الرياضيات🎓 هدف البكالوريا

النهايات

العمليات على النهايات، النهاية بالمقارنة و نهاية دالة مركّبة

🔊 المعلّمة تقرأ لك
دالّة مثل الجذر التربيعي لكسر جبريّ تبدو معقّدة عند حساب نهايتها مباشرة، لكنّها في الحقيقة نهايتان متتاليتان لدالّتين أبسط منها؛ و دالّة أخرى محصورة بين دالّتين معروفتَي النهاية تُخفي نتيجتها بينهما دون أن نعرف عبارتها. فكيف نحسب نهاية دالّة مركّبة من دالّتين أبسط منها، و كيف نستنتج نهاية دالّة محصورة بين دالّتين أخريين؟

الجواب في جملتين: إن كانت الدالّة مركّبة من دالّتين تعرف نهايتيهما، فسلسلة النهايتين تعطي النهاية المطلوبة مباشرة؛ و إن كانت الدالّة محصورة بين دالّتين تؤولان إلى نفس العدد، فهي تؤول إليه أيضا، دون أن نعرف عبارتها. هذا الدرس يبني الأداتين، ثمّ يبيّن أنّ التأطير وحده — دون تساوي في الوجهة — لا يكفي أبدا.

🎓في نهاية هذا الدرس ستكون قادرا على:
  • التعرّف على الدالّة المركّبة من دالّتين u و v و كتابتها بالرمز v∘u
  • تطبيق مبرهنة نهاية دالّة مركّبة بتحديد u و v و سلسلة النهايتين
  • استعمال نظرية الحصر لاستنتاج نهاية دالّة محصورة بين دالّتين
  • التمييز بين تأطير يحسم النهاية و تأطير لا يسمح بأيّ استنتاج
🔑يفترض هذا الدرس أنّك تتقن:
  • حساب نهاية دالّة مرجعية (كثير حدود، دالّة ناطقة، جذر تربيعي) عند اللانهاية، من دروس السنة الثانية
  • مفهوم الدالّة و مجال تعريفها

1. الدالّة المركّبة من دالّتين

عندما تُطبَّق دالّة على نتيجة دالّة أخرى، نحصل على دالّة جديدة تسمّى الدالّة المركّبة. و لكي يصحّ هذا التركيب، يجب أن تقع كلّ قيمة تُعطيها الدالّة الأولى داخل مجال تعريف الدالّة الثانية.

شرط التركيب

u معرّفة على مجال I و v معرّفة على مجال J: لا يصحّ تطبيق v على ⁦u(x)⁩ إلّا إذا وقعت هذه القيمة داخل J.

u(x) ∈ J
تعريف الدالّة المركّبة

⭐ اقرأ الرمز v∘u من اليمين إلى اليسار: نطبّق u أوّلا على x، ثمّ نطبّق v على النتيجة التي نحصل عليها.

(v∘u)(x) = v[u(x)]

و رمز v∘u ليس هو رمز u∘v: التركيب يتغيّر بتغيّر ترتيب الدالّتين، و المثال الآتي يبيّن ذلك بحساب صريح.

مثال 1: تركيب دالّتين بترتيبين مختلفين

u و v دالّتان معرّفتان على مجموعة الأعداد الحقيقية.

🎯المطلوب: احسب ⁦(v∘u)(x)⁩ و ⁦(u∘v)(x)⁩، ثمّ قارن بين الدالّتين المركّبتين.

📌المعطى: عبارة u
u(x) = 2x² − 3
📌المعطى: عبارة v
v(x) = −3x + 1
🔹الخطوة 1: تعويض ⁦u(x)⁩ في v

نعوّض عبارة u مكان x في v.

v[u(x)]=−3×(2x² − 3) + 1
🔹الخطوة 2: عبارة v∘u بعد التبسيط

ننشر و نبسّط.

(v∘u)(x) = −6x² + 10
🔹الخطوة 3: تعويض ⁦v(x)⁩ في u

نعوّض عبارة v مكان x في u.

u[v(x)]=2×(−3x + 1)² − 3
🔹الخطوة 4: عبارة u∘v بعد التبسيط

ننشر المربّع ثمّ نبسّط.

(u∘v)(x) = 18x² − 12x − 1
✅النّتيجة: عدم التبديل

نقارن الدالّتين المركّبتين عند نفس القيمة، مثلا عند الصفر: ⁦−6×0+10⁩ يساوي 10، بينما ⁦18×0−12×0−1⁩ يساوي ⁦−1⁩.

