الرياضيات🎓 هدف البكالوريا

الدوال الأصلية والتكاملات الحساب التكاملي

تكامل دالة و حساب المساحات

🔊 المعلّمة تقرأ لك
سنرى أنّ الدالة الأصلية تسمح بحساب مساحة الحيّز الواقع تحت منحنى دالة موجبة بين عددين، بحساب الفرق بين قيمتي الدالة الأصلية عند الطرفين. فكيف نسمّي هذا العدد و نرمز إليه، و كيف نستعمله لحساب مساحة حيّز محصور بين منحنيي دالتين، حتّى عندما يتغيّر وضعهما النسبي داخل المجال نفسه؟

فكرة الفصل بسيطة و قوية معا: الفرق بين قيمتي دالة أصلية عند طرفي مجال لا يتغيّر مهما اخترنا الدالة الأصلية. هذا الثبات هو ما يسمح بتسمية العدد الناتج « تكاملا » و اعتباره خاصّية للدالة الأصلية نفسها، لا للدالة الأصلية المختارة. و بمجرّد أن نملك هذه الأداة، نستعملها لحساب مساحات لا تُحسب بقواعد الهندسة الابتدائية، بما فيها المساحة المحصورة بين منحنيين.

🎓في نهاية هذا الدرس ستكون قادرا على:
  • تعريف مساحة الحيّز الواقع تحت منحنى دالة موجبة و مستمرّة بين عددين a و b
  • تعريف التكامل ⁦∫ₐbf(x)dx⁩ و ترميزه، و بيان أنّه لا يتعلّق باختيار الدالة الأصلية
  • حساب تكاملات بسيطة باستعمال دالة أصلية، بما فيها دالة معرّفة بالتقطيع
  • حساب مساحة حيّز محدّد بمنحنيي دالتين، بما في ذلك الحالة التي يتغيّر فيها وضعهما النسبي داخل المجال المدروس
🔑يفترض هذا الدرس أنّك تتقن:
  • تعيين دالة أصلية لدالة مألوفة أو لدالة مركّبة على الشكل ⁦u′un⁩
  • دراسة إشارة عبارة جبرية، بما فيها استعمال المميّز Δ
  • حلّ معادلة من الدرجة الثانية و تحليل كثير حدود إلى جداء عاملين

1. من مساحة تحت منحنى إلى تعريف التكامل

خاصية (دون برهان). لتكن f دالة مستمرّة و موجبة على مجال I، و a و b عددين حقيقيّين من I حيث ⁦a ≤ b⁩، و لتكن F دالة أصلية للدالة f على I. الحيّز الواقع تحت منحنى f بين العددين a و b هو الحيّز المحدّد بالمنحنى، بمحور الفواصل، و بالمستقيمين ⁦x = a⁩ و ⁦x = b⁩.

مساحة الحيّز تحت المنحنى

⭐ وحدة المساحة هي مساحة المستطيل الذي رأساه المتقابلان هما نقطة الأصل و النقطة ⁦(1;1)⁩.

A = F(b) − F(a)
Aمساحة الحيّز تحت منحنى f بين العددين a و bFدالة أصلية للدالة f على المجال I
مساحة الحيّز الملوّن هي بالضبط العدد ⁦F(b) − F(a)⁩، مهما كانت الدالة الأصلية F المختارة.

لنبرهن أنّ هذا العدد لا يتعلّق باختيار الدالة الأصلية، نأخذ دالتين أصليتين مختلفتين F و G لنفس الدالة f، و نتذكّر أنّهما تختلفان بثابت k فقط.

🔹الخطوة 1: العلاقة بين الدالتين الأصليتين
G(x) = F(x) + k
🔹الخطوة 2: حساب الفرق بالدالة الثانية
G(b) − G(a)=[F(b) + k] − [F(a) + k]
✅النّتيجة: الفرق مستقلّ عن اختيار الدالة الأصلية

الثابت k يظهر مرّتين بنفس الإشارة فيُختصر، فالفرق واحد مهما اختلفت الدالة الأصلية المختارة.

