الرياضيات🎓 هدف البكالوريا

المتتاليات العددية

توليد متتالية عددية و التمثيل البياني لمتتالية تراجعية

🔊 المعلّمة تقرأ لك
مؤسسة تعرض عليك عقدا: مرتّب أوّلي معلوم، و كلّ سنة يُحسب المرتّب الجديد من الذي قبله. تحسب سنة بسنة فتجد 0 ثمّ 3 ثمّ 1,5 ثمّ 2,25 ثمّ 1,875 (بآلاف الدنانير): الأرقام تقفز فوق قيمة و تحتها بالتناوب و تقترب منها، لكنّها لا تقول أيّ قيمة. فكيف تُولَّد متتالية عددية، و كيف نجعل الرسم يقول إلى أين تذهب قبل أن نبرهن؟

المتتالية العددية ليست شيئا جديدا: هي دالة، لكنّ مجموعة تعريفها ليست مجالا من الأعداد الحقيقية بل مجموعة الأعداد الطبيعية. و هذا الفرق وحده يغيّر كلّ شيء: لا نتحدّث عن الاستمرار و لا عن المماس، بل عن الحدّ الموالي.

🎓في نهاية هذا الدرس ستكون قادرا على:
  • التمييز بين التوليد بالحدّ العامّ و التوليد بالتراجع
  • الانتقال من متتالية تراجعية خطّية إلى حدّها العامّ بمتتالية مساعدة
  • بناء حدود متتالية تراجعية على محور الفواصل بالمنحنى و المنصّف
  • تخمين اتّجاه التغيّر و التقارب انطلاقا من الرسم، و تمييز التخمين من البرهان
🔑يفترض هذا الدرس أنّك تتقن:
  • مفهوم الدالة و صورة عدد بدالة، و التمثيل البياني لدالة
  • الحساب في مجموعة الأعداد الحقيقية و القوى

1. تعريف و ترميز

المتتالية العددية الحقيقية u هي دالة ترفق بكلّ عدد طبيعي n، أكبر من أو يساوي عدد طبيعي n₀ معطى، العدد ⁦u(n)⁩. نكتب uₙ بدل ⁦u(n)⁩، و نسمّي n رتبة الحدّ.

الترميز

⭐ الترميز بالدليل ليس تزيينا: ⁦⁦u(n)⁩⁩ يوحي بدالة متّصلة، و ⁦uₙ⁩ يقول إنّ الرتب معزولة. الكتابتان تصفان الشيء نفسه، لكنّ الثانية تذكّرك بالمجال.

un = u(n)
unالحدّ ذو الرتبة n من المتتاليةn0أصغر رتبة معرّفة، غالبا 0 أو 1
⛔ انتبه إلى الرتبة الأولى n₀. متتالية تبدأ من 0 و أخرى تبدأ من 1 ليستا واحدة: في مثال المرتّب، السنة الأولى هي u₁ لا u₀، فيصير الدستور مختلفا. اقرأ دائما من أين تبدأ.

2. التوليد بالحدّ العامّ

التوليد بالحدّ العامّ هو إعطاء uₙ بدلالة n مباشرة، بدستور صريح. عندئذ تحسب أيّ حدّ دون المرور بما قبله.

مثال على حدّ عامّ

الحدّ ذو الرتبة 100 يُحسب في سطر واحد: نعوّض n بمائة. لا حاجة إلى الحدود التسعة و التسعين الأولى.

un=3n + 2n + 1
⭐ متتالية معرّفة بحدّ عامّ من الصيغة ⁦⁦uₙ = f(n)⁩⁩ تُدرس بأدوات الدوال: اتّجاه تغيّر f يعطي اتّجاه تغيّر المتتالية، و نهاية f عند اللانهاية تعطي نهايتها. هذا هو أقوى جسر بين فصل الدوال و هذا الفصل.

3. التوليد بالتراجع

التوليد بالتراجع هو إعطاء الحدّ الأوّل، ثمّ علاقة تربط كلّ حدّ بالذي يسبقه. عندئذ لا يمكن بلوغ حدّ دون المرور بكلّ ما قبله.

