الرياضيات🎓 هدف البكالوريا

المتتاليات العددية

حل مشكلات توظف فيها المتتاليات و البرهان بالتراجع

🔊 المعلّمة تقرأ لك
العدد e لا يُكتب بكسر و لا بجذر: فكيف عُرِّف أصلا؟ و لوغاريتم اثنين، من أين جاءت أرقامه العشرية؟ الجواب واحد في الحالتين: بمتتاليتين متجاورتين تحاصرانه، و بحصر يضيق حتّى تبلغ الدقّة التي تريد. فكيف تُوظَّف المتتاليات لتعريف عدد لا نعرف كتابته؟

هذه الحصّة ليست درسا جديدا: هي منهجية. كلّ أدواتها رأيتها، و الجديد هو تركيبها في تمرين واحد طويل — و هو بالضبط ما يقيسه الامتحان.

🎓في نهاية هذا الدرس ستكون قادرا على:
  • تحرير حلّ كامل لتمرين يجمع التراجع و التجاور
  • حصر عدد غير معلوم بمتتاليتين و التحكّم في دقّة الحصر
  • الانتقال إلى النهاية في علاقة تراجعية لتعيين النهاية
  • توظيف كمّية ثابتة لتعيين نهاية متتاليتين مقرونتين
🔑يفترض هذا الدرس أنّك تتقن:
  • الاستدلال بالتراجع و المتتاليات المتجاورتان
  • المتتاليات الهندسية و نهاياتها

1. المنهجية في أربع خطوات

  1. احسب الحدود الأولى: عددان أو ثلاثة يعطون الاتّجاه و ينبّهون إلى خطأ في القراءة
  2. ابحث عن الكمّية التي تنجو: متتالية مساعدة هندسية، أو مجموع موزون ثابت، أو فرق يتقلّص — التمرين يهديك إليها في سؤاله الأوّل
  3. أثبت ما يُطلب في الترتيب المعطى: كلّ سؤال يستعمل الذي قبله، و القفز يُسقط ما بعده
  4. عيّن النهاية بالمرور إلى الحدّ: في علاقة تراجعية أو في كمّية ثابتة
المرور إلى النهاية

⭐ بشرط أن تكون f مستمرّة و أن نكون قد أثبتنا التقارب أوّلا. هذه العلاقة تعطي مرشّحين للنهاية، و الفرز بينهم يتمّ بشروط أخرى (الإشارة، الحصر).

lim un+1 = lim un = l ⟹ l = f(l)
الكمّية الثابتة

إن تقاربت المتتاليتان نحو النهاية نفسها l، و كان مقدار موزون منهما ثابتا، فالمرور إلى النهاية يعطي l في سطر واحد. هذا هو مفتاح التمارين المقرونة.

a un + b vn = c ⟹ (a + b) l = c

2. الحصر و الدقّة

حصر عدد l بين متتاليتين يعطي أكثر من وجوده: يعطي قيمة مقرّبة مضبوطة الخطأ.

قيمة مقرّبة

⭐ للحصول على دقّة مطلوبة، حلّ متراجحة في سعة الحصر، لا في الفرق الحقيقي الذي لا تعرفه. الحصر يعطي ضمانا؛ الخطأ الفعلي قد يكون أصغر بكثير.

un ≤ l ≤ un + εn ⟹ 0 ≤ l − un ≤ εn
εnسعة الحصر عند الرتبة n
⭐ سعة الحصر تقول سرعة التقارب. سعة من الصيغة ⁦⁦1/(2n)⁩⁩ تحتاج آلاف الرتب لبلوغ أربعة أرقام عشرية؛ و سعة يتضاعف أسّ مقامها في كلّ خطوة تبلغ مائة رقم في سبع خطوات. قارن دائما السعتين قبل أن تحكم على طريقة.
مثال 1: متتاليتان مقرونتان

نعتبر المتتاليتين المعرّفتين على ℕ بـ ⁦u₀ = 12⁩، ⁦v₀ = 1⁩، و من أجل كلّ عدد طبيعي ⁦n: u₍ₙ₊₁₎ = (uₙ + 2vₙ)/3⁩ و ⁦v₍ₙ₊₁₎ = (uₙ + 3vₙ)/4⁩. نضع ⁦wₙ = uₙ − vₙ⁩ و ⁦tₙ = 3uₙ + 8vₙ⁩.

