الرياضيات🎓 هدف البكالوريا

الدوال العددية (الاشتقاقية والاستمرارية) المعادلات التفاضلية

حل معادلة تفاضلية من الشكل ⁦y′ = f(x)⁩

🔊 المعلّمة تقرأ لك
سيارة تسير بسرعة 90 كيلومترا في الساعة، ثمّ تتسارع بتسارع ثابت خمس ثوان حتّى تبلغ 135 كيلومترا في الساعة. المطلوب ليس السرعة، بل المسافة المقطوعة خلال هذه الثواني الخمس. و أنت لا تعرف عن المسافة إلاّ مشتقّتها: السرعة. فكيف نعود من المشتقّة إلى الدالة، بعد أن قضينا العام كلّه في الاتّجاه المعاكس؟

كلّ الفصل يقوم على ملاحظة واحدة: الاشتقاق عملية لها عكس. إذا كان ⁦x²⁩ مشتقّته ⁦2x⁩، فمن ⁦2x⁩ نستطيع الرجوع إلى ⁦x²⁩. الرجوع هذا ليس دائما سهلا، لكنّه دائما ممكن للدوال المستمرّة — و هو موضوع الدرس.

🎓في نهاية هذا الدرس ستكون قادرا على:
  • تعريف المعادلة التفاضلية و التحقّق من أنّ دالة حلّ لها
  • قراءة جدول المشتقّات في الاتّجاه العكسي
  • حلّ معادلة تفاضلية من الشكل ⁦y′ = f(x)⁩ بإيجاد كلّ الحلول
  • تعيين الحلّ الوحيد الذي يحقّق شرطا ابتدائيا
🔑يفترض هذا الدرس أنّك تتقن:
  • جدول مشتقّات الدوال المألوفة
  • اشتقاق مجموع دالتين و جداء دالة في عدد

1. ما هي المعادلة التفاضلية

في معادلة عادية المجهول عدد. في معادلة تفاضلية المجهول دالة، و المعادلة تربط هذه الدالة بمشتقّاتها:

تعريف

نسمّي حلّا للمعادلة على مجال I كلّ دالة تحقّقها في كلّ نقطة من I. لاحظ أنّ الحلّ دالة، لا عدد: هذا هو الفرق الوحيد الذي يهمّ.

y' = f(x)
yالدالة المجهولة، و هي ما نبحث عنهfدالة معلومة، مستمرّة على مجال I
مثال للتحقّق

إذن الدالة ⁦x ↦ 1 + sin x⁩ حلّ في ℝ للمعادلة التفاضلية ⁦y' = cos x⁩. للتحقّق من أنّ دالة حلّ، اشتقّها و قارن: لا شيء آخر.

y(x) = 1 + sin x ⟹ y'(x) = cos x
المعادلات التفاضلية ليست فرعا جانبيا من الرياضيات: كلّ قانون في الفيزياء تقريبا يُكتب هكذا. القانون الثاني لنيوتن، تفريغ مكثّفة، تناقص كتلة مشعّة — كلّها معادلات تفاضلية.

2. جدول المشتقّات، مقروءا من اليمين إلى اليسار

لحلّ المعادلة نحتاج، من أجل كلّ دالة f، دالة مشتقّتها هي f. و الجدول الذي تحفظه منذ العام الماضي يعطيها إذا قرأته بالمقلوب:

قوى المتغيّر

من أجل كلّ عدد طبيعي n. تحقّق بالاشتقاق: الأسّ ينزل معاملا فيبسّط المقام، و ينقص بواحد فيعود إلى n.

f(x) = xn ⟹ y = xn⁺¹n + 1 + c
الحالات المألوفة

الأولى هي حالة ⁦n = 0⁩، و الثانية حالة ⁦n = 1⁩. لا تحفظهما على حدة.

f(x) = a ⟹ y = a x + c ; f(x) = x ⟹ y = x²2 + c
المقلوب و الجذر

⚠️ هاتان على مجال لا يحتوي الصفر: ⁦]0 ; +∞[⁩ أو ⁦]-∞ ; 0[⁩ للأولى، و ⁦]0 ; +∞[⁩ وحده للثانية.

f(x) = 1x² ⟹ y = -1x + c ; f(x) = 1√x ⟹ y = 2√x + c
الدوال المثلّثية

⛔ العلامة السالبة في الثانية هي الخطأ الأكثر تكرارا في الباكالوريا. مشتقّة sin هي cos، لكنّ مشتقّة cos هي ناقص sin — فالرجوع يقلب العلامة.