متتالية تراجعية

لاحظ الفرق الجوهري: في الحدّ العامّ ندخل الرتبة في الدالة، و في التراجع ندخل الحدّ السابق. ⁦⁦f(n)⁩⁩ و ⁦⁦f(uₙ)⁩⁩ ليستا الشيء نفسه إطلاقا.

u0 ∈ ℝ ; un+1 = f(un)
fالدالة التي تولّد المتتالية
⛔ لا تخلط بين ⁦⁦uₙ = f(n)⁩⁩ و ⁦⁦u₍ₙ₊₁₎ = f(uₙ)⁩⁩. الأولى تُحسب في أيّ رتبة مباشرة، و الثانية تحتاج سلسلة كاملة. و الخطأ الشائع هو دراسة تغيّرات f لاستنتاج تغيّر متتالية تراجعية: هذا لا يصحّ — f هنا تأكل الحدّ لا الرتبة.

4. من التراجع إلى الحدّ العامّ

الحالة الأكثر ورودا في الباكالوريا هي المتتالية التراجعية الخطّية التي علاقتها من الصيغة ⁦uₙ₊₁ = a·uₙ + b⁩. الطريقة واحدة، و هي دائما نفسها: نبحث عن العدد الذي لا يغيّره التوليد، ثمّ نطرحه.

النقطة الثابتة

⭐ هذه هي الحركة كلّها: نطرح العلاقتين طرفا بطرف، فيختفي الثابت b.

α = a α + b ⟹ α = b1 − a
aمعامل العلاقة التراجعية، مع ⁦a ≠ 1⁩αالنقطة الثابتة، أي فاصلة تقاطع المنحنى مع المستقيم الأوّل المنصّف
المتتالية المساعدة

بالطرح: ⁦⁦u₍ₙ₊₁₎ − α = a uₙ + b − (aα + b) = a(uₙ − α)⁩⁩. فالمساعدة هندسية أساسها a، و منها نعود إلى uₙ بإضافة α.

vn = un − α ⟹ vn+1 = a vn
⭐ احفظ الحركة لا الدستور: أوجد النقطة الثابتة، اطرحها، فتصير المتتالية هندسية. في الامتحان يُعطى لك vₙ جاهزا في السؤال الأوّل — و من فهم من أين جاء أجاب في سطرين.

5. التمثيل البياني: أيّ رسم لأيّ توليد؟

لكلّ نمط من التوليد رسمه الخاصّ، و الخلط بينهما هو أوّل خطأ في هذا الدرس. متتالية معرّفة بـ ⁦uₙ = f(n)⁩ تُمثَّل بـ سحابة النقط ذات الإحداثيّات ⁦(n ; uₙ)⁩: المحور الأفقي يحمل الرتبة. أمّا المتتالية التراجعية فلا يصلح لها ذلك، لأنّ الحدود تُبنى بعضها من بعض.

نقط السحابة

النقط معزولة، لا نصلها بخطّ: المتتالية ليست دالة على مجال. صعود السحابة يعني متتالية متزايدة، و استواؤها نحو ارتفاع ثابت يعني التقارب نحوه.

Mn (n ; un)

6. بناء حدود متتالية تراجعية بالمنحنى و المنصّف

لمّا تكون المتتالية معرّفة بـ ⁦u₍ₙ₊₁₎ = f(uₙ)⁩، نرسم منحنى الدالة f و المستقيم الأوّل المنصّف ذا المعادلة ⁦y = x⁩، و نبني الحدود كلّها على محور الفواصل.

