الرياضيات🎓 هدف البكالوريا

التزايد المقارن ودراسة الدوال

دراسة دوال كثيرات حدود، ناطقة، صماء، مثلثية و دوال القوى

🔊 المعلّمة تقرأ لك
مساحة جلد حيوان تُحسب من وزنه بعلاقة ترفع الوزن إلى قوّة أسّها 0,64، و عدد العائلات ذات المدخول r يخضع لقانون باريتو الذي يقسم ثابتا على قوّة من r. في الحالتين ليس الأسّ عددا صحيحا، و ليست الدالة كثير حدود و لا ناطقة: إنّها دالة قوّة. فكيف ندرس دالة أسّها ثابت و أساسها متغيّر، و كيف نميّزها عن الدالة الأسّية؟

ثلاث عائلات في هذا الدرس، و الخلط بينها هو الخطأ الأوّل: في ax الأساس ثابت، في xn الأسّ طبيعي، و في الدالة القوّة الأسّ عدد حقيقي أيّ. نبدأ بالأولى.

🎓في نهاية هذا الدرس ستكون قادرا على:
  • دراسة اتّجاه تغيّر الدالة الأسّية ذات الأساس a حسب موضع a من العدد 1
  • تعيين نهايات الدالة الأسّية ذات الأساس a عند حدود مجموعة التعريف
  • اشتقاق الدالة الجذر النوني و الدالة القوّة و دراسة تغيّراتهما
  • توظيف دالة قوّة في نمذجة وضعية و حلّ مشكلة
🔑يفترض هذا الدرس أنّك تتقن:
  • تعريف قوّة عدد موجب تماما بأسّ حقيقي
  • اشتقاق دالة مركّبة، و اتّجاه تغيّر مركّب دالتين

1. الدالة الأسّية ذات الأساس a

نضع، من أجل a موجبا تماما و مخالفا للعدد 1، الدالة المعرّفة على ℝ بـ ax. و لأنّها مركّب دالة تآلفية متبوعة بالأسّية، فهي قابلة للاشتقاق على ℝ:

المشتقّة

العامل ln a هو مشتقّة الدالة الداخليّة x ln a. و بما أنّ ax موجب دائما، فإشارة المشتقّة هي إشارة ln a وحده.

f(x) = ax = exp(x × ln a) ⟹ f'(x) = (ln a) × ax
اتّجاه التغيّر

موضع الأساس a من العدد 1 يقرّر كلّ شيء. و إذا كان ⁦a = 1⁩ فالدالة ثابتة تساوي 1، و لهذا استُبعدت هذه الحالة.

0 < a < 1 ⟹ ln a < 0 ⟹ f ↘ ; a > 1 ⟹ ln a > 0 ⟹ f ↗
النهايات إذا كان ⁦a > 1⁩

لأنّ x ln a يؤول إلى -∞ ثمّ إلى +∞، و نركّب مع نهايتي الدالة الأسّية النيبيرية.

lim(x → -∞) ax = 0 ; lim(x → +∞) ax = +∞
النهايات إذا كان ⁦0 < a < 1⁩

نفس الحساب، لكنّ ln a سالب فينقلب اتّجاه النهاية الداخليّة. المحور الأفقي مستقيم مقارب في الحالتين، لكن على طرفين متعاكسين.

lim(x → -∞) ax = +∞ ; lim(x → +∞) ax = 0

و كلّ المنحنيات تمرّ بنقطة واحدة مشتركة: صورة الصفر هي 1 دائما؛ أمّا صورة 1 فهي a، و تتغيّر من منحنى إلى آخر. الرسم المقابل يجمع الحالتين مع جدولَي التغيّرات:

المنحنيان يتقاطعان في النقطة ذات الفاصلة صفر و الترتيب واحد، و يتناظران بالنسبة إلى محور التراتيب لأنّ الأساسين مقلوبان.
مثال 1: تناظر منحنيَي دالّتين أسّيتين

نعتبر الدالتين f و g المعرّفتين على ℝ بـ ⁦f(x) = 4x⁩ و ⁦g(x) = (0,25)x⁩، و منحنييهما ⁦(C₁)⁩ و ⁦(C₂)⁩ على الترتيب، في معلم متعامد و متجانس.

🎯المطلوب: بيّن أنّ المنحنيين متناظران بالنسبة إلى محور التراتيب.