G(b) − G(a) = F(b) − F(a)
تعريف: التكامل. لتكن f دالة مستمرّة على مجال I، و a و b عددين حقيقيّين من I. نسمّي العدد الحقيقي ⁦F(b) − F(a)⁩، حيث F دالة أصلية لـ f على I، التكامل من a إلى b لـ f، و نرمز إليه بـ ⁦∫ₐbf(x)dx⁩.
الترميز و طريقة الحساب
∫ₐb f(x) dx=[F(x)]ₐb=F(b) − F(a)

يمكن استبدال الحرف x بأيّ حرف آخر دون أن يتغيّر التكامل، لأنّه متغيّر صامت، لا يظهر في النتيجة النهائية.

استقلالية التكامل عن اسم المتغيّر
∫ₐb f(x) dx = ∫ₐb f(t) dt

2. حساب تكاملات باستعمال دالة أصلية

مثال 1: حساب تكامل دالة كثير حدود

🎯المطلوب: احسب التكامل ⁦∫₀¹ (x² + 1) dx⁩.

🔹الخطوة 1: دالة أصلية للحدّين
F(x) = (13) x³ + x
🔹الخطوة 2: تطبيق الترميز
∫₀¹ (x² + 1) dx = [(13) x³ + x]₀¹
🔹الخطوة 3: القيمة عند الطرف الأعلى
(13)×1³ + 1=43
🔹الخطوة 4: القيمة عند الطرف الأدنى
(13)×0³ + 0=0
✅النّتيجة
∫₀¹ (x² + 1) dx=43 − 0=43
مثال 2: تكامل بين طرفين متناظرين

🎯المطلوب: احسب التكامل ⁦∫₋₁¹ (x³ − x) dx⁩.

🔹الخطوة 1: دالة أصلية للحدّين
F(x)=(14) x⁴ − (12) x²
🔹الخطوة 2: القيمة عند الطرف الأعلى
F(1)=14 − 12=−14
🔹الخطوة 3: القيمة عند الطرف الأدنى
F(−1)=14 − 12=−14
✅النّتيجة
∫₋₁¹ (x³ − x) dx=F(1) − F(−1)=−14 − (−14)=0
⭐ صفر التكامل هنا ليس صدفة: الدالة ⁦x ↦ x³ − x⁩ فردية، و تكامل دالة فردية بين طرفين متناظرين معدوم دائما.
مثال 3: تكامل دالة معرّفة بالتقطيع

الدالة f معرّفة على ⁦[−1;2]⁩ بـ ⁦f(x) = x²⁩ من أجل x من ⁦[−1;1]⁩، و ⁦f(x) = 2x − 1⁩ من أجل x من ⁦[1;2]⁩.

🎯المطلوب: احسب التكامل ⁦∫₋₁² f(x) dx⁩.

🔹الخطوة 1: تقسيم المجال

الدالة f معرّفة بعبارتين مختلفتين على جزأين من المجال، فنقسم التكامل إلى تكاملين متتاليين، كلّ واحد على الجزء الذي تُكتب فيه f بعبارة واحدة.

∫₋₁² f(x) dx = ∫₋₁¹ x² dx + ∫₁² (2x − 1) dx
🔹الخطوة 2: التكامل الأوّل
∫₋₁¹ x² dx=[(13) x³]₋₁¹=13 − (−13)=23
🔹الخطوة 3: التكامل الثاني
∫₁² (2x − 1) dx=[x² − x]₁²=2 − 0=2
✅النّتيجة
∫₋₁² f(x) dx=23 + 2=83
⭐ تحقّق دائما من الاتّصال عند نقطة التقطيع قبل استعمال هذا التقسيم: هنا ⁦1² = 1⁩ و ⁦2×1 − 1 = 1⁩، فالعبارتان تتّفقان عند ⁦x = 1⁩، و الدالة متّصلة فعلا.

3. من مساحة تحت منحنى إلى مساحة بين منحنيين

إذا كانت f و g دالتين مستمرّتين على مجال ⁦[a;b]⁩ بحيث ⁦f(x) ≥ g(x)⁩ على هذا المجال، فمساحة الحيّز المحصور بين المنحنيين، بين المستقيمين ⁦x = a⁩ و ⁦x = b⁩، تُحسب بطرح مساحة الحيّز تحت منحنى g من مساحة الحيّز تحت منحنى f.