(v∘u)(0) ≠ (u∘v)(0)
⭐ الترتيب يُغيّر النتيجة، لا يوجد ترتيب افتراضيّ. «الدالّة المركّبة من u و v بهذا الترتيب» تعني دائما v∘u: نطبّق الدالّة الأولى المذكورة أوّلا. اكتب الترتيب صراحة في كلّ مرّة، و لا تعتمد على الذاكرة.

2. نهاية الدالّة المركّبة

لحساب نهاية دالّة مركّبة، لا حاجة لتبسيط عبارتها: يكفي معرفة نهايتَي الدالّتين الأصليّتين، متتاليتين.

💭الفرضية الأولى
lim(x → a) u(x) = b
💭الفرضية الثانية
lim(x → b) v(x) = c
✅النّتيجة: نهاية الدالّة المركّبة

⭐ سلسلة من نهايتين تنتج نهاية ثالثة: النهاية الأولى تحدّد إلى أين تذهب u، و النهاية الثانية تحدّد إلى أين تذهب v عند تلك الوجهة بالذات.

lim(x → a) (v∘u)(x) = c

و الأعداد a و b و c قد تكون منتهية أو تساوي +∞ أو −∞: النتيجة نفسها تبقى صحيحة في كلّ الحالات.

مثال 2: نهاية دالّة مركّبة بتحديد u و v

الدالّة f تبدو معقّدة، لكنّها مركّبة من دالّتين بسيطتين.

🎯المطلوب: أدرس نهاية الدالّة f عند +∞.

📌المعطى: عبارة الدالّة
f(x)=√(2x + 3x − 1)
🔹الخطوة 1: عبارة u

نلاحظ أنّ f تُحسب على مرحلتين: كسر جبريّ، ثمّ جذر تربيعيّ.

u(x)=2x + 3x − 1
🔹الخطوة 2: عبارة v
v(x) = √x
🔹الخطوة 3: نهاية u عند +∞

نهاية كسر جبريّ عند اللانهاية هي نهاية حدّي أعلى درجة في البسط و في المقام.

lim(x → +∞) u(x) = 2
🔹الخطوة 4: نهاية v عند 2

نطبّق v، أي الجذر التربيعيّ، على الوجهة التي بلغتها u.

lim(x → 2) v(x) = √2
✅النّتيجة

نجمع النهايتين وفق مبرهنة نهاية الدالّة المركّبة.

lim(x → +∞) f(x) = √2
⭐ الخطوتان 1 و 2 هما مفتاح كلّ تمرين من هذا النوع: اكتب صراحة من هما u و v قبل أيّ حساب للنهاية. بدونهما، يبقى الحساب حدسا لا برهانا.

3. النهايات بالمقارنة

توجد حالات لا نعرف فيها عبارة الدالّة صراحة، لكنّنا نعرف أنّها محصورة بين دالّتين أو مقارنة بدالّة أخرى: عندئذ نستنتج نهايتها من نهايتَي الدالّتين المعروفتين، دون حساب عبارتها.

💭فرضية نظرية الحصر
lim(x → +∞) g(x) = lim(x → +∞) h(x) = l
شرط الحصر
g(x) ≤ f(x) ≤ h(x)
✅النّتيجة: نظرية الحصر

⭐ إذا كانت f محصورة بين حدّين يؤولان إلى نفس العدد l، فهي تُجبَر على أن تؤول إلى l أيضا.

lim(x → +∞) f(x) = l
💭فرضية المقارنة نحو +∞
lim(x → +∞) g(x) = +∞
شرط المقارنة نحو +∞
f(x) ≥ g(x)
✅النّتيجة

f أكبر من أو تساوي دالّة تؤول إلى +∞: فهي مجبرة على الذهاب إلى +∞ أيضا، دون أن نحتاج عبارتها.

lim(x → +∞) f(x) = +∞
💭فرضية المقارنة نحو −∞
lim(x → +∞) g(x) = −∞
شرط المقارنة نحو −∞
f(x) ≤ g(x)
✅النّتيجة
lim(x → +∞) f(x) = −∞

تمتدّ هذه الخواصّ الثلاث إلى حالة النهاية عند −∞ و إلى حالة النهاية عند عدد حقيقي، بنفس الصياغة.

مثال 3: نظرية الحصر

دالّة f محصورة بين دالّتين معروفتَي النهاية، من أجل كلّ x سالب تماما.

🎯المطلوب: عيّن نهاية الدالّة f عند −∞.

