حلّ y′ = −2ty، y(0) = −1 بطريقة أويلر وبخطوة h = 0,1 حتى t = 0,5. الحل الدقيق هو y = y₀e−t². جد الخطأ الكلي |E| = |y(0,5) − y5|.
y′ = −2tyy(0) = −1h = 0,1
|E| =
3.المتتاليات والمتسلسلاتمتوسطة
جد المجموع S = Σk=129 3/(k(k + 1)).
ak = 3/(k(k + 1))n = 29
S =
4.المتتاليات والمتسلسلاتصعبة
تعرّف على المتسلسلة وجد مجموعها: S = Σk=0∞ (−1)ᵏ·0,82k/(2k)!.
ak = (−1)ᵏ·0,82k/(2k)!
S =
5.المصفوفات والمحدداتمتوسطة
لتكن C = AB للمصفوفتين المعروضتين. أوجد العنصر c21 (الصف 2، العمود 1).
A = [0 5; −1 0]B = [−2 −6; 2 6]
c21 =
6.المصفوفات والمحدداتصعبة
أوجد القيمة الذاتية الأكبر λ للمصفوفة A المعروضة.
A = [−3 1; −7 5]
λ =
7.المعادلات التفاضليةمتوسطة
علبة مشروب غازي عند 6 °C أُخرجت من الثلاجة إلى غرفة عند 27 °C. بعد 20 min تكون درجة حرارتها 22 °C. تتبع قانون نيوتن للتبريد، dT/dt = −k·(T − Tₐ). كم من الوقت بعد البداية، t، يلزم لبلوغ 14 °C؟
T0 = 6 °CTa = 27 °CT(20) = 22 °CT = 14 °C
t = min
8.المعادلات التفاضليةصعبة
حلّ مسألة القيمة الابتدائية y′ + y/x = x2 لـ x > 0، مع y(1) = 4. أوجد y(2).
y′ + y/x = x2y(1) = 4
y(2) =
3المحاليل
1.الطرائق العددية
الإجابة: |E| = 0,5238
التكامل العددي: قسّم [a, b] إلى n شريحة عرض كل منها h = (b − a)/n بعقد x₀ … xₙ. قاعدة شبه المنحرف: T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + 2f₂ + … + 2fn−1 + fₙ]. قاعدة سيمبسون (n زوجي): S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + 4f₃ + … + 4fn−1 + fₙ]. يتناقص خطأ شبه المنحرف مثل h² (الحد (b − a)h²·M/12 مع M = max|f″|)، وخطأ سيمبسون مثل h⁴، لذا يكون سيمبسون عادةً أدق بكثير للعقد نفسها.
القيمة الدقيقة
I = 6,389056
قاعدة شبه المنحرف
T = (1/2)·(1 + 2·2,718282 + 7,389056) = 6,91281
الخطأ
|E| = |6,91281 − 6,389056| = 0,5238
الإجابة
|E| = 0,5238
الخطأ النسبي: 8,198%.
2.الطرائق العددية
الإجابة: |E| = 0,0348
الحل العددي لـ y′ = f(t, y): تسير طريقة أويلر على الميل عند بداية كل خطوة: yn+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ). وتأخذ طريقة هوين (أويلر المحسّنة) متوسط الميل عند البداية وعند تنبؤ أويلر: k₁ = f(tₙ, yₙ)، k₂ = f(tₙ + h, yₙ + h·k₁)، yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂). وتجمع طريقة رونج–كوتا الكلاسيكية (RK4) أربعة ميول: yn+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄). الخطأ الكلي لأويلر يتناسب مع h، ولهوين مع h²، ولـ RK4 مع h⁴.
خطوات أويلر
y5 = −0,813604
القيمة الدقيقة
y(0,5) = −0,778801
الخطأ الكلي
|E| = |−0,778801 + 0,813604| = 0,0348
الرسم البياني
الإجابة
|E| = 0,0348
تنصيف h ينصّف تقريبًا خطأ طريقة أويلر.
3.المتتاليات والمتسلسلات
الإجابة: S = 2,9
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
3/(k(k + 1)) = 3·(1/k − 1/(k + 1))
إلغاء
S = 3·(1 − 1/30) = 2,9
الإجابة
S = 2,9
4.المتتاليات والمتسلسلات
الإجابة: S = 0,6967
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.
المتسلسلات المعيارية
Σ (−1)ᵏx2k/(2k)! = cos x
عوّض
x = 0,8
S = cos 0,8 = 0,6967
الإجابة
S = 0,6967
5.المصفوفات والمحددات
الإجابة: c21 = 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.
صف في عمود
c21 = (−1)·(−2) + 0·2 = 2
الإجابة
c21 = 2
6.المصفوفات والمحددات
الإجابة: λ = 4
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 − (2)λ + (−8) = 0
الحل
λ = (2 ± √(36))/2 → λ = −2, 4
λ = 4
الإجابة
λ = 4
7.المعادلات التفاضلية
الإجابة: t = 6,684 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(-21/-5)/20 = 0,07175 min⁻¹
الزمن لبلوغ القيمة المستهدفة
t = ln(-21/(−13))/0,07175 = 6,684 min
الإجابة
t = 6,684 min
8.المعادلات التفاضلية
الإجابة: y(2) = 3,875
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.