تحويلات لابلاس: مسائل تدريبية مع حلول خطوة بخطوة

مسائل تدريبية مجانية في تحويلات لابلاس مع رسوم توضيحية وتلميحات وحلول مفصّلة كاملة. قيم جديدة في كل مرة، بثلاثة مستويات: أزواج الجدول ونظريات القيم, التحويل العكسي بالكسور الجزئية, المعادلات التفاضلية ودوال التحويل.

مسألة تدريبية مجانيةسهلة
t (s)f(t)f(∞) = ?

لإشارة f(t) تحويل لابلاس F(s) = 22/(s(s² + 8s + 10)). استخدم نظرية القيمة النهائية لإيجاد القيمة f(∞) التي تستقر عندها f(t).

F(s) = 22/(s(s² + 8s + 10))

ما الذي تتدرّب عليه

  1. سهلةأزواج الجدول ونظريات القيم
  2. متوسطةالتحويل العكسي بالكسور الجزئية
  3. صعبةالمعادلات التفاضلية ودوال التحويل

تعلّم تحويلات لابلاس من البداية

قبل هذا: المعادلات التفاضلية, التكاملات

1ماذا يفعل تحويل لابلاس

تُوصف الدارات والمحركات والخزانات بـمعادلات تفاضلية: يعتمد الخرج على معدل تغيره هو. وحلها مباشرة بطيء.

يحوّل تحويل لابلاس مسألة كهذه إلى جبر. تستبدل كل دالة زمنية f(t) بدالة F(s) في متغير جديد s.

تحل المسألة بجبر عادي في s، ثم تترجم النتيجة عائدًا إلى الزمن. وهذه الخطوة الأخيرة هي التحويل العكسي.

F(s) = ℒ{f(t)} = ∫₀∞ f(t)·e−st dt

نادرًا ما تستخدم هذا التكامل بنفسك. عمليًا تبحث عن أزواج التحويل في جدول، مثل كلمات في قاموس بين لغتين.

tf1 ⟷ 1/stfe−at​ ⟷ 1/(s + a)tfsin ωt ⟷ ω/(s² + ω²)

يُظهر الشكل ثلاث إشارات شائعة: ثابت 1 (خطوة)، ودالة أسية متناقصة، وجيب. وتحت كل واحدة تحويلها.

تحقّق ذاتي ما تحويل لابلاس للإشارة الثابتة f(t) = 5؟
  1. 1/(5s)
  2. 5/s
  3. 5
  4. 5s

الإجابة: 5/s. يبقى المعامل الثابت في المقدمة، وℒ{1} = 1/s. إذن ℒ{5} = 5/s. الإجابة 5 تنسى أن تحويل الثابت يحمل دائمًا العامل 1/s.

2جدول أزواج التحويل

احفظ هذه الأزواج الخمسة. مع قاعدتين تغطي تقريبًا كل مسائل الامتحان.

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)
  • الخطية: تبقى الثوابت في المقدمة، ويُحوَّل المجموع حدًا حدًا. إذن 3/(s + 2) ↔ 3·e−2t.
  • الإزاحة: استبدال s بـ s + a يضرب الدالة الزمنية في e−at. إذن (s + 2)/((s + 2)² + 9) ↔ e−2t·cos 3t.

انتبه لزوج الجيب: يجب أن يكون البسط هو ω نفسها. لـ 12/(s² + 9) لديك ω = 3، فاكتب 12 = 4·3. والنتيجة 4·sin 3t.

في sin ωt وcos ωt تكون الزاوية ωt بالراديان. اضبط حاسبتك على الراديان قبل أن تحسب.

مثال محلول

أوجد f(t) لـ F(s) = 6/(s + 3) + 2/s، واحسب f(0,5).

1

طابق كل حد مع زوج

6/(s + 3) له الصورة 1/(s + a) مع a = 3، مضروبة في 6. والحد 2/s هو الثابت 2.

6/(s + 3) ↔ 6·e−3t 2/s ↔ 2
2

اكتب f(t)

اجمع الجزأين (الخطية):

f(t) = 6·e−3t + 2
3

احسب عند t = 0,5

f(0,5) = 6·e−1,5 + 2 = 6·0,2231 + 2 = 3,34
الإجابة

f(t) = 6·e−3t + 2، إذن f(0,5) ≈ 3,34.