مساحة حيّز محدّد بمنحنيين

⭐ الشرط ⁦f(x) ≥ g(x)⁩ ضروري: هو الذي يضمن أنّ الفرق ⁦f(x) − g(x)⁩ موجب، فيكون التكامل مساحة حقيقية لا عددا سالبا.

A=A₁ − A₂=∫ₐb f(x) dx − ∫ₐb g(x) dx=∫ₐb [f(x) − g(x)] dx
A₁مساحة الحيّز تحت منحنى f بين a و bA₂مساحة الحيّز تحت منحنى g بين a و b
مثال 4: مساحة بين منحنيين لا يتغيّر وضعهما

نعتبر الدالتين f و g المعرّفتين على ℝ بـ ⁦f(x) = x² + 1⁩ و ⁦g(x) = −x² + 2x + 5⁩.

🎯المطلوب: بيّن أنّه من أجل كلّ x من ⁦[−1;2]⁩، ⁦f(x) ≤ g(x)⁩، ثمّ احسب مساحة الحيّز المحدّد بالمنحنيين بين ⁦x = −1⁩ و ⁦x = 2⁩ (المستقيمان يمرّان بنقطتي تقاطع المنحنيين).

🔹الخطوة 1: دراسة إشارة الفرق

نبرهن أنّ الفرق بين العبارتين موجب على المجال المدروس كلّه، بتحليله إلى عاملين.

g(x) − f(x)=−2x² + 2x + 4=−2(x + 1)(x − 2)
🔹الخطوة 2: النّتيجة على المجال المدروس

العامل ⁦(x + 1)⁩ موجب أو معدوم على ⁦[−1;2]⁩ و العامل ⁦(x − 2)⁩ سالب أو معدوم عليه، فجداؤهما سالب أو معدوم، مضروبا في ⁦−2⁩ يصير موجبا أو معدوما.

g(x) − f(x) ≥ 0 ⟹ g(x) ≥ f(x)
🔹الخطوة 3: دالة أصلية للفرق
H(x)=−(23) x³ + x² + 4x
🔹الخطوة 4: القيمة عند الطرف الأعلى
H(2)=−163 + 4 + 8=203
🔹الخطوة 5: القيمة عند الطرف الأدنى
H(−1)=23 + 1 − 4=−73
✅النّتيجة
A=H(2) − H(−1)=203 − (−73)=273=9
⭐ حدود المجال ⁦[−1;2]⁩ ليست اختيارا حرّا هنا: هما بالضبط فاصلتا نقطتي تقاطع المنحنيين، أي حلّا المعادلة ⁦f(x) = g(x)⁩.
مثال 5: مساحة بين منحنيين يتغيّر وضعهما داخل المجال

نعتبر الدالتين f و g المعرّفتين على ⁦[−1;2]⁩ بـ ⁦f(x) = x²⁩ و ⁦g(x) = (5/3)x + 2/3⁩.

🎯المطلوب: أدرس الوضع النسبي للمنحنيين ⁦(Cf)⁩ و ⁦(Cg)⁩ على ⁦[−1;2]⁩، ثمّ احسب مساحة الحيّز المحدّد بالمنحنيين بين ⁦x = −1⁩ و ⁦x = 2⁩.

🔹الخطوة 1: معادلة نقط التقاطع

نبحث عن نقط تقاطع المنحنيين بحلّ المعادلة ⁦f(x) = g(x)⁩، بعد تحويلها إلى معادلة من الدرجة الثانية.

x² = (53)x + 23 ⟺ 3x² − 5x − 2 = 0
🔹الخطوة 2: تحليل كثير الحدود
3x² − 5x − 2 = (3x + 1)(x − 2)
🔹الخطوة 3: حلّا المعادلة
3x + 1 = 0 ⟹ x = −13 ; x − 2 = 0 ⟹ x = 2
🔹الخطوة 4: الوضع النسبي على ⁦[−1 ; −1/3]⁩

