الرياضيات🎓 هدف البكالوريا

الدوال الأصلية المعادلات التفاضلية

حل معادلات تفاضلية من الشكل ⁦y″ = f(x)⁩

🔊 المعلّمة تقرأ لك
علّق كتلة في نابض، أزحها قليلا ثمّ اتركها. القوّة التي تعيدها تتناسب مع إزاحتها، و في الاتّجاه المعاكس. و بما أنّ القوّة تتناسب مع التسارع، أي مع المشتقّة الثانية للموضع، تصير الحركة كلّها مكتوبة في سطر واحد: مشتقّة ثانية تساوي معاكس الدالة، مضروبا في ثابت. فكيف نحلّ معادلة تظهر فيها المشتقّة الثانية، و كم ثابتا يحمل جوابها؟

المبدأ هو نفسه، مطبّقا مرّتين. نصعد من ⁦y″⁩ إلى ⁦y′⁩، ثمّ من ⁦y′⁩ إلى y. و في كلّ صعود يظهر ثابت، فيحمل الجواب ثابتين لا واحدا.

🎓في نهاية هذا الدرس ستكون قادرا على:
  • حلّ معادلة تفاضلية من الشكل ⁦y″ = f(x)⁩ بصعودين متتاليين
  • ذكر حلول المعادلة التفاضلية ⁦y″ = -ω²y⁩
  • تعيين الحلّ الوحيد الذي يحقّق شرطين
  • ربط المعادلة التفاضلية بالحركة الاهتزازية
🔑يفترض هذا الدرس أنّك تتقن:
  • حلّ معادلة تفاضلية من الشكل ⁦y′ = f(x)⁩
  • اشتقاق الدالتين cos و sin و الدوال المركّبة معهما

1. المعادلة ⁦y″ = f(x)⁩

مبرهنة

⚠️ لاحظ أنّ ثابت الصعود الأوّل يظهر مضروبا في x، لا وحده: لأنّه أُدمج في الصعود الثاني، و دالة أصلية للثابت c₁ هي c₁ x.

y'' = f(x) ⟺ y = G(x) + c₁ x + c₂
Fدالة أصلية للدالة f على المجالGدالة أصلية للدالة F على المجال نفسهc₁ثابت الصعود الأوّلc₂ثابت الصعود الثاني

و البرهان يُكتب في سطرين، و هو نموذج لما يُنتظر في الباكالوريا:

مثال 1: برهان المبرهنة

لتكن f دالة مستمرّة على مجال I، و F دالة أصلية لها على I، و G دالة أصلية للدالة F.

🎯المطلوب: بيّن أنّ حلول المعادلة التفاضلية ⁦y″ = f(x)⁩ هي الدوال ⁦y = G(x) + c₁ x + c₂⁩.

🔹الخطوة 1: إعادة الكتابة

المشتقّة الثانية هي مشتقّة المشتقّة الأولى.

y'' = f(x) ⟺ (y')' = f(x)
🔹الخطوة 2: الصعود الأوّل

فالمشتقّة الأولى دالة أصلية للدالة f: صعود أوّل، ثابت أوّل.

y' = F(x) + c₁
🔹الخطوة 3: مشروعية الصعود الثاني

قبل الصعود الثاني نتأكّد أنّه مشروع: F قابلة للاشتقاق، إذن مستمرّة، إذن تقبل دوالا أصلية. الدالة G موجودة فعلا.

F' = f ⟹ ∃ G ; G' = F
✅النّتيجة

نصعد إذن مرّة ثانية: دالة أصلية للطرف الأيمن، و دالة أصلية للثابت c₁ هي c₁ x.

y = G(x) + c₁ x + c₂
الخطوة الأخيرة ليست شكليّة: الصعود الثاني يحتاج أن تكون F مستمرّة، و استمراريتها تأتي من كونها قابلة للاشتقاق. من يقفز فوق هذا السطر يبني على فرضية لم يتحقّق منها.

2. المعادلة ⁦y″ = −ω²y⁩ — معادلة الاهتزاز

هذه المعادلة مختلفة عن السابقة اختلافا جذريا: الطرف الأيمن لا يحتوي x، بل الدالة المجهولة نفسها. لا نستطيع الصعود مباشرة، و الجواب ليس كثير حدود بل دالة دورية:

مبرهنة ( دون برهان )

ثابتان هنا أيضا، لأنّ الرتبة اثنان. و يمكنك التحقّق بنفسك: اشتقّ الطرف الأيمن مرّتين، فتجد ناقص مربّع ω مضروبا في العبارة نفسها.

y'' = -ω²y ⟺ y = c₁ cos(ω x) + c₂ sin(ω x)
ωعدد حقيقي غير معدوم، يُسمّى النبضc₁ثابت حقيقيc₂ثابت حقيقي
مثال