تحقّق ذاتي ما التحويل العكسي لـ 8/(s² + 16)؟
  1. 2·cos 4t
  2. 2·sin 4t
  3. 8·sin 16t
  4. 8·sin 4t

الإجابة: 2·sin 4t. ω² = 16، إذن ω = 4. يحتاج الزوج 4 في البسط: 8 = 2·4، فيعطي 2·sin 4t. أما 8·sin 4t فتنسى القسمة على ω. وجيب التمام يخص s في البسط.

3القيمتان الابتدائية والنهائية دون تحويل عكسي

أحيانًا لا تحتاج إلا إلى معرفة أين تبدأ f(t) أو أين تنتهي. تعطي نظريتان ذلك مباشرة من F(s).

f(0⁺) = lims→∞ s·F(s) f(∞) = lims→0 s·F(s)
  • القيمة الابتدائية (s → ∞): لقيم كبيرة جدًا من s لا تهم إلا أعلى قوة لـ s في البسط وفي المقام.
  • القيمة النهائية (s → 0): اختصر العامل s، ثم ضع s = 0 في كل عامل متبقٍ، بما فيها الأصفار.
  • لا تعمل نظرية القيمة النهائية إلا إذا استقرت f(t) فعلًا: يجب أن يكون لكل أقطاب s·F(s) جزء حقيقي سالب.

القيمة النهائية: لـ F(s) = 12/(s(s + 2)(s + 3)) تحصل على s·F(s) = 12/((s + 2)(s + 3)). عند s = 0 تساوي 12/6 = 2، إذن f(∞) = 2.

القيمة الابتدائية: لـ F(s) = (3s + 10)/(s² + 5s + 6) تحصل على s·F(s) = (3s² + 10s)/(s² + 5s + 6). ولقيم كبيرة من s يتصرف مثل 3s²/s²، إذن f(0⁺) = 3.

لـالميل الابتدائي f′(0⁺)، استخدم تحويل المشتقة، ℒ{f′} = s·F(s) − f(0⁺). ثم طبق عليه نظرية القيمة الابتدائية:

f′(0⁺) = lims→∞ s·[s·F(s) − f(0⁺)]

لـ F(s) نفسها: s·F(s) − 3 = (−5s − 18)/(s² + 5s + 6). اضرب في s ودع s → ∞. أعلى القوى تعطي −5s²/s²، إذن f′(0⁺) = −5.

تحقّق ذاتي F(s) = 10(s + 2)/(s(s + 4)(s + 5)). إلى أي قيمة تستقر f(t)؟
  1. 0,5
  2. 0
  3. 1
  4. 20

الإجابة: 1. s·F(s) = 10(s + 2)/((s + 4)(s + 5))، وهي 20/20 = 1 عند s = 0. حذف عامل الصفر (s + 2) يعطي 0,5. والقيمة 0 هي النهاية عند s → ∞، أي القيمة الابتدائية.

4الكسور الجزئية خطوة بخطوة

معظم F(s) ليست في الجدول كما هي. تقسمها إلى كسور بسيطة موجودة فيه. وهذا يسمى الكسور الجزئية.

كل جذر للمقام هو قطب. القطب البسيط عند s = −a يعطي حدًا واحدًا A/(s + a)، يصبح A·e−at في الزمن.

F(s) = A/(s + a) + B/(s + b) ⇒ f(t) = A·e−at + B·e−bt

تجد قاعدة التغطية كل معامل. لإيجاد A، غطِّ العامل (s + a) في F(s) وضع s = −a في كل ما تبقى.

مثال: F(s) = (s + 7)/((s + 1)(s + 4)). عندئذ A = (−1 + 7)/(−1 + 4) = 6/3 = 2 وB = (−4 + 7)/(−4 + 1) = −1. إذن f(t) = 2e−t − e−4t.

