والمتسلسلات

الإجابة: L = 0,6667

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.

نسبة الحدود المتتالية

|ak+1/ak| = ((k + 1)/k)·2/3 → 2/3

الخلاصة

L = 0,6667 < 1

الإجابة

L = 0,6667

L < 1، فالمتسلسلة تتقارب.

12.المتتاليات والمتسلسلات

الإجابة: n = 4

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)!الحد010,5120,125260,020833240,00260441200,0002604

الحدود لقيم n متزايدة

n = 3: 0,002604 ≥ 0,0005
n = 4: 0,0002604 < 0,0005

أصغر درجة

n = 4

الإجابة

n = 4
13.تحويلات لابلاس

الإجابة: f(1.2) = 6,387

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).

الكسور الجزئية

F(s) = A/s + B/(s + 1) + C/(s + 6)
A = 60/(1·6) = 10
B = 60/((−1)·5) = −12
C = 60/((−6)·(−5)) = 2

التحويل العكسي

f(t) = 10 − 12·e−t + 2·e−6t

احسب

f(1,2) = 10 − 12·e−1,2 + 2·e−6·1,2 = 6,387

الإجابة

f(1,2) = 6,387
14.تحويلات لابلاس

الإجابة: g(0.25) = 1,668

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) = (s + 14)/(s² + 7s + 6)

الكسور الجزئية

s² + 7s + 6 = (s + 1)(s + 6)
A = 2,6, B = −1,6

استجابة النبضة

g(t) = 2,6·e−t − 1,6·e−6t
g(0,25) = 1,668

الإجابة

g(0,25) = 1,668
15.الالتفاف والأنظمة الخطية اللامتغيرة زمنيًا

الإجابة: y(1.5) = 0,00863

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−4t∫₀ᵗ e−(3 − 4)τ dτ = 1(e−4t − e−3t)/(−1)

احسب

y(1,5) = 1·(0,002479 − 0,01111)/(−1) = 0,00863

الإجابة

y(1,5) = 0,00863
16.الالتفاف والأنظمة الخطية اللامتغيرة زمنيًا

الإجابة: φ = −71,57 °

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/(10 + jω)

الطور عند تردد الدخل

φ = −atan(30/10) = −71,57°

الإجابة

φ = −71,57°

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