f(x) = cos x ⟹ y = sin x + c ; f(x) = sin x ⟹ y = -cos x + c

3. المبرهنة: كلّ الحلول دفعة واحدة

الأمر الجوهري ليس أنّ للمعادلة حلاّ، بل أنّ لها عائلة كاملة من الحلول، و أنّ هذه العائلة معروفة تماما:

مبرهنة

بشرط أن تكون f مستمرّة على المجال. الثابت c ليس تفصيلا: هو الذي يجعل الحلول لانهائية العدد. نسيانه يعني إعطاء حلّ واحد بدل عائلة.

y' = f(x) ⟺ y = F(x) + c
Fدالة واحدة مشتقّتها f، تُسمّى دالة أصلية للدالة fcعدد حقيقي ثابت، أيّ عدد

و السبب بسيط: مشتقّة الثابت معدومة، فإضافة أيّ ثابت إلى حلّ تعطي حلاّ آخر. و العكس صحيح أيضا — دالتان لهما المشتقّة نفسها على مجال لا تختلفان إلاّ بثابت.

⛔ « على مجال » ليست عبارة تُهمل. المبرهنة تقول إنّ الثابت واحد على كلّ مجال؛ فإذا كانت مجموعة التعريف مقطوعة إلى مجالين، كان لكلّ مجال ثابته الخاصّ، و الحلول ليست هي نفسها هنا و هناك.

4. الشرط الابتدائي: اختيار حلّ واحد

العائلة اللانهائية لا تنفع في وضعية حقيقية: السيارة قطعت مسافة واحدة، لا مسافات. المعطى الذي يحسم يُسمّى الشرط الابتدائي، و هو قيمة الدالة عند نقطة واحدة:

الشرط الابتدائي

نكتب الحلّ العامّ، نعوّض بالنقطة المعلومة، فنستخرج c. حلّ وحيد يمرّ من النقطة المعطاة، و لهذا يقول الفيزيائي إنّ الشرط الابتدائي « يعيّن الحركة ».

y' = f(x) ; y(x₀) = y₀ ⟹ c = y₀ - F(x₀)

و التفسير بياني: منحنيات الحلول كلّها متطابقة، منقولة بعضها عن بعض عموديا. الشرط الابتدائي يعطي نقطة، و نقطة واحدة تكفي لاختيار منحنى واحد من المشط — كما في الرسم المقابل:

المعادلة التفاضلية وحدها تعطي المشط كلّه؛ الشرط الابتدائي — النقطة A — يسحب منه سنّا واحدة.
مثال 1: المسافة التي قطعتها السيارة

تسير سيارة بسرعة 90 كيلومترا في الساعة، ثمّ تتسارع بتسارع ثابت مدّة 5 ثوان حتّى تبلغ 135 كيلومترا في الساعة. نرمز بـ x إلى المسافة المقطوعة بالمتر و بـ v إلى السرعة بالمتر في الثانية.

🎯المطلوب: احسب المسافة المقطوعة خلال هذه الثواني الخمس.

🔹الخطوة 1: توحيد الوحدات

نحوّل السرعتين إلى المتر في الثانية قبل أيّ حساب: الكيلومتر في الساعة هو ألف متر على 3600 ثانية، أي القسمة على 3,6.

903,6 = 25 ; 1353,6 = 37,5
🔹الخطوة 2: التسارع

التسارع ثابت، فهو تغيّر السرعة على المدّة.

a=37,5 - 255=12,55=2,5
🔹الخطوة 3: من التسارع إلى السرعة

السرعة دالة مشتقّتها التسارع، و قيمتها الابتدائية 25.

v' = 2,5 ; v(0) = 25 ⟹ v(t) = 2,5 t + 25
🔹الخطوة 4: من السرعة إلى المسافة

و المسافة دالة مشتقّتها السرعة. نطبّق قاعدة القوى حدّا حدّا: الأسّ يزيد بواحد و نقسم على الأسّ الجديد.

x' = 2,5 t + 25 ⟹ x(t) = (2,52) t² + 25 t + c
🔹الخطوة 5: المعامل و الثابت

نحسب المعامل، ثمّ نستعمل الشرط الابتدائي: عند مبدأ الأزمنة لم تُقطع أيّ مسافة.