🔹الخطوة 1: صورة العدد المعاكس

نحسب صورة العدد المعاكس بالدالة g، انطلاقا من التعريف.

g(-a)=(0,25)⁻a=exp(-a × ln 0,25)
🔹الخطوة 2: تبسيط اللوغاريتم

و 0,25 هو مقلوب 4، فلوغاريتمه هو معاكس لوغاريتم 4.

ln 0,25 = -ln 4
🔹الخطوة 3: العودة إلى الأساس 4

فيصير الأسّ موجبا، و نعود إلى التعريف في الاتّجاه المعاكس.

g(-a)=exp(a × ln 4)=4a
✅النّتيجة

و 4a ليس إلاّ صورة a بالدالة f: صورة العدد المعاكس بالدالة g تساوي صورة العدد نفسه بالدالة f، و هذا هو التناظر بالنسبة إلى محور التراتيب بعينه.

g(-a) = f(a)
لإثبات التناظر بالنسبة إلى محور التراتيب يكفي إثبات إحدى العلاقتين ⁦g(-x) = f(x)⁩ أو ⁦f(-x) = g(x)⁩ من أجل كلّ x. و هنا السبب عميق: الأساسان مقلوبان أحدهما للآخر، و قلب الأساس يقابل تعاكس الأسّ.

2. الدالة الجذر النوني

نضع، من أجل n طبيعي غير معدوم، الدالة المعرّفة على المجال ⁦[0 ; +∞[⁩ بالجذر النوني للعدد x. كتابتها بأسّ ناطق تجعل اشتقاقها آليّا:

المشتقّة و التغيّر

نفس قاعدة اشتقاق دوال القوى ذات الأسّ الصحيح، حرفا بحرف. و المشتقّة موجبة تماما على ⁦]0 ; +∞[⁩، فالدالة متزايدة تماما.

g(x) = x1n ⟹ g'(x) = (1n) × x1n - 1 > 0
🔹النهاية

لأنّ الجذر النوني يساوي ⁦exp((1/n) ln x)⁩، و اللوغاريتم يؤول إلى +∞ فتؤول الأسّية إلى +∞ بدورها — و لو ببطء شديد، كما رأيت في التزايد المقارن.

lim(x → +∞) n√x = +∞
⛔ الدالة الجذر النوني غير قابلة للاشتقاق عند الصفر: المشتقّة تنفجر هناك، و المنحنى يقبل عند المبدأ مماسا عموديا على محور الفواصل. لا تكتب أبدا قيمة للمشتقّة عند الصفر.

و منحناها متناظر مع منحنى الدالة xn بالنسبة إلى المستقيم ذي المعادلة ⁦y = x⁩، لأنّ كلّ واحدة تعكس الأخرى — كما يُقرأ على الرسم المقابل:

المستقيم المنقّط هو محور التناظر. عند المبدأ يكون مماس الجذر التكعيبي عموديا: و هذا هو معنى عدم قابلية الاشتقاق عند الصفر.

3. الدالة القوّة ذات الأسّ الحقيقي

و أخيرا العائلة الأعمّ: الأسّ عدد حقيقي أيّ، يُرمز إليه بـ α، و الدالة معرّفة على المجال ⁦]0 ; +∞[⁩.

التعريف و المشتقّة

القاعدة المألوفة تبقى كما هي: ينزل الأسّ معاملا، و ينقص بواحد. الاشتقاق لا يفرّق بين أسّ صحيح و أسّ حقيقي.

f(x) = xα = exp(α × ln x) ⟹ f'(x) = α × xα-1
اتّجاه التغيّر

لأنّ القوّة الظاهرة في المشتقّة موجبة دائما على المجال ⁦]0 ; +∞[⁩، فإشارة المشتقّة هي إشارة الأسّ α وحده. و ⁦α = 0⁩ يعطي الدالة الثابتة 1، و ⁦α = 1⁩ يعطي الدالة x.

α > 0 ⟹ f ↗ ; α < 0 ⟹ f ↘
النهايات إذا كان ⁦α > 0⁩

و إذا كان α سالبا انقلبت النهايتان: الدالة تؤول إلى +∞ عند الصفر و إلى الصفر عند +∞، فيكون لمنحناها مستقيمان مقاربان هما المحوران.

lim(x → 0) xα = 0 ; lim(x → +∞) xα = +∞
مثال 2: دراسة دالة قوّة و توظيفها

تربط علاقة تجريبية مساحة جلد حيوان A بالسنتيمتر المربّع بوزنه p بالغرام: المساحة تساوي جداء 9,85 في الوزن مرفوعا إلى الأسّ 0,64، من أجل p موجب تماما.

🎯المطلوب: أدرس اتّجاه تغيّر الدالة A، ثمّ عبّر عن ln A بدلالة ln p و فسّر النتيجة.