  1. ننطلق من u₀ على محور الفواصل، و نصعد عموديا إلى المنحنى: الارتفاع هو u₁
  2. ننتقل أفقيا إلى المنصّف: هناك يصير الارتفاع u₁ فاصلة
  3. نصعد عموديا من جديد إلى المنحنى: الارتفاع هو u₂
  4. و نكرّر — فتتولّد الحدود من تلقائها، درجة درجة
نصعد من الفاصلة إلى المنحنى، ثمّ ننتقل أفقيا إلى المنصّف ليصير الارتفاع فاصلة: هكذا تتولّد الحدود بعضها من بعض.
⭐ شكل البناء يقرأ إشارة الاشتقاق: إذا كانت f متزايدة فالحدود تتقدّم في اتّجاه واحد و يظهر درج؛ و إذا كانت متناقصة فهي تتناوب حول النقطة الثابتة و يظهر حلزون. هذه الملاحظة وحدها تعطيك اتّجاه التغيّر قبل أيّ حساب.

7. ما يُقرأ على الرسم، و ما لا يُقرأ

  • اتّجاه التغيّر: سحابة صاعدة أو درج يصعد ⟸ متزايدة
  • التقارب: النقط تستوي نحو ارتفاع ثابت، أو الدرج يقترب من نقطة التقاطع
  • النهاية المرشّحة: فاصلة تقاطع المنحنى مع المنصّف — لأنّ الحدّ الذي لا يتغيّر يحقّق ⁦f(x) = x⁩ بالضبط
🔹النهاية المرشّحة

⭐ إن تقاربت المتتالية نحو l و كانت f مستمرّة، فبالمرور إلى النهاية في ⁦⁦u₍ₙ₊₁₎ = f(uₙ)⁩⁩ نجد ⁦⁦l = f(l)⁩⁩. حلّ هذه المعادلة يعطي المرشّحين، لا أكثر.

l = f(l)
lالنهاية المحتملة، إن وُجدت
⛔ الرسم يخمّن، و لا يبرهن أبدا. ثلاثة أخطاء شائعة: ① الاعتقاد أنّ نقطة التقاطع نهاية بالضرورة — قد لا تتقارب المتتالية أصلا؛ ② الاعتقاد أنّ رسما لعشرة حدود يقرّر ما يحدث عند الرتبة الألف؛ ③ استنتاج اتّجاه تغيّر متتالية تراجعية من تغيّرات f — و هذا باطل، لأنّ f تأكل الحدّ لا الرتبة.
مثال 1: حساب حدود بالطريقين

نعتبر المتتالية ⁦(uₙ)⁩ المعرّفة على ℕ بالحدّ العامّ ⁦uₙ = (3n+2)/(n+1)⁩، و المتتالية ⁦(wₙ)⁩ المعرّفة على ℕ بـ ⁦w₀ = −5⁩ و ⁦w₍ₙ₊₁₎ = √(6 + wₙ)⁩.

🎯المطلوب: احسب الحدود الثلاثة الأولى لكلّ متتالية، ثمّ الحدّ ذا الرتبة العاشرة من ⁦(uₙ)⁩، و بيّن لماذا لا يمكن فعل الشيء نفسه مع ⁦(wₙ)⁩.

🔹الخطوة 1: بالحدّ العامّ

في الحالة الأولى نعوّض الرتبة مباشرة في الدستور.

u0 = 21 = 2 ; u1 = 52 ; u2 = 83
🔹الخطوة 2: قفزة مباشرة

و للرتبة العاشرة نعوّض دون المرور بما قبلها.

u10=30 + 211=3211
🔹الخطوة 3: بالتراجع، الحدّ الأوّل

في الحالة الثانية نبدأ من الحدّ الأوّل المعطى.

w0 = −5
🔹الخطوة 4: الحدود الموالية

ثمّ نطبّق العلاقة حدّا بحدّ.

w1 = √(6 − 5) = √1 = 1 ; w2 = √(6 + 1) = √7 ≈ 2,6458
🔹الخطوة 5: التتابع

و نواصل: كلّ حدّ يحتاج الذي قبله.

w3 = √(6 + 2,6458) ≈ 2,9404 ; w4 = √(6 + 2,9404) ≈ 2,9900
✅النّتيجة

فبلوغ الرتبة العاشرة هنا يستلزم عشر عمليات، لا واحدة.