2,52 = 1,25 ; x(0) = 0 ⟹ c = 0
🔹الخطوة 6: التعويض

نعوّض بالثانية الخامسة.

5² = 25 ; x(5) = 1,25 × 25 + 25 × 5
🔹الخطوة 7: الحدّان

نحسب كلّ حدّ على حدة قبل أن نجمع.

1,25 × 25 = 31,25 ; 25 × 5 = 125
✅النّتيجة

نحسب الحدّين ثمّ نجمع.

31,25 + 125 = 156,25
⭐ لاحظ أنّنا صعدنا درجتين: من التسارع إلى السرعة، ثمّ من السرعة إلى المسافة. و في كلّ درجة ظهر ثابت، و في كلّ درجة حسمه شرط ابتدائي. هذه هي بنية كلّ تمرين حركة في الباكالوريا.
مثال 2: حلّ معادلة مع شرط

نعتبر المعادلة التفاضلية ⁦y' = 3x² - 2x + 5⁩.

🎯المطلوب: حلّ المعادلة التفاضلية، ثمّ عيّن الحلّ F الذي يحقّق ⁦F(1) = -2⁩.

🔹الخطوة 1: الحلّ العامّ

نبحث عن دالة مشتقّتها هي الطرف الأيمن، حدّا حدّا.

y=x³ - x² + 5x + c
🔹الخطوة 2: التحقّق

نتحقّق بالاشتقاق قبل المضيّ.

y' = 3x² - 2x + 5
🔹الخطوة 3: توظيف الشرط

نعوّض بالشرط المعطى في الحلّ العامّ.

F(1)=1 - 1 + 5 + c=5 + c
🔹الخطوة 4: استخراج الثابت

و هذا يساوي ناقص اثنين حسب المعطى.

5 + c = -2 ⟹ c = -7
✅النّتيجة

نُعيد كتابة الحلّ بالثابت المعيّن.

F(x)=x³ - x² + 5x - 7
⛔ لا تحذف الثابت c من السطر الأوّل لتضيفه في النهاية: إن نسيته مرّة واحدة ضاعت كلّ الحلول إلاّ واحدا. اكتبه دائما، حتّى قبل أن تعرف قيمته.
مثال 3: معادلة على مجال مقطوع

نعتبر المعادلة التفاضلية ⁦y' = 1/x²⁩.

🎯المطلوب: حلّ المعادلة التفاضلية، مع تحديد مجال كلّ حلّ.

🔹الخطوة 1: قراءة عكسية

نبحث عن دالة مشتقّتها مقلوب مربّع المتغيّر.

y = -1x + c
🔹الخطوة 2: التحقّق

نتحقّق: مشتقّة ناقص مقلوب x هي مقلوب مربّع x.

y' = 1x²
🔹الخطوة 3: مجموعة التعريف

المقام ينعدم عند الصفر، فالمجال مقطوع إلى قسمين.

x ∈ ]-∞ ; 0[ ∪ ]0 ; +∞[
✅النّتيجة

و لكلّ مجال ثابته الخاصّ: لا شيء يربط أحدهما بالآخر.

x > 0 ⟹ y = -1x + c₁ ; x < 0 ⟹ y = -1x + c₂
⭐ هذا هو الفخّ الذي يميّز التلميذ المتمكّن: المبرهنة تعطي ثابتا واحدا على مجال، لا على مجموعة التعريف كلّها. مجموعة تعريف مقطوعة تعني ثابتين مستقلّين تماما.
سؤال الباكالوريا يأتي دائما في جزأين: « حلّ المعادلة التفاضلية » ثمّ « عيّن الحلّ الذي يحقّق … ». الجزء الأوّل يُنقّط على وجود الثابت، و الجزء الثاني على الحساب الذي يعيّنه. ⛔ و اكتب دائما سطر التحقّق: « نتحقّق بالاشتقاق أنّ … » — إنّه مجّاني و يُنقّط.
الخلاصة: حلّ ⁦y′ = f(x)⁩ يعني الصعود من المشتقّة إلى الدالة. الجواب ليس دالة واحدة بل عائلة ⁦y = F(x) + c⁩، و الشرط الابتدائي هو الذي يختار منها واحدة. و ما دام المجال مقطوعا، كان لكلّ قطعة ثابتها.

الصفحة 1/8

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