📌المعطى: التأطير
x² − 1x² ≤ f(x) ≤ x − 1x
🔹الخطوة 1: نهاية الحدّ الأصغر

نهاية كسر جبريّ عند اللانهاية هي نهاية حدّي أعلى درجة.

lim(x → −∞) x² − 1x² = 1
🔹الخطوة 2: نهاية الحدّ الأكبر
lim(x → −∞) x − 1x = 1
✅النّتيجة

الحدّان يؤولان إلى نفس العدد، فنطبّق نظرية الحصر.

lim(x → −∞) f(x) = 1
⭐ لاحظ أنّنا لا نعرف عبارة f، و مع ذلك نعرف نهايتها بيقين: هذا هو معنى نظرية الحصر — تُحسم النتيجة من الحدّين وحدهما.

و يمكن كذلك تحديد موقع المنحني الممثّل لهذه الدالّة بالنسبة إلى المنحنيين المرسومين للدالّتين الحادّتين، كما يبيّنه الشكل الآتي.

المنحني الأحمر يبقى دائما بين المنحنيين الأزرقين، و الثلاثة تقترب من نفس المستقيم الأفقي كلّما اتّجهنا نحو اليسار.
مثال 4: متى لا يكفي التأطير للاستنتاج

دالّة f معرّفة على مجموعة الأعداد الحقيقية.

🎯المطلوب: عيّن نهاية f عند −∞، ثمّ بيّن هل يمكن استنتاج نهايتها عند +∞.

📌المعطى
f(x) ≤ 2x − 1
🔹الخطوة 1: نهاية الحدّ الأكبر عند −∞

نهاية دالّة تآلفية عند −∞.

lim(x → −∞) (2x − 1) = −∞
✅النّتيجة عند −∞

f أصغر من أو تساوي دالّة تؤول إلى −∞، فهي مجبرة على الذهاب إلى −∞ أيضا.

lim(x → −∞) f(x) = −∞
🔹الخطوة 2: نهاية الحدّ الأكبر عند +∞

نفس التأطير، لكن عند +∞ هذه المرّة.

lim(x → +∞) (2x − 1) = +∞
⛔⛔ لكنّ هذا لا يسمح بأيّ استنتاج عند +∞. نعرف فقط أنّ f أصغر من أو تساوي دالّة تؤول إلى +∞، و هذا لا يقيّد f من فوق و لا من تحت: فقد تؤول هي أيضا إلى +∞، أو إلى −∞، أو إلى عدد محدود.
مثال على إمكانية +∞

هذه الدالّة نفسها تحقّق الفرض بالمساواة، و نهايتها +∞: إذن +∞ احتمال ممكن، لكنّه غير محتوم بالفرض وحده.

f(x) = 2x − 1 ⟹ lim(x → +∞) f(x) = +∞
⛔⛔ الفرق الحاسم بين هذا المثال و المثال 3. في نظرية الحصر، الحدّان الأعلى و الأدنى يؤولان معا إلى نفس الوجهة، فتُحسم النتيجة. أمّا هنا فلا نملك إلّا حدّا واحدا، و مجرّد معرفة أنّ حدّا واحدا يؤول إلى +∞ لا يكفي أبدا لتحديد وجهة f.

4. العمليات على النهايات: المجموع و الجداء

نهاية المجموع ⁦f + g⁩ عند a، حيث a عدد حقيقي أو ⁦+∞⁩ أو ⁦−∞⁩: إذا كانت النهايتان عددين l و ⁦l′⁩ فنهاية المجموع ⁦l + l′⁩. و إذا كانت إحداهما عددا l و الأخرى ⁦+∞⁩ فنهاية المجموع ⁦+∞⁩، و إن كانت الأخرى ⁦−∞⁩ فنهايته ⁦−∞⁩. و مجموع نهايتين ⁦+∞⁩ هو ⁦+∞⁩، و مجموع نهايتين ⁦−∞⁩ هو ⁦−∞⁩. أمّا إذا كانت إحداهما ⁦+∞⁩ و الأخرى ⁦−∞⁩ فلا تكفي النهايتان وحدهما للاستنتاج: نقول إنّها حالة عدم تعيين، و نرمز لها ح ع ت.

حالة عدم تعيين في المجموع (ح ع ت)
(+∞) + (−∞)
نهاية المجموع تُقرأ من النهايتين، إلّا حين تجتمع ⁦+∞⁩ و ⁦−∞⁩: تلك حالة عدم تعيين.
مثال 5: نهاية مجموع

الدالّة f مجموع دالّتين نعرف نهايتيهما عند ⁦+∞⁩.

🎯المطلوب: أدرس نهاية الدالّة f عند ⁦+∞⁩.