عند ⁦x = −1⁩، و هي نقطة من ⁦[−1⁩؛⁦−1/3]⁩، نقارن قيمتي الدالتين: ⁦f(−1) = 1⁩ أكبر من ⁦g(−1) = −1⁩، فـ⁦(Cf)⁩ فوق ⁦(Cg)⁩ على هذا الجزء.

f(x) ≥ g(x)
🔹الخطوة 5: الوضع النسبي على ⁦[−1/3 ; 2]⁩

عند ⁦x = 1⁩، و هي نقطة من ⁦[−1/3⁩؛⁦2]⁩، نقارن: ⁦f(1) = 1⁩ أصغر من ⁦g(1) = 7/3⁩، فـ⁦(Cf)⁩ تحت ⁦(Cg)⁩ على هذا الجزء.

f(x) ≤ g(x)
🔹الخطوة 6: تقسيم التكامل عند نقطة التغيّر

بما أنّ الوضع النسبي يتغيّر عند ⁦x = −1/3⁩، لا يمكن كتابة تكامل واحد لكامل المجال: يجب تقسيمه إلى تكاملين، كلّ واحد بالفرق الموجب على جزئه.

A=∫₋₁−13 [f(x) − g(x)] dx + ∫−13² [g(x) − f(x)] dx
✅النّتيجة
A=5081 + 343162=443162 ≈ 2,735 (u.a)
⭐ إذا لم تكن إشارة الفرق ثابتة على كامل المجال، فلا مفرّ من التقسيم عند كلّ نقطة تغيّر وضع: كتابة تكامل واحد للفرق بإشارة واحدة تعطي عددا خاطئا، لأنّ الفرق يتغيّر إشارته داخل التكامل نفسه.
بين ⁦−1⁩ و ⁦−1/3⁩ القطع المكافئ فوق المستقيم، ثمّ بين ⁦−1/3⁩ و 2 ينقلب الوضع: هذا ما يفرض تقسيم التكامل.
في البكالوريا يأتي هذا الدرس في سؤالين: «احسب التكامل»، و«احسب مساحة الحيّز المحدّد بالمنحنيين والمستقيمين ⁦x = a⁩ و ⁦x = b⁩». جهّز ثلاثة عناصر: ① الترميز والحساب: ⁦∫ₐb f(x) dx = [F(x)]ₐb = F(b) − F(a)⁩، والنتيجة لا تتعلّق باختيار الدالّة الأصلية ؛ ② الدالّة المعرّفة بالتقطيع: قسّم التكامل عند نقطة تغيّر العبارة إلى تكاملين متتاليين ؛ ③ المساحة بين منحنيين: ادرس أوّلا إشارة الفرق بتحليله، ثمّ اطرح دالّة الأسفل من دالّة الأعلى، وإن تغيّر الوضع النسبي داخل المجال فقسّم التكامل عند كلّ نقطة تقاطع. ⚠️ الخطأ الشائع: حساب تكامل الفرق دون التأكّد من الوضع النسبي على كامل المجال، فتطرح الأسفل من الأعلى في جزء والعكس في جزء آخر. ⚠️ وخطأ ثانٍ: الخلط بين التكامل والمساحة ؛ التكامل قد يكون معدوما، مثل تكامل ⁦x³ − x⁩ بين ⁦−1⁩ و 1، والمساحة لا تكون سالبة.
الخلاصة: مساحة الحيّز تحت منحنى دالة موجبة بين a و b هي ⁦F(b) − F(a)⁩، و هذا العدد يُسمّى تكاملا و يُرمَز له بـ ⁦∫ₐbf(x)dx⁩، و هو لا يتعلّق باختيار الدالة الأصلية. لحساب مساحة حيّز محدّد بمنحنيين، نطرح دالة الأسفل من دالة الأعلى، بعد أن نتأكّد من الوضع النسبي على كامل المجال، و إن تغيّر هذا الوضع داخل المجال، نُقسّم التكامل عند كلّ نقطة تغيّر.

الصفحة 1/8

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