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

قرّب ∫₀^1,5 √(1 + x³) dx بقاعدة شبه المنحرف باستخدام n = 5 شريحة. أعطِ T.

f(x) = √(1 + x³)[a, b] = [0, 1,5]n = 5

T =

2.الطرائق العدديةصعبة

نفّذ خطوة واحدة بطريقة رونج–كوتا الكلاسيكية (RK4) مع h = 0,2 للمسألة y′ = t² + y²، y(0) = 1. جد y₁ ≈ y(0,2).

y′ = t² + y²y(0) = 1h = 0,2

y₁ =

3.المتتاليات والمتسلسلاتمتوسطة

متسلسلة واحدة بالضبط من المتسلسلات الأربع تتباعد. انقر عليها.

A: Σ (−1)ᵏ/kB: Σ 1/k⁴C: Σ (2/3)ᵏD: Σ k!/2ᵏ

1A: Σ (−1)ᵏ/k
2B: Σ 1/k⁴
3C: Σ (2/3)ᵏ
4D: Σ k!/2ᵏ

4.المتتاليات والمتسلسلاتصعبة

تُقرَّب f(x) = eˣ بكثيرة حدود ماكلورين من الدرجة 2 عند x = 0,5. استخدم حد خطأ لاغرانج M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! مع M = e^0,5 = 1,649 لإيجاد أكبر خطأ ممكن |R₂|.

f(x) = eˣn = 2x = 0,5M = 1,649

|R₂| =

5.المصفوفات والمحدداتمتوسطة

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

A = [−3 −2 5; 5 3 2; 5 1 3]

det A =

6.المصفوفات والمحدداتصعبة

حُلّ النظام −5x + 3y = −2 و x + 2y = 12. أوجد x.

−5x + 3y = −2x + 2y = 12

x =

7.المعادلات التفاضليةمتوسطة

حلّ y″ + 8y′ + 16y = 0 مع y(0) = 3 وy′(0) = 4. أوجد y(0,5).

y″ + 8y′ + 16y = 0y(0) = 3y′(0) = 4

y(0.5) =

8.المعادلات التفاضليةصعبة

يخضع نظام للمعادلة y″ + 4y′ + 8y = 16 عندما t ≥ 0، بادئًا من السكون: y(0) = 0 وy′(0) = 0. أوجد القيمة العظمى y_max لاستجابته للدخل الدرجي.

y″ + 4y′ + 8y = 16y(0) = 0y′(0) = 0

y_max =

3المحاليل

1.الطرائق العددية

الإجابة: T = 1,989

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.

العقد والقيم

h = 0,3

Σ wᵢfᵢ = 1 + 2·1,01341 + 2·1,102724 + 2·1,314914 + 2·1,651666 + 2,09165 = 13,257079

قاعدة شبه المنحرف

T = (0,3/2)·13,257079 = 1,989

الإجابة

T = 1,989

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

2.الطرائق العددية

الإجابة: y₁ = 1,253

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, 1) = 1

k₂ = f(0,1, 1,1) = 1,22

k₃ = f(0,1, 1,122) = 1,268884

k₄ = f(0,2, 1,253777) = 1,611956

ادمج

y₁ = 1 + (0,2/6)(1 + 2·1,22 + 2·1,268884 + 1,611956) = 1,253

الإجابة

y₁ = 1,253

3.المتتاليات والمتسلسلات

الإجابة: D: Σ k!/2ᵏ

اختبر كل متسلسلة

A: Σ (−1)ᵏ/k → متناوبة، و1/k يتناقص إلى 0: تتقارب (تقاربًا مشروطًا).

B: Σ 1/k⁴ → متسلسلة p مع p = 4 > 1: تتقارب.

C: Σ (2/3)ᵏ → هندسية مع r = 2/3، |r| < 1: تتقارب.

D: Σ k!/2ᵏ → اختبار النسبة: L = lim (k + 1)/2 = ∞، تتباعد.

الجواب

D: Σ k!/2ᵏ

الإجابة

D: Σ k!/2ᵏ

4.المتتاليات والمتسلسلات

الإجابة: |R₂| = 0,03435

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.

حد المشتقة

M = e^0,5 = 1,649

حد لاغرانج

|R₂| ≤ 1,649·0,5³/3! = 0,03435

الإجابة

|R₂| = 0,03435

الخطأ الحقيقي أصغر: |f(0,5) − P₂(0,5)| = 0,02372.

5.المصفوفات والمحددات

الإجابة: det A = −61

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 = 7, M₁₂ = 5, M₁₃ = −10

النشر بالمعاملات المرافقة

det A = (−3)·7 − (−2)·5 + 5·(−10) = −61

الإجابة

det A = −61

6.المصفوفات والمحددات

الإجابة: x = 3,077

محدد مصفوفة المعاملات

det A = (−5)·2 − 3·1 = −13

استبدل عمود x

det Aₓ = (−2)·2 − 3·12 = −40

x = −40/(−13) = 3,077

الإجابة

x = 3,077

y = 4,462

7.المعادلات التفاضلية

الإجابة: y(0.5) = 1,489

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.

الجذر المضاعف

(r + 4)² = 0 → r = −4

الثوابت

A = y(0) = 3

y′(0) = B − 4A → B = 4 + 12 = 16

احسب

y(0,5) = (3 + 16·0,5)·e⁻² = 1,489

الإجابة

y(0,5) = 1,489

8.المعادلات التفاضلية

الإجابة: y_max = 2,086

القيمة المستقرة والجذور

y_ss = 2, r = −2 ± 2j

الثابتان من القيم الابتدائية

y(0) = 2 + A = 0 → A = −2

y′(0) = −2A + 2B = 0 → B = −2

الذروة

t = π/2 = 1,571

y_max = 2·(1 + e^−2·π/2) = 2,086

الإجابة

y_max = 2,086

ExamProblems · examproblems.com/courses/numerical-methods