u10 = 3211 ; w10 ⟸ w0 , w1 , ... , w9
⭐ الفرق ليس في الصعوبة بل في الطبيعة. الحدّ العامّ يعطي نفاذا مباشرا إلى أيّ رتبة؛ التراجع يعطي سيرورة. و لهذا يُطلب في التمارين «عيّن الحدّ العامّ» لمتتالية تراجعية: لتصير القفزة ممكنة.
مثال 2: من التراجع إلى الحدّ العامّ

نعتبر المتتالية ⁦(uₙ)⁩ المعرّفة على ℕ بـ ⁦u₀ = 2⁩ و ⁦u₍ₙ₊₁₎ = (1/3)uₙ + 2⁩.

🎯المطلوب: عيّن متتالية مساعدة هندسية، ثمّ استنتج الحدّ العامّ لـ ⁦(uₙ)⁩ بدلالة n.

🔹الخطوة 1: النقطة الثابتة

نبحث أوّلا عن النقطة الثابتة: العدد الذي لا يغيّره التوليد.

α = (13)α + 2 ⟹ (23)α = 2 ⟹ α = 3
🔹الخطوة 2: المساعدة

نضع المتتالية المساعدة بطرح هذه النقطة.

vn = un − 3
🔹الخطوة 3: طبيعة المساعدة

نحسب حدّها الموالي بتعويض علاقة التراجع.

vn+1=un+1 − 3=(13)un + 2 − 3=(13)(un − 3)
🔹الخطوة 4: الحدّ الأوّل

فهي هندسية أساسها الثلث، و حدّها الأوّل هو الفرق عند الرتبة صفر.

vn+1 = (13)vn ; v0 = 2 − 3 = −1
🔹الخطوة 5: حدّ المساعدة

نكتب حدّها العامّ بدستور المتتالية الهندسية.

vn=v0 × (13)n=−(13)n
✅النّتيجة

و نعود إلى المتتالية الأصلية بإضافة النقطة الثابتة.

un=vn + 3=3 − (13)n
⭐ تحقّق دائما بالحدّ الأوّل: الدستور يعطي ⁦u₀ = 3 − 1 = 2⁩، و هو المعطى بالضبط. تحقّق يكلّف سطرا و يكشف كلّ خطأ في α.
مثال 3: بناء في درج

نعتبر المتتالية ⁦(uₙ)⁩ المعرّفة على ℕ بـ ⁦u₀ = −5⁩ و ⁦u₍ₙ₊₁₎ = √(6 + uₙ)⁩، و هي متتالية ⁦(wₙ)⁩ نفسها التي حسبنا حدودها في المثال الأوّل.

🎯المطلوب: عيّن مجموعة تعريف الدالة المولّدة و نقطتها الثابتة، أنشئ الحدود الأربعة الأولى بيانيا، ثمّ ضع تخمينا حول اتّجاه التغيّر و التقارب.

🔹الخطوة 1: الدالة المولّدة

الدالة المولّدة جذرية، معرّفة و متزايدة على مجال يبدأ من ناقص ستّة.

f(x) = √(x + 6) ; Df = [−6 ; +∞[
🔹الخطوة 2: النقطة الثابتة

النقطة الثابتة تحلّ معادلة من الدرجة الثانية بعد التربيع.

x + 6 = x² ⟹ x² − x − 6 = 0 ⟹ x = 3 ; x = −2
🔹الخطوة 3: الفرز

نحتفظ بالجذر الموجب وحده، لأنّ الجذر التربيعي موجب دائما.

