الطرائق العددية: حزمة المراجعة المكثفة

أوراق القوانين، وأهم خطوات الحل لكل موضوع، و8 مسألة تدريبية، مع الحلول الكاملة في الخلف.

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

الطريقة

لجذر: تحقق من تغير الإشارة للتنصيف، أو احسب f و f′ لنيوتن، واحتفظ بستة أرقام أو أكثر في جدول التكرارات.
لقيمة في جدول: استوفِ خطيًا بين النقطتين المجاورتين.
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.
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 |a_k+1/a_k|: L < 1 converges, L > 1 diverges
نصف قطر التقارب: R = lim |c_k/c_k+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

حدد النوع: حسابية (فرق ثابت)، أو هندسية (نسبة ثابتة)، أو متسلسلة معيارية، أو متسلسلة قوى، أو كثيرة حدود تايلور.
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.
للتقارب: اختبار الحد النوني أولًا، ثم قارن مع Σ1/kᵖ أو متسلسلة هندسية، واستخدم اختبار النسبة أو الجذر للمضروبات والقوى النونية.
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 = Σ_k A_ikB_kj
القيم الذاتية: det(A − λI) = 0
قاعدة كرامر: x_i = det(A_i)/det(A)

المعادلات التفاضلية

النمو/الاضمحلال الأسّي: dy/dt = ky → y = y₀e^kt
عمر النصف: k = ln 2 / t_½
قانون نيوتن للتبريد: T(t) = T_a + (T₀ − T_a)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

تُستخدم قاعدة شبه المنحرف لحساب ∫₀¹ eˣ dx. الخطأ على الأكثر (b − a)³·M/(12n²) مع M = max|f″| على [0, 1]. جد أصغر عدد شرائح n يضمن خطأً أقل من 0,001.

f(x) = eˣ[a, b] = [0, 1]ε = 0,001

n =

2.الطرائق العدديةصعبة

نفّذ خطوة واحدة بطريقة رونج–كوتا الكلاسيكية (RK4) مع h = 0,5 للمسألة y′ = t² + y²، y(0) = 0,5. جد y₁ ≈ y(0,5).

y′ = t² + y²y(0) = 0,5h = 0,5

y₁ =

3.المتتاليات والمتسلسلاتمتوسطة

تتقارب متسلسلة القوى Σ_k=1^∞ k²·3ᵏ·(x + 2)ᵏ على مجال حول x₀ = −2. جد الطرف الأيسر x لذلك المجال.

Σ k²·3ᵏ·(x + 2)ᵏx₀ = −2

x =

4.المتتاليات والمتسلسلاتصعبة

تعرّف على المتسلسلة وجد مجموعها: S = Σ_k=0^∞ (−1)ᵏ/(2k)!.

a_k = (−1)ᵏ/(2k)!

S =

5.المصفوفات والمحدداتمتوسطة

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

A = [−4 −4; 4 5]B = [−4 −1; 5 6]

c₂₁ =

6.المصفوفات والمحدداتصعبة

حُلّ النظام −4x + 3y = −1 و 3x + 6y = 0. أوجد x.

−4x + 3y = −13x + 6y = 0

x =

7.المعادلات التفاضليةمتوسطة

حلّ y″ + 5y′ + 6y = 0 مع y(0) = 1 وy′(0) = 6. أوجد y(1,5).

y″ + 5y′ + 6y = 0y(0) = 1y′(0) = 6

y(1.5) =

8.المعادلات التفاضليةصعبة

يخضع نظام للمعادلة y″ + 4y′ + 13y = 65 عندما t ≥ 0، بادئًا من السكون: y(0) = 0 وy′(0) = 0. أوجد y(1)؛ الزوايا بالراديان.

y″ + 4y′ + 13y = 65y(0) = 0y′(0) = 0

y(1) =

3المحاليل

1.الطرائق العددية

الإجابة: n = 16

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 + … + 2f_n−1 + fₙ]. قاعدة سيمبسون (n زوجي): S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + 4f₃ + … + 4f_n−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.

حد المشتقة الثانية

M = e¹ = 2,718

حُلّ لإيجاد n

n² > 1·2,718/(12·0,001) = 226,5

n > 15,05 → n = 16

الإجابة

n = 16

2.الطرائق العددية

الإجابة: y₁ = 0,716

الحل العددي لـ y′ = f(t, y): تسير طريقة أويلر على الميل عند بداية كل خطوة: y_n+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)، y_n+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂). وتجمع طريقة رونج–كوتا الكلاسيكية (RK4) أربعة ميول: y_n+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, 0,5) = 0,25

k₂ = f(0,25, 0,5625) = 0,378906

k₃ = f(0,25, 0,594727) = 0,4162

k₄ = f(0,5, 0,7081) = 0,751405

ادمج

y₁ = 0,5 + (0,5/6)(0,25 + 2·0,378906 + 2·0,4162 + 0,751405) = 0,716

الإجابة

y₁ = 0,716

3.المتتاليات والمتسلسلات

الإجابة: x = −2,333

المعاملات

c_k/c_k+1 = (1/3)·(k/(k + 1))² → 1/3

نصف القطر

R = 0,3333

الفترة

−2,333 < x < −1,667

x = −2,333

الإجابة

x = −2,333

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

4.المتتاليات والمتسلسلات

الإجابة: S = 0,5403

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)ᵏx^2k/(2k)! = cos x

عوّض

x = 1

S = cos 1 = 0,5403

الإجابة

S = 0,5403

5.المصفوفات والمحددات

الإجابة: c₂₁ = 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.

صف في عمود

c₂₁ = 4·(−4) + 5·5 = 9

الإجابة

c₂₁ = 9

6.المصفوفات والمحددات

الإجابة: x = 0,1818

محدد مصفوفة المعاملات

det A = (−4)·6 − 3·3 = −33

استبدل عمود x

det Aₓ = (−1)·6 − 3·0 = −6

x = −6/(−33) = 0,1818

الإجابة

x = 0,1818

y = −0,09091

7.المعادلات التفاضلية

الإجابة: y(1.5) = 0,3592

المعادلات الخطية من الرتبة الثانية: للمعادلة y″ + b·y′ + c·y = 0 جرّب y = e^rt: فتحصل على المعادلة المميِّزة r² + b·r + c = 0. جذران حقيقيان r₁ ≠ r₂ يعطيان y = A·e^r₁t + B·e^r₂t (فوق التخميد)؛ وجذر مضاعف r يعطي y = (A + Bt)·e^rt (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″ + 2ζω_ny′ + ω_n²y = 0 تكون ω_n 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 + 3) = 0 → r = −2, −3

الثابتان من القيم الابتدائية

A + B = 1, −2A − 3B = 6

A = 9, B = −8

احسب

y(1,5) = 9·e⁻³ + (−8)·e^−4,5 = 0,3592

الإجابة

y(1,5) = 0,3592

8.المعادلات التفاضلية

الإجابة: y(1) = 5,606

القيمة المستقرة والجذور

y_ss = 5, r = −2 ± 3j

الثابتان من القيم الابتدائية

y(0) = 5 + A = 0 → A = −5

y′(0) = −2A + 3B = 0 → B = −3,333

احسب

y(1) = 5·(1 − e⁻²(cos 3 + 0,6667·sin 3)) = 5,606

الإجابة

y(1) = 5,606

ExamProblems · examproblems.com/courses/numerical-methods