الطرائق العددية: حزمة المراجعة المكثفة

أوراق القوانين، وأهم خطوات الحل لكل موضوع، و8 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

الطرائق العددية

التنصيف
c = (a + b)/2, width after n steps (b − a)/2ⁿ
نيوتن–رافسون
xn+1 = xₙ − f(xₙ)/f′(xₙ)
الاستيفاء الخطي
y = y₁ + (y₂ − y₁)(x − x₁)/(x₂ − x₁)
قاعدة شبه المنحرف
T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + … + 2fn−1 + fₙ], h = (b − a)/n
قاعدة سيمبسون (n زوجي)
S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + … + 4fn−1 + fₙ]
حد خطأ شبه المنحرف
|E| ≤ (b − a)h²M/12, M = max|f″|
أويلر
yn+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ)
هوين
yn+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + hk₁)
RK4
yn+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄)

الطريقة

  1. لجذر: تحقق من تغير الإشارة للتنصيف، أو احسب f و f′ لنيوتن، واحتفظ بستة أرقام أو أكثر في جدول التكرارات.
  2. لقيمة في جدول: استوفِ خطيًا بين النقطتين المجاورتين.
  3. لتكامل: جد h = (b − a)/n، واسرد f عند كل عقدة، وطبّق الأوزان (1, 2, …, 2, 1 لشبه المنحرف؛ 1, 4, 2, …, 4, 1 لسيمبسون مع n زوجي) واضرب في h/2 أو h/3.
  4. لمعادلة تفاضلية عادية: تقدّم من t₀ بـ yₙ₊₁ = yₙ + h·f(tₙ, yₙ) (أويلر) أو الميل المتوسط (هوين)، صفًا لكل خطوة، حتى تبلغ t المطلوبة.

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)!.

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)

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

2مسائل تدريبية

1.الطرائق العدديةمتوسطة
xy00,33330,666711,3331,6672

قرّب ∫02 1/√(1 + x⁴) dx بقاعدة شبه المنحرف باستخدام n = 6 شريحة. أعطِ T.

f(x) = 1/√(1 + x⁴)[a, b] = [0, 2]n = 6
T =
2.الطرائق العدديةصعبة
00,20,422,53ty(0, 3)

نفّذ خطوة واحدة بطريقة رونج–كوتا الكلاسيكية (RK4) مع h = 0,5 للمسألة y′ = cos t − y، y(0) = 3. جد y₁ ≈ y(0,5).

y′ = cos t − yy(0) = 3h = 0,5
y1 =
3.المتتاليات والمتسلسلاتمتوسطة
AΣ k!/3ᵏk = 1 … ∞BΣ 10ᵏ/k!k = 1 … ∞CΣ ln k / kk = 1 … ∞DΣ 1/kk = 1 … ∞

متسلسلة واحدة بالضبط من المتسلسلات الأربع تتقارب. انقر عليها.

A: Σ k!/3ᵏB: Σ 10ᵏ/k!C: Σ ln k / kD: Σ 1/k
  1. 1A: Σ k!/3ᵏ
  2. 2B: Σ 10ᵏ/k!
  3. 3C: Σ ln k / k
  4. 4D: Σ 1/k
4.المتتاليات والمتسلسلاتصعبة
xyfP₂0,5

استخدم كثيرة حدود ماكلورين من الدرجة 2 للدالة f(x) = 1/(1 + x) لتقريب f(0,5). أعطِ P₂(0,5).

f(x) = 1/(1 + x)n = 2x = 0,5
P₂(0.5) =
5.المصفوفات والمحدداتمتوسطة
A =−1436B =−404−5

لتكن C = AB للمصفوفتين المعروضتين. أوجد العنصر c21 (الصف 2، العمود 1).

A = [−1 4; 3 6]B = [−4 0; 4 −5]
c21 =
6.المصفوفات والمحدداتصعبة
A =−3−6−2−2b =−10−1

حُلّ النظام −3x − 6y = −10 و −2x − 2y = −1. أوجد x.

−3x − 6y = −10−2x − 2y = −1
x =
7.المعادلات التفاضليةمتوسطة
tyy(0) = 2y(2) = ?