هنا مربّع ω يساوي 2 إذن ω يساوي جذر اثنين. ⛔ انتبه: ما يظهر في المعادلة هو مربّع النبض، فلا تكتب جذر اثنين مكان اثنين.

y'' = -2y ⟺ y = c₁ cos(x√2) + c₂ sin(x√2)

و منحنى الحلّ جيبي: نفس الشكل مهما كان الثابتان، و هما لا يغيّران سوى السعة و الطور — أي ارتفاع الموجة و موضع انطلاقها، كما يُقرأ على الرسم المقابل:

مهما كان الثابتان، يبقى الدور هو نفسه: هو وحده ما تفرضه المعادلة، و الباقي تفرضه الشروط الابتدائية.
مثال 2: صعودان مع دالة مثلّثية

نعتبر المعادلة التفاضلية ⁦y″ = 2cos(2x + π/4)⁩.

🎯المطلوب: حلّ المعادلة التفاضلية.

🔹الخطوة 1: الصعود الأوّل

نصعد أوّلا: دالة أصلية لضِعف جيب التمام هي الجيب نفسه، لأنّ المعامل الداخلي 2 يبسّط الضِعف.

y'=sin(2x + π4) + c₁
🔹الخطوة 2: الصعود الثاني

نصعد ثانية: دالة أصلية للجيب هي ناقص جيب التمام، على المعامل الداخلي.

-cos(2x + π4)2
🔹الخطوة 3: الثابت الأوّل

و دالة أصلية للثابت c₁ هي c₁ مضروبا في x.

c₁ ⟹ c₁ x
✅النّتيجة

نجمع القطعتين و نضيف ثابت الصعود الثاني.

y=-cos(2x + π4)2 + c₁ x + c₂
⛔ المعامل الداخلي 2 يظهر مقسوما في كلّ صعود، لا مضروبا. تحقّق دائما باشتقاق جوابك: إن وجدت 4 مكان 1 فقد ضربت حيث كان يجب أن تقسم.
مثال 3: شرطان يعيّنان الحلّ

نعتبر المعادلة التفاضلية ⁦y″ + π²y = 0⁩.

🎯المطلوب: حلّ المعادلة التفاضلية، ثمّ عيّن الحلّ F الذي يحقّق الشرطين ⁦F(1/2) = 2/3⁩ و ⁦F′(2/3) = 0⁩.

🔹الخطوة 1: الصيغة

ننقل الحدّ الثاني لنتعرّف على صيغة الاهتزاز.

y'' + π²y = 0 ⟺ y'' = -π²y
🔹الخطوة 2: الحلّ العامّ

مربّع النبض هو مربّع π، فالنبض هو π.

F(x) = c₁ cos(π x) + c₂ sin(π x)
🔹الخطوة 3: الشرط الأوّل

عند نصف الواحد ينعدم جيب التمام و يساوي الجيب واحدا.

cos(π2) = 0 ; sin(π2) = 1 ⟹ c₂ = 23
🔹الخطوة 4: المشتقّة

نشتقّ ثمّ نعوّض بثلثين: هذا هو الشرط الثاني.

F'(x) = -π c₁ sin(π x) + π c₂ cos(π x)
🔹الخطوة 5: الشرط الثاني

نعوّض القيمتين المثلّثيتين عند ثلثي π.

sin(2π3) = √32 ; cos(2π3) = -12
🔹الخطوة 6: النظمة

فتصير المعادلة الثانية علاقة بين الثابتين.

-c₁ √32 - c₂2 = 0 ⟹ c₁ = -c₂√3
✅النّتيجة

نعوّض بقيمة الثابت الثاني المعروفة.

c₁ = -23√3 ; F(x) = -2cos(π x)3√3 + 2sin(π x)3
⭐ ثابتان ⟸ شرطان. و الشرطان لا يكونان دائما من النوع نفسه: هنا واحد على الدالة و الآخر على مشتقّتها — و هذا هو الحال في الفيزياء تماما، حيث يُعطى الموضع الابتدائي و السرعة الابتدائية.
⛔ الخطأ الذي يكلّف أكثر من نصف التمرين: الاكتفاء بثابت واحد. رتبة المعادلة هي عدد الثوابت، لا استثناء. و اكتب دائما، قبل الحلّ، سطرا يقول « المعادلة من الرتبة الثانية إذن يحمل الحلّ ثابتين » — إنّه يوجّه بقيّة إجابتك و يُنقّط.
الخلاصة: ⁦y″ = f(x)⁩ تُحلّ بصعودين، فيظهر ⁦c₁ x + c₂⁩. و ⁦y″ = -ω²y⁩ ليست من العائلة نفسها: حلّها جيبي، ⁦c₁ cos(ω x) + c₂ sin(ω x)⁩. و في الحالتين، الرتبة اثنان فالثوابت اثنان، و يلزم شرطان لتعيين الحلّ.

الصفحة 1/6

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