α = 3
🔹الخطوة 4: الحدود

نحسب الحدود الأولى.

u0 = −5 ; u1 = √1 = 1 ; u2 = √7 ≈ 2,6458 ; u3 = √(6 + 2,6458) ≈ 2,9404
🔹الخطوة 5: قراءة الرسم

الدالة متزايدة، فالبناء درج يصعد و لا يتناوب.

u0 < u1 < u2 < u3 < 3
✅النّتيجة

فالتخمين: متزايدة، محدودة من الأعلى بثلاثة، و تتقارب نحوها.

lim un = 3
⭐ انتبه إلى الفرز في الخطوة 3. التربيع يضيف جذرا دخيلا: ⁦−2⁩ يحقّق المعادلة المربّعة لكنّه لا يحقّق الأصلية لأنّ الجذر التربيعي لا يكون سالبا. كلّ تربيع يستوجب فرزا.
مثال 4: بناء في حلزون

نعود إلى مثال المرتّب في مطلع الدرس: المتتالية ⁦(uₙ)⁩ المعرّفة على ℕ بـ ⁦u₀ = 0⁩ و ⁦u₍ₙ₊₁₎ = −(1/2)uₙ + 3⁩.

🎯المطلوب: أنشئ الحدود الأربعة الأولى بيانيا، ضع تخمينا حول التقارب، ثمّ برهن عليه.

🔹الخطوة 1: الدالة المولّدة

الدالة المولّدة تآلفية متناقصة، فنرسمها مع المنصّف.

f(x)=−x2 + 3
🔹الخطوة 2: النقطة الثابتة

نحسب فاصلة التقاطع بحلّ المعادلة التي تقول إنّ الحدّ لا يتغيّر.

−α2 + 3 = α ⟹ 3 = (32)α ⟹ α = 2
🔹الخطوة 3: الحدود الأولى

نبني الحدود على محور الفواصل انطلاقا من الصفر.

u0 = 0 ; u1 = −(12)(0) + 3 = 3 ; u2 = −32 + 3 = 32 ; u3 = −34 + 3 = 94
🔹الخطوة 4: التخمين

نلاحظ أنّها تتناوب حول 2: واحدة تحته و التي تليها فوقه.

u0 < 2 < u1 ; u2 < 2 < u3
🔹الخطوة 5: تبرير التخمين

و المسافة إلى 2 تُقسم على اثنين في كلّ خطوة، لأنّ المعامل ناقص نصف.

un+1 − 2=−(12)un + 3 − 2=−(12)(un − 2)
✅النّتيجة

فالفرق متتالية هندسية أساسها ناقص نصف، و قيمته المطلقة أصغر من واحد.

un − 2 = (−12)n (u0 − 2) = −2(−12)n ⟹ lim un = 2
⭐ التناوب ليس عيبا في المتتالية بل توقيع الإشارة السالبة. كلّ متتالية تراجعية خطّية بمعامل سالب تلتفّ حول نقطتها الثابتة. و إذا كانت القيمة المطلقة للمعامل أصغر من واحد، فالالتفاف يضيق و تتقارب — و هذا جواب سؤال المطلع: المرتّب يستقرّ عند ألفي دينار.
⛔ في الباكالوريا يأتي السؤالان معا و بهذا الترتيب: «أنشئ u₀، u₁، u₂ على محور الفواصل» ثمّ «خمّن»، ثمّ «نضع ⁦vₙ = uₙ − 2⁩، أثبت أنّها هندسية». الأوّل يُنقّط كتخمين و يُرفض كبرهان، و الثاني يعطيك α جاهزا — فلا تضيّع الوقت في البحث عنه: اكتب ⁦v₍ₙ₊₁₎⁩، عوّض علاقة التراجع، و أخرج العامل. ثلاثة أسطر تكفي.
الخلاصة: المتتالية دالة على الرتب، تُولَّد إمّا بحدّ عامّ يعطي أيّ رتبة مباشرة، و إمّا بالتراجع الذي يعطي سيرورة. الأولى تُرسم سحابة نقط، و الثانية تُبنى بالمنحنى و المنصّف فتعطي درجا إن كانت الدالة متزايدة و حلزونا إن كانت متناقصة. و الجسر بين التوليدين، في الحالة الخطّية، هو النقطة الثابتة: نطرحها فتصير المتتالية هندسية — و هي نفسها فاصلة التقاطع التي يقرأها الرسم.

الصفحة 1/12

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