🎯المطلوب: أثبت أنّ ⁦(wₙ)⁩ هندسية و أنّ ⁦(tₙ)⁩ ثابتة، ثمّ أنّ ⁦(uₙ)⁩ و ⁦(vₙ)⁩ متجاورتان، و استنتج نهايتهما.

🔹الخطوة 1: متتالية الفرق

نحسب فرق المتتاليتين عند الرتبة الموالية بتعويض العلاقتين.

wn+1=un + 2vn3 − un + 3vn4=4un + 8vn − 3un − 9vn12
🔹الخطوة 2: الطبيعة الهندسية

نبسّط البسط، فيظهر الفرق نفسه.

wn+1 = un − vn12 = (112)wn ; w0 = 12 − 1 = 11
🔹الخطوة 3: نهاية الفرق

فحدّها العامّ، و أساسها محصور بين ناقص واحد و واحد.

wn = 11(112)n ⟹ lim wn = 0
🔹الخطوة 4: الكمّية الثابتة

نحسب الآن المقدار الموزون عند الرتبة الموالية.

tn+1=3(un + 2vn)3 + 8(un + 3vn)4=un + 2vn + 2un + 6vn
🔹الخطوة 5: قيمتها

فنجده يساوي المقدار نفسه: المتتالية ثابتة.

tn+1 = 3un + 8vn = tn ; t0 = 36 + 8 = 44
🔹الخطوة 6: الاتّجاهان

نحسب تغيّر كلّ متتالية بدلالة الفرق.

un+1 − un = −(23)wn < 0 ; vn+1 − vn = (14)wn > 0
🔹الخطوة 7: التجاور

الأولى متناقصة و الثانية متزايدة و الفرق يؤول إلى الصفر: متجاورتان، فلهما نهاية واحدة l.

lim un=lim vn=l
✅النّتيجة

نمرّ إلى النهاية في الكمّية الثابتة.

3l + 8l = 44 ⟹ 11l = 44 ⟹ l = 4
⭐ المعاملان 3 و 8 ليسا عشوائيين: هما مختاران بالضبط ليجعلا المقدار ثابتا. و بدون هذه الكمّية الثابتة لكانت النهاية مجهولة رغم إثبات التجاور. ⚖️ التجاور يعطي الوجود، و الكمّية الثابتة تعطي القيمة — و التمرين يحتاج الاثنين.
مثال 2: طريقة هيرون لحساب جذر

نعتبر المتتاليتين المعرّفتين على ℕ بـ ⁦u₀ = 3⁩ و ⁦u₍ₙ₊₁₎ = (uₙ + vₙ)/2⁩ حيث ⁦vₙ = 7/uₙ⁩.

🎯المطلوب: أثبت أنّ المتتاليتين متجاورتان و عيّن نهايتهما المشتركة، ثمّ برّر أنّ u₃ قيمة مقرّبة لهذه النهاية إلى 10 أسّ ناقص سبعة.

🔹الخطوة 1: الحدود الأولى

نحسب الحدود الأولى: كلّ حدّ هو متوسّط السابق و حاصل قسمة سبعة عليه.

u0 = 3 ; v0 = 73 ; u1 = 83 ; v1 = 783 = 218
🔹الخطوة 2: صيغة الفرق

نحسب فرق المتتاليتين عند الرتبة الموالية بتعويض التعريفين.

un+1 − vn+1=un+1 − 7un+1=un+1² − 7un+1
🔹الخطوة 3: الصيغة التربيعية

و بتعويض المتوسّط يظهر مربّع الفرق السابق.

un+1 − vn+1=(14un+1)(un − vn)²
🔹الخطوة 4: الترتيب

المربّع موجب و الحدود موجبة، فالفرق موجب دائما: الأولى فوق الثانية.

