تحدب المنحنى لتكن دالة قابلة للاشتقاق على ، فمنحنى يكون محدبًا لأسفل على الفترة إذا كانت متزايدة، ويكون محدبًا لأعلى إذا كانت متناقصة.
في التحدب لأسفل يتزايد ميل المماس، ويقع المنحنى فوق مماساته.
في التحدب لأعلى يتناقص ميل المماس، ويقع المنحنى تحت مماساته.
إذا كانت قابلة للاشتقاق مرتين على :
إذا كان لجميع فالمنحنى محدب لأسفل على الفترة.
إذا كان لجميع فالمنحنى محدب لأعلى على الفترة.
✍️ أمثلة محلولة
مثال 8 عين فترات التحدب لأعلى وفترات التحدب لأسفل لمنحنى .
الحل:
f′(x)=−6x−3x2 و f′′(x)=−6−6x=−6(1+x)
f′′(x)=0 عندما x=−1
عندما x<−1f′′>0 فالمنحنى محدب لأسفل على ]−∞,−1[
عندما x>−1f′′<0 فالمنحنى محدب لأعلى على ]−1,∞[
نقطة الانقلاب إذا كانت متصلة على فترة مفتوحة تحوي ، وكان لمنحنى مماس عند النقطة ، وتغير تحدب المنحنى عند هذه النقطة (من محدب لأسفل إلى محدب لأعلى أو العكس)، فإن نقطة انقلاب.
عند نقطة الانقلاب تكون أو غير موجودة، لكن ذلك وحده لا يكفي، فلا بد من تغير إشارة على جانبيها.
لا توجد نقطة انقلاب إذا لم يوجد مماس للمنحنى عند النقطة.
المماس عند نقطة الانقلاب يقطع المنحنى، لأن المنحنى يقع تحت المماس في جهة وفوقه في الجهة الأخرى.
✍️ أمثلة محلولة
مثال 9 (دالة متعددة التعريف) إذا كانت فحدد فترات التحدب ونقط الانقلاب ومعادلة المماس عندها.
الحل:
f(−2)=0 من الجهتين فالدالة متصلة عند x=−2
المشتقة اليسرى عند تساوي واليمنى ، وهما مختلفتان فالدالة غير قابلة للاشتقاق عند
f′(x)=2x عندما x<−2 و f′(x)=3x2−3 عندما x>−2
f′′(x)=2 عندما x<−2 و f′′(x)=6x عندما x>−2
إشارة f′′ موجبة في ]−∞,−2[ وسالبة في ]−2,0[ وموجبة في ]0,∞[
المنحنى محدب لأسفل في وفي ومحدب لأعلى في
النقطة ليست نقطة انقلاب رغم تغير التحدب، لعدم وجود مماس عندها.
النقطة نقطة انقلاب، وميل المماس ، ومعادلته
اختبار المشتقة الثانية للقيم القصوى المحلية
نقطة الانقلاب وتغير التحدب
لتكن قابلة للاشتقاق مرتين على فترة مفتوحة تحوي وكانت :
إذا كان فإن قيمة عظمى محلية.
إذا كان فإن قيمة صغرى محلية.
إذا كان فلا يمكن تحديد النوع بهذا الاختبار، ونستخدم اختبار المشتقة الأولى.
✍️ أمثلة محلولة
مثال 10 استخدم اختبار المشتقة الثانية لإيجاد القيم القصوى المحلية للدالة .
النمذجة الرياضية هي صياغة مشكلة وفق علاقات رياضية تسمى النموذج الرياضي.
مراحل حل المشكلة:
تحديد المشكلة الهدف (أكبر مساحة، أقل تكلفة، أكبر حجم…) والقيود والمعطيات.
تحديد المجاهيل التي يجب إيجاد قيمتها.
بيان العلاقات بين المجاهيل (معادلات أو متباينات).
صياغة النموذج الرياضي تمثيل المشكلة في صورة دالة في متغير واحد.
حل النموذج بحساب التفاضل نوجد النقاط الحرجة ونختبرها بالمشتقة الأولى أو الثانية، ونفسر النتائج وفق طبيعة المسألة.
نتأكد من قيمة المتغير أنها تقع في مجال المسألة، ونقيم النتائج والبدائل.