ReIm−3−1j2−j2e−3t​e−t​·sin 2t

موضع القطب يخبرك بالشكل. قطب حقيقي عند −3 يعطي اضمحلالًا صرفًا e−3t. وزوج مركب −1 ± j2 يعطي تذبذبًا متضائلًا، e−t مضروبة في sin 2t أو cos 2t.

  • قطب مكرر (s + a)²: اكتب A/(s + a) + B/(s + a)². الحد الثاني يعطي B·t·e−at. إذن (s + 4)/(s + 1)² = 1/(s + 1) + 3/(s + 1)² ↔ e−t + 3t·e−t.
  • أقطاب مركبة: أكمل المربع، s² + 4s + 8 = (s + 2)² + 2². عندئذ 10/((s + 2)² + 2²) = 5·2/((s + 2)² + 2²) ↔ 5·e−2t·sin 2t.
  1. حلّل المقام إلى عوامله واكتب الأقطاب. ولدالة تربيعية أوجد جذريها أو أكمل المربع.
  2. اكتب كسرًا لكل قطب: A/s وB/(s + a) وهكذا. والقطب المكرر يحصل أيضًا على حد مربع.
  3. أوجد كل معامل بقاعدة التغطية. احتفظ بإشارات العوامل المتبقية.
  4. ترجم كل حد عائدًا إلى الزمن بالجدول.
  5. عوّض الزمن t (بالراديان للجيب وجيب التمام). تحقق من f(0⁺) وf(∞) بنظريتي القيمة.
تحقّق ذاتي F(s) = (s + 5)/((s + 1)(s + 3)) = A/(s + 1) + B/(s + 3). ما A؟
  1. 2
  2. 4
  3. −1
  4. −2

الإجابة: 2. غطِّ (s + 1) وضع s = −1 في الباقي: (−1 + 5)/(−1 + 3) = 4/2 = 2. القيمة −1 هي B. أما 4 فنسي القسمة على العامل المتبقي، وأما −2 فعكس إشارة العامل المتبقي: 4/(−2) بدل 4/2.

5مثال محلول

هذا سؤال متوسط نموذجي. جرّب كل خطوة بنفسك قبل أن تفتحها.

مثال محلول

أوجد f(t) لـ F(s) = 12/(s(s + 2)(s + 3)) بالكسور الجزئية، واحسب f(0,5).

1

ضع الكسور

المقام محلّل أصلًا. الأقطاب s = 0 وs = −2 وs = −3، وكلها بسيطة.

F(s) = A/s + B/(s + 2) + C/(s + 3)
2

التغطية لـ A

غطِّ العامل s وضع s = 0 في الباقي:

A = 12/((0 + 2)(0 + 3)) = 12/6 = 2
3

التغطية لـ B وC

غطِّ (s + 2) وضع s = −2. ثم غطِّ (s + 3) وضع s = −3. احتفظ بكل إشارة.

B = 12/((−2)(−2 + 3)) = 12/(−2) = −6
C = 12/((−3)(−3 + 2)) = 12/3 = 4
4

العودة إلى الزمن

كل حد زوج من الجدول: 2/s ↔ 2، وB/(s + a) ↔ B·e−at.

f(t) = 2 − 6e−2t + 4e−3t
5

احسب عند t = 0,5

f(0,5) = 2 − 6e−1 + 4e−1,5 = 2 − 2,207 + 0,893 = 0,685
6

تحقّق من الإجابة

tf(t)20,50,685123

عند t = 0: 2 − 6 + 4 = 0. تتفق نظرية القيمة الابتدائية، لأن s·F(s) → 0 لقيم كبيرة من s.

عند t → ∞ لا يبقى إلا العدد 2. وتعطي نظرية القيمة النهائية 12/(2·3) = 2 أيضًا.

الإجابة

f(t) = 2 − 6e−2t + 4e−3t، إذن f(0,5) ≈ 0,685.