🔹الخطوة 1: المشتقّة

نطبّق قاعدة اشتقاق دالة القوّة: ينزل الأسّ و ينقص بواحد.

A'(p)=9,85 × 0,64 × p0,64-1
🔹الخطوة 2: تبسيط

نحسب المعامل، ثمّ الأسّ.

9,85 × 0,64 = 6,304 ; A'(p) = 6,304 × p-0,36
🔹الخطوة 3: الإشارة

الأسّ سالب لكنّ القوّة تبقى موجبة على المجال، و المعامل موجب.

p > 0 ⟹ A'(p) > 0 ⟹ A ↗
🔹الخطوة 4: التحويل اللوغاريتمي

نأخذ اللوغاريتم النيبيري للطرفين، فينزل الأسّ معاملا.

ln A = ln 9,85 + 0,64 × ln p
✅النّتيجة

و هذه علاقة تآلفية بين ln p و ln A: المنحنى يصير مستقيما.

Y = 0,64 × X + ln 9,85 ; X = ln p ; Y = ln A
⭐ هذه هي الحيلة الكبرى لدوال القوّة: أخذ اللوغاريتم يحوّل دالة قوّة إلى دالة تآلفية. و لهذا يرسم الفيزيائيّون و البيولوجيّون بياناتهم في « سلّم لوغاريتمي »: إن ظهرت النقط على استقامة واحدة فالقانون قانون قوّة، و ميل المستقيم هو الأسّ.
مثال 3: نمذجة و مستقيم مقارب

نعتبر الدالة f المعرّفة على ⁦[0 ; +∞[⁩ بـ ⁦f(x) = (x - 1)exp(-x/3) + 3⁩، و ⁦(C)⁩ منحناها. تنمذج هذه الدالة مبلغ فاتورة الهاتف السنوية لثانوية، مقدّرا بعشرات الآلاف من الدنانير، حيث x رتبة السنة.

🎯المطلوب: أدرس نهاية الدالة f عند +∞، ثمّ حدّد وضعية المنحنى بالنسبة إلى مستقيمه المقارب.

🔹الخطوة 1: تغيير المتغيّر

الأسّ سالب، فنضع X معاكسا له حتّى نعود إلى الصيغة الشهيرة عند -∞.

X = -x3 ⟹ x = -3X ; x → +∞ ⟹ X → -∞
🔹الخطوة 2: نهاية الحدّ الأوّل

العبارة تصير كثير حدود في X مضروبا في e أسّ X، و هي الصيغة المحفوظة.

(x - 1)exp(-x3) = (-3X - 1)eX ⟹ lim(x → +∞) (x - 1)exp(-x3) = 0
🔹الخطوة 3: المستقيم المقارب

و منه نهاية الدالة كلّها، فيظهر مستقيم مقارب أفقي.

lim(x → +∞) f(x) = 3
🔹الخطوة 4: الفرق

نحسب الفرق بين الدالة و المستقيم لتحديد الوضعية.

f(x) - 3=(x - 1)exp(-x3)
✅النّتيجة

الأسّية موجبة دائما، فإشارة الفرق هي إشارة x ناقص 1: المنحنى فوق مقاربه بعد السنة الأولى، و تحته قبلها.

x > 1 ⟹ f(x) - 3 > 0 ; 0 ≤ x < 1 ⟹ f(x) - 3 < 0
المستقيم المقارب هنا ليس تفصيلا رياضياتيا: إنّه الجواب على سؤال الوضعية. المبلغ يستقرّ حول 3 عشرات آلاف دينار، أي 30 000 دينار، و يبقى فوقها بعد السنة الأولى، مقتربا منها. قراءة النهاية هي قراءة المستقبل الذي يتنبّأ به النموذج.
سؤال الباكالوريا في هذا الدرس يأخذ دائما الشكل نفسه: دالة فيها أسّية أو قوّة، ثمّ « أدرس اتّجاه التغيّر »، ثمّ « عيّن المستقيمات المقاربة »، ثمّ « أرسم ». ⛔ و التنقيط يضيع غالبا في سطر واحد: إشارة المشتقّة. اكتب صراحة أنّ الأسّية موجبة دائما، فتبقى إشارة المشتقّة هي إشارة العامل الآخر وحده.
الخلاصة: ثلاث عائلات و قاعدة واحدة لكلّ منها. في ax الإشارة إشارة ln a، في الجذر النوني الدالة متزايدة دائما و غير قابلة للاشتقاق عند الصفر، و في الدالة القوّة الإشارة إشارة الأسّ α. و في النمذجة، اللوغاريتم يحوّل قانون القوّة إلى مستقيم.

الصفحة 1/7

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