✍️ أمثلة محلولة
مثال 14 (أكبر مساحة) أوجد بعدي مستطيل له أكبر مساحة يمكن رسمه داخل مثلث طول قاعدته 16 سم وارتفاعه 12 سم، بحيث ينطبق أحد أضلاعه على قاعدة المثلث وتقع رأسا الضلع المقابل على الضلعين الآخرين للمثلث.
الحل:
نفرض أن عرض المستطيل سم وطوله سم ومساحته سم2
A=x y، ومن تشابه المثلثين y16=12−x12 ومنها y=43(12−x) حيث x∈ ]0,12[
A=43x(12−x)=16x−43x2
A′(x)=16−83x=0 ومنها x=6 وهي نقطة حرجة وحيدة
فتعطي القيمة العظمى المطلقة.
عند x=6 y=43(12−6)=8
أكبر مساحة عندما يكون بعدا المستطيل 6 سم و 8 سم، والمساحة سم2
مثال 15 (أقل تكلفة) يراد بناء صومعة حبوب على شكل أسطوانة رأسية سقفها نصف كرة، تتسع لتخزين من الحبوب (التخزين في الجزء الأسطواني فقط)، وتكلفة وحدة المساحة من السقف ضعف تكلفتها من الجدار الجانبي.
أوجد الأبعاد التي تجعل التكلفة أقل ما يمكن.
الحل:
نفرض ارتفاع الأسطوانة ونصف قطر قاعدتها ، وتكلفة وحدة المساحة للجدار فتكون للسقف
مساحة الجدار الجانبي ومساحة السقف (نصف كرة)
التكلفة الكلية K=c×2πrh+2c×2πr2=2πc r (h+2r)
الحجم πr2h=108π ومنها h=108r2
K(r)=216πcr+4πc r2
ومنها أي (نقطة حرجة وحيدة)
فهي قيمة صغرى.
تكون التكلفة أقل ما يمكن عندما م و م
مثال 16 (أقصر سلم) جدار ارتفاعه 2 م ويبعد مترين عن أحد المنازل، أوجد طول أقصر سلم يصل من الأرض إلى المنزل مرتكزًا على الجدار.
الحل:
نفرض طول السلم وارتفاع قمته عن الأرض وبعد طرفه السفلي عن الجدار
من فيثاغورث L2=(x+2)2+y2 … (1)
من التشابه yx+2=2x ومنها y=2(x+2)x … (2)
نشتق L2 بالنسبة إلى x d(L2)dx=2(x+2)+2y(−4x2)=2(x+2)(1−8x3)
عند النقطة الحرجة x3=8 ومنها x=2
إشارة المشتقة تتغير من سالبة إلى موجبة عند فتكون أصغر ما يمكن.
عند x=2 y=2×42=4 و L2=16+16=32
أقصر سلم طوله L=42 م
وجه المقارنة
الفكرة الأساسية
كلمات مفتاحية
مثال 17 (القطاع الدائري)
قطعة معدنية على شكل قطاع دائري مساحتها ، أوجد نصف قطر دائرة القطاع الذي يجعل محيطه أقل ما يمكن وقياس زاويته عندئذ.
قطعةمعدنيةمساحتهاأوجد
•
الحل
الحل
نفرض طول القوس ℓ ونصف القطر r
المحيط P=2r+ℓ
المحيط
المساحة 12ℓr=16 ومنها ℓ=32r
P(r)=2r+32r و P′(r)=2−32r2
ومنها ، و فالمحيط أقل ما يمكن.
θ=ℓr=84=2 راديان
ملاحظة على حل المسائل التطبيقية
بعد الوصول إلى قيمة المتغير نتحقق أنها تقع في المجال المنطقي للمسألة.
إذا وُجدت نقطة حرجة وحيدة داخل المجال ومشتقتها الثانية موجبة أو سالبة فهي القيمة الصغرى أو العظمى المطلقة.
الموسوعة التعليمية الشاملة والمصطلحات الدقيقة — سلوك الدالة والتزايد والتناقص ونقاط الانقلاب ورسم المنحنيات وتطبيقات القيم العظمى والصغرى (كتب الوزارة + الامتحان + المعاصر + الوسام)
الموسوعة التعليمية الشاملة والمصطلحات الدقيقة — سلوك الدالة