6أخطاء شائعة

  • الخلط بين النظريتين: s → ∞ تعطي القيمة الابتدائية f(0⁺)، وs → 0 تعطي القيمة النهائية f(∞).
  • نسيان العامل s في s·F(s)، أو حذف عامل صفر مثل (s + 2) حين تضع s = 0.
  • أخطاء الإشارة في قاعدة التغطية: عند s = −3 يساوي العامل (s + 2) القيمة −1 لا 5.
  • استخدام زوج الجيب دون القسمة على ω: ω/(s² + ω²) تحتاج ω في البسط.
  • حساب sin ωt أو cos ωt والحاسبة بالدرجات. الزاوية ωt بالراديان.
  • استخدام نظرية القيمة النهائية حين لا تستقر f(t)، مثل F(s) = 1/(s² + 4) التي هي جيب صرف.
تحقّق ذاتي F(s) = 6/((s + 1)(s + 3)). بقاعدة التغطية، ما المعامل B لـ e−3t؟
  1. 3
  2. 6
  3. −2
  4. −3

الإجابة: −3. غطِّ (s + 3) وضع s = −3 في الباقي: 6/(−3 + 1) = 6/(−2) = −3. القيمة +3 خطأ في الإشارة (وهي المعامل A لـ e−t). و−2 تقسم على قيمة القطب بدل العامل المتبقي.

7كيف تبدو أسئلة الامتحان

  • سهل: أزواج الجدول ونظريتا القيمة. تحوّل عكسيًا ثابتًا أو دالة أسية أو t·e−at أو جيبًا أو جيب تمام وتحسبه، أو تجد f(0⁺) أو f(∞) أو الميل الابتدائي f′(0⁺).
  • متوسط: التحويلات العكسية بالكسور الجزئية. تجد معاملًا واحدًا A، أو تحوّل عكسيًا ثلاثة أقطاب بسيطة s(s + a)(s + b)، أو قطبًا مكررًا، أو أقطابًا مركبة بإكمال المربع.
  • صعب: المعادلات التفاضلية ودوال التحويل، مثل y″ + 7y′ + 6y = 15·u(t) مع قيم ابتدائية معطاة. تجد y عند زمن معطى.

في المستوى الصعب حوّل كل مشتقة مع شروطها الابتدائية:

ℒ{y′} = s·Y − y(0) ℒ{y″} = s²·Y − s·y(0) − y′(0)

ثم حل المعادلة الجبرية لإيجاد Y(s)، وحوّلها عكسيًا بالكسور الجزئية كما في المثال المحلول.

تعلّمه خطوة بخطوة في التطبيقتعلّمه خطوة بخطوة في التطبيق

أمثلة محلولة

مثال 1سهلة
t (s)f(t)f(∞) = ?

لإشارة f(t) تحويل لابلاس F(s) = 28/(s(s² + 2s + 23)). استخدم نظرية القيمة النهائية لإيجاد القيمة f(∞) التي تستقر عندها f(t).

F(s) = 28/(s(s² + 2s + 23))

المطلوب: f(∞)

أظهر التلميحات
  1. نظرية القيمة النهائية: f(∞) = lim s·F(s) عندما s → 0.
  2. تحقّق أولًا من أن كل أقطاب s·F(s) تقع في نصف المستوى الأيسر، لكي تستقر f(t) فعلًا.
  3. s·F(s) = 28/(s² + 2s + 23).
أظهر الإجابة والحل خطوة بخطوة

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).

تحقّق من انطباق النظرية

النظرية لا تصحّ إلا عندما تستقر f(t)؛ والقطب على المحور التخيّلي أو في نصف المستوى الأيمن يعطي إجابة خاطئة.

أقطاب s·F(s): s² + 2s + 23 = 0، كلها في نصف المستوى الأيسر.

القيمة النهائية

f(∞) = lims→0 s·F(s) = lims→0 28/(s² + 2s + 23) = 28/23 = 1,217

الإجابة

f(∞) = 1,217
مثال 2متوسطة
ReIm−5−10−15−20−25

F(s) = (s + 22)/(s² + 14s + 48). تحويله العكسي على الصورة f(t) = A·e−6t + B·e−8t. أوجد المعامل A بالكسور الجزئية.