(∀ n) un − vn ≥ 0
🔹الخطوة 5: الحدّ الأدنى

و من الرتبة واحد نحصر من الأسفل بالحدّ الذي حسبناه.

(∀ n ≥ 1) un ≥ vn ≥ v1 = 218 ⟹ 4un+1 ≥ 10,5 ≥ 10
🔹الخطوة 6: الحصر التربيعي

فالمعامل أمام المربّع أصغر من العُشر، و منه حصر تربيعي.

un+1 − vn+1 ≤ (110)(un − vn)² ⟹ un − vn ≤ 1102n − 1
✅النّتيجة

الأولى متناقصة و الثانية متزايدة و الفرق يُمحى: متجاورتان، و النهاية تحقّق ⁦l = 7/l⁩.

l² = 7 ; l > 0 ⟹ l = √7
⭐ الحصر التربيعي يضاعف عدد الأرقام الصحيحة في كلّ خطوة. لهذا يكفي ثلاث خطوات لبلوغ تسعة أرقام: ⁦u₃ ≈ 2,645751312⁩ و جذر سبعة ≈ 2,645751311. و للوصول إلى مائة رقم يكفي أن يكون ⁦⁦2n − 1 ≥ 100⁩⁩، أي ⁦n = 7⁩. ⚖️ هذه الطريقة عمرها أربعة آلاف عام، و هي التي تستعملها حاسبتك اليوم.
مثال 3: بناء لوغاريتم اثنين

نعتبر المتتالية ⁦(uₙ)⁩ المعرّفة على ℕ* بـ ⁦uₙ = 1/(n+1) + 1/(n+2) + … + 1/(2n)⁩.

🎯المطلوب: أثبت الحصر ⁦uₙ ≤ ln 2 ≤ uₙ + 1/(2n)⁩، ثمّ استنتج نهاية المتتالية، و عيّن رتبة تعطي قيمة مقرّبة إلى الجزء من المائة.

🔹الخطوة 1: الحصر الأساسي

نحصر اللوغاريتم بين دالتين تآلفيتين، بدراسة الفرق.

(∀ x > 0) 1 − 1x ≤ ln x ≤ x − 1
🔹الخطوة 2: التطبيق

نطبّقه على النسبة بين رتبتين متتاليتين.

x = p + 1p ⟹ 1p + 1 ≤ ln(p + 1p) ≤ 1p
🔹الخطوة 3: التلسكوب

نجمع طرفا بطرف من الرتبة n إلى الرتبة ⁦2n−1⁩: اللوغاريتمات تتلسكب.

Σ ln(p + 1p)=ln(2nn)=ln 2
🔹الخطوة 4: الطرف الأيسر

الطرف الأيسر هو مجموع مقلوبات من ⁦n+1⁩ إلى 2n، أي المتتالية نفسها.

Σ 1p + 1=1n + 1 + ... + 12n=un
🔹الخطوة 5: الطرف الأيمن

و الطرف الأيمن هو المجموع نفسه، منقولا خطوة إلى الوراء.