📌المعطى: عبارة الدالّة
f(x)=x² + 2x + 1x
🔹الخطوة 1: نهاية الحدّ الأوّل
lim(x → +∞) x² = +∞
🔹الخطوة 2: نهاية الحدّ الثاني

نهاية كسر جبريّ عند اللانهاية هي نهاية حدّي أعلى درجة في البسط و في المقام.

lim(x → +∞) 2x + 1x = lim(x → +∞) 2xx = 2
✅النّتيجة

عدد زائد ⁦+∞⁩ يعطي ⁦+∞⁩.

lim(x → +∞) f(x) = +∞
⛔ لو كانت نهاية الحدّ الثاني ⁦−∞⁩ بدل 2، لكنّا أمام ⁦(+∞) + (−∞)⁩: حالة عدم تعيين، و لا تسمح النهايتان عندئذ بأيّ استنتاج.

نهاية الجداء ⁦f × g⁩ عند a: إذا كانت النهايتان عددين l و ⁦l′⁩ فنهاية الجداء ⁦l × l′⁩. و إذا كانت إحداهما عددا l غير معدوم و الأخرى ⁦+∞⁩ أو ⁦−∞⁩، فنهاية الجداء لانهائية، و إشارة l هي التي تحكم: ⁦l > 0⁩ تُبقي إشارة اللانهاية، و ⁦l < 0⁩ تقلبها. و جداء نهايتين لانهائيتين لانهائيّ بقاعدة الإشارات نفسها: ⁦(+∞) × (+∞) = +∞⁩، و ⁦(+∞) × (−∞) = −∞⁩، و ⁦(−∞) × (−∞) = +∞⁩. أمّا إذا كانت إحدى النهايتين 0 و الأخرى لانهائية، فهي حالة عدم تعيين.

حالة عدم تعيين في الجداء (ح ع ت)
0 × (±∞)
في الجداء، إشارة النهاية المنتهية هي التي تحكم، و الصفر في اللانهاية حالة عدم تعيين.
مثال 6: نهاية جداء، و الإشارة تحكم

الدالّة f معرّفة على ⁦[0 ; +∞[⁩، و هي جداء عاملين نعرف نهايتيهما عند ⁦+∞⁩.

🎯المطلوب: أدرس نهاية الدالّة f عند ⁦+∞⁩.

📌المعطى: عبارة الدالّة
f(x)=(1 − 3xx + 2) × √x
🔹الخطوة 1: نهاية العامل الأوّل

نهاية كسر جبريّ عند اللانهاية هي نهاية حدّي أعلى درجة في البسط و في المقام.

lim(x → +∞) 1 − 3xx + 2 = lim(x → +∞) −3xx = −3
🔹الخطوة 2: نهاية العامل الثاني
lim(x → +∞) √x = +∞
✅النّتيجة

العدد ⁦−3⁩ سالب، فجداؤه في ⁦+∞⁩ يعطي ⁦−∞⁩: إشارة l هي التي تحكم.

lim(x → +∞) f(x) = −∞
⛔ لو كانت نهاية العامل الأوّل 0 بدل ⁦−3⁩، لكنّا أمام ⁦0 × (+∞)⁩: حالة عدم تعيين، و لما أمكن الاستنتاج بهذه القاعدة.
في الباكالوريا، سؤال «نهاية دالّة مركّبة» يُقيَّم على التفكيك: اكتب صراحة من هما u و v قبل أيّ حساب، ثمّ اكتب سلسلة النهايتين الاثنتين. و في تمرين التأطير، تحقّق دائما من أنّ الحدّين معا يؤولان إلى نفس الوجهة قبل أن تستنتج أيّ نتيجة: نصف نقاط هذا النوع من الأسئلة تذهب لهذا التحقّق وحده.
الخلاصة: أداتان لحساب نهايات لا تُحسب مباشرة. الأولى، نهاية الدالّة المركّبة: فكّك الدالّة إلى u و v، احسب نهاية u، ثمّ طبّق v على تلك الوجهة. الثانية، نظرية الحصر و المقارنة: إن كانت f محصورة بين حدّين يؤولان إلى نفس العدد، أو مقارنة بحدّ واحد يؤول إلى ما لا نهاية في نفس اتّجاه المقارنة، فنهايتها محسومة دون معرفة عبارتها. و التأطير من جهة واحدة فقط، دون تساوي الوجهتين، لا يحسم شيئا أبدا.

الصفحة 1/11

© مدرستي — هذا الدرس من تأليف مدرستي · madrassati.net