F(s) = (s + 22)/(s² + 14s + 48)

المطلوب: A

أظهر التلميحات
  1. حلّل المقام: s² + 14s + 48 = (s + 6)(s + 8).
  2. قاعدة التغطية: A = [(s + 6)·F(s)] عند s = −6.
  3. عند s = −6: البسط 16، والعامل الآخر 2.
أظهر الإجابة والحل خطوة بخطوة

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).

حلّل المقام

s² + 14s + 48 = (s + 6)(s + 8)
F(s) = A/(s + 6) + B/(s + 8)

قاعدة التغطية

اضرب في (s + 6) وضع s = −6: يختفي حدّ B.

A = (s + 22)/(s + 8) |s = −6 = 16/2 = 8

الإجابة

A = 8
(B = −7، لذا f(t) = 8·e−6t − 7·e−8t)
مثال 3صعبة
t (s)y(t)t = 0,6y(0,6) = ?

يخضع نظام للمعادلة y″ + 7y′ + 10y = 30·u(t)، مع y(0) = 5 و y′(0) = 0. عند t = 0 يُطبَّق دخل خطوة u(t) = 5. استخدم تحويل لابلاس لإيجاد y(0,6).

y″ + 7y′ + 10y = 30·u(t)y(0) = 5y′(0) = 0u(t) = 5t = 0,6 s

المطلوب: y(0.6)

أظهر التلميحات
  1. التحويل: (s² + 7s + 10)·Y − (s + 7)·5 = 30·5/s.
  2. اضرب الطرفين في s: Y(s) = (5s² + 35s + 150)/(s(s + 2)(s + 5)).
  3. A = 15, B = −16,67, C = 6,667.
أظهر الإجابة والحل خطوة بخطوة

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).

حوّل المعادلة

(s² + 7s + 10)·Y(s) = 5s + 35 + 150/s
Y(s) = (5s² + 35s + 150)/(s(s + 2)(s + 5))

الكسور الجزئية

A = 150/(2·5) = 15
B = 100/((−2)·3) = −16,67
C = 100/((−5)·(−3)) = 6,667

النتيجة

y(t) = 15 − 16,67·e−2t + 6,667·e−5t
y(0,6) = 10,31

الإجابة

y(0,6) = 10,31

تحقّق: y(0) = A + B + C = 5.

أسئلة وأجوبة

ما هو تحويلات لابلاس؟

تُوصف الدارات والمحركات والخزانات بـمعادلات تفاضلية: يعتمد الخرج على معدل تغيره هو. وحلها مباشرة بطيء.

يحوّل تحويل لابلاس مسألة كهذه إلى جبر. تستبدل كل دالة زمنية f(t) بدالة F(s) في متغير جديد s.

كيف تحل مسائل تحويلات لابلاس خطوة بخطوة؟

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).

ما الأخطاء الشائعة في تحويلات لابلاس؟
  • عند s = 0 يساوي العامل s² + 2s + 23 حدّه الثابت 23.
  • خذ النهاية s → 0، لا s = 1.
  • هذا B، معامل e−8t. المعامل A يخصّ القطب s = −6.
ماذا تغطي تمارين تحويلات لابلاس؟
  • سهلة: أزواج الجدول ونظريات القيم
  • متوسطة: التحويل العكسي بالكسور الجزئية
  • صعبة: المعادلات التفاضلية ودوال التحويل

لكل مسألة قيم جديدة، فتتعلّم الطريقة بدلًا من حفظ إجابة. هل علِقت؟ افتح تلميحًا صغيرًا أولًا، والشرح الكامل فقط عندما تحتاج إليه.

كيف يعمل التدريب

  • لكل مسألة قيم جديدة، فتتعلّم الطريقة بدلًا من حفظ إجابة.
  • هل علِقت؟ افتح تلميحًا صغيرًا أولًا، والشرح الكامل فقط عندما تحتاج إليه.
  • يُحفظ تقدّمك وأخطاؤك ومسائلك المحفوظة، لتتمكّن من مراجعتها قبل الامتحان.

مواضيع قبل هذا الموضوع وبعده

تعلّم أولاً

ثم تابع مع

الآلات الحاسبة

مقرّرات تتضمّن هذا الموضوع

مواضيع أخرى في الكهربائية

ورقة عمل قابلة للطباعة