Σ 1p=1n + ... + 12n − 1=un + 1n − 12n=un + 12n
🔹الخطوة 6: الحصر

فيتشكّل الحصر المطلوب.

un ≤ ln 2 ≤ un + 12n
✅النّتيجة

سعة الحصر تؤول إلى الصفر، فالمتتالية تتقارب نحو اللوغاريتم.

lim un = ln 2
⭐ لسعة الحصر ⁦⁦1/(2n)⁩⁩ ثمن: لبلوغ الجزء من المائة يلزم ⁦⁦n ≥ 50⁩⁩، و للجزء من عشرة آلاف يلزم ⁦⁦n ≥ 5000⁩⁩. قارن بمثال 2 حيث سبع خطوات تعطي مائة رقم. ⚖️ و لاحظ أنّ هذه المتتالية نفسها تظهر لمّا نقسم المساحة تحت منحنى المقلوب بين 1 و 2 إلى مستطيلات: الحصر الهندسي و الحصر اللوغاريتمي يعطيان الشيء نفسه، و هذا ليس مصادفة.
مثال 4: بناء العدد e

نعتبر المتتالية ⁦(uₙ)⁩ المعرّفة من أجل كلّ عدد طبيعي غير معدوم n بـ ⁦uₙ = (1 + 1/n)n⁩.

🎯المطلوب: أثبت الحصر ⁦0 ≤ e − uₙ ≤ 3/n⁩، ثمّ استنتج أنّ المتتالية تتقارب نحو e.

🔹الخطوة 1: الدالة

ندرس الدالة التي تقيس الفرق بين الأسّي و مماسه عند الصفر.

f(x) = ex − (1 + x) ; f'(x) = ex − 1
🔹الخطوة 2: الحصر الأوّل

المشتقّة تنعدم عند الصفر و تغيّر إشارتها، فالقيمة الدنيا هناك و تساوي الصفر.

(∀ x ∈ ℝ) 1 + x ≤ ex
🔹الخطوة 3: الحصر الثاني

نطبّقه على ناقص المتغيّر ثمّ نقلب، فنحصل على الحصر الثاني.

(∀ x < 1) ex ≤ 11 − x
🔹الخطوة 4: الطرف الأدنى

نأخذ في الأوّل مقلوب الرتبة و نرفع إلى الأسّ n.

1 + 1n ≤ e1n ⟹ (1 + 1n)n ≤ e
🔹الخطوة 5: الطرف الأعلى

و في الثاني مقلوب الرتبة الموالية، فيظهر الطرف الأعلى.

e1n+1 ≤ 11 − 1n+1 = 1 + 1n ⟹ e ≤ (1 + 1n)n+1
🔹الخطوة 6: سعة الحصر

الفرق بين الطرفين هو الطرف الأدنى مقسوما على الرتبة، و هو أصغر من ثلاثة على الرتبة.

0 ≤ e − un ≤ unn ≤ 3n
✅النّتيجة

و السعة تؤول إلى الصفر.

lim (1 + 1n)n = e
⭐ هذا التمرين يعرّف e بدل أن يفترضه. و سعة الحصر ⁦⁦3/n⁩⁩ بطيئة جدّا: ⁦⁦u₁₀₀₀₀ ≈ 2,718145927⁩⁩ بينما ⁦⁦e ≈ 2,718281828⁩⁩ — ثلاثة أرقام عشرية فقط بعد عشرة آلاف خطوة. ⚖️ و المتتالية ⁦⁦Σ 1/k!⁩⁩ تبلغ تسعة أرقام عشرية عند الرتبة اثنتي عشرة. تعريفان للعدد نفسه، و سرعتان لا تُقارنان.
⛔ التمرين الطويل في الباكالوريا يُبنى دائما بالسلّم: كلّ سؤال يستعمل الذي قبله. أجب بالترتيب، و أعد استعمال ما برهنته صراحة («حسب السؤال 2…»). و إن عجزت عن سؤال، اقبل نتيجته و واصل: النقاط الموالية تُمنح كاملة.
الخلاصة: التمارين الطويلة تُحلّ بالمنهجية نفسها — حدود أولى، ثمّ الكمّية التي تنجو (مساعدة هندسية، مجموع ثابت، فرق يتقلّص)، ثمّ الترتيب المعطى، ثمّ المرور إلى النهاية. و بهذه الحركة بالضبط تُبنى الأعداد التي لا تُكتب: e، لوغاريتم اثنين، و الجذور.

الصفحة 1/7

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