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

y″ + 2y′ + y = 0y(0) = 2y′(0) = 4
y(2) =
8.المعادلات التفاضليةصعبة
xy13(1, 2)y(3) = ?

حلّ مسألة القيمة الابتدائية y′ + y/x = 2x لـ x > 0، مع y(1) = 2. أوجد y(3).

y′ + y/x = 2xy(1) = 2
y(3) =

3المحاليل

1.الطرائق العددية

الإجابة: T = 1,355

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.

ixᵢf(xᵢ)الوزن001110,3333330,993884220,6666670,9138122310,707107241,3333330,490261251,6666670,3387192620,2425361

العقد والقيم

h = 0,3333
Σ wᵢfᵢ = 1 + 2·0,993884 + 2·0,913812 + 2·0,707107 + 2·0,490261 + 2·0,338719 + 0,242536 = 8,130101

قاعدة شبه المنحرف

T = (0,3333/2)·8,130101 = 1,355

الإجابة

T = 1,355

ليس لهذا التكامل دالة أصلية أولية، وهذا هو بالضبط الوقت الذي تلزم فيه قاعدة عددية.

2.الطرائق العددية

الإجابة: y1 = 2,195

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.

أربعة ميول

k₁ = f(0, 3) = −2
k₂ = f(0,25, 2,5) = −1,531088
k₃ = f(0,25, 2,617228) = −1,648316
k₄ = f(0,5, 2,175842) = −1,29826

ادمج

y₁ = 3 + (0,5/6)(−2 + 2·−1,531088 + 2·−1,648316 − 1,29826) = 2,195

الإجابة

y1 = 2,195
3.المتتاليات والمتسلسلات

الإجابة: B: Σ 10ᵏ/k!

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.

اختبر كل متسلسلة

A: Σ k!/3ᵏ → اختبار النسبة: L = lim (k + 1)/3 = ∞، تتباعد.
B: Σ 10ᵏ/k! → اختبار النسبة: L = lim 10/(k + 1) = 0 < 1، تتقارب.
C: Σ ln k / k → أكبر من 1/k لـ k ≥ 3: تتباعد بالمقارنة مع المتسلسلة التوافقية.
D: Σ 1/k → مضاعف للمتسلسلة التوافقية (p = 1): تتباعد.

الجواب

B: Σ 10ᵏ/k!

الإجابة

B: Σ 10ᵏ/k!
4.المتتاليات والمتسلسلات

الإجابة: P₂(0.5) = 0,75

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

P₂(x) = 1 − x + x²

عوّض

P₂(0,5) = 1 − 0,5 + 0,25 = 0,75

الإجابة

P₂(0,5) = 0,75

القيمة الدقيقة هي f(0,5) = 0,666667؛ ويتناقص الخطأ −0,0833333 عند أخذ حدود أكثر أو نقطة أقرب إلى 0.

5.المصفوفات والمحددات

الإجابة: c21 = 12

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 = 3·(−4) + 6·4 = 12

الإجابة

c21 = 12
6.المصفوفات والمحددات

الإجابة: x = −2,333

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 = (−3)·(−2) − (−6)·(−2) = −6

استبدل عمود x

det Aₓ = (−10)·(−2) − (−6)·(−1) = 14
x = 14/(−6) = −2,333

الإجابة

x = −2,333
y = 2,833
7.المعادلات التفاضلية

الإجابة: y(2) = 1,895

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.

الجذر المضاعف

(r + 1)² = 0 → r = −1

الثوابت

A = y(0) = 2
y′(0) = B − 1A → B = 4 + 2 = 6

احسب

y(2) = (2 + 6·2)·e−2 = 1,895

الإجابة

y(2) = 1,895
8.المعادلات التفاضلية

الإجابة: y(3) = 6,444

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 = e∫1/x dx = x1

كامل

(x1y)′ = 2x2 → x1y = 2x3/3 + C

الشرط الابتدائي

2 = 2/3 + C → C = 1,333

احسب

y(3) = (2·33/3 + 1,333)/31 = 6,444

الإجابة

y(3) = 6,444

ExamProblems · examproblems.com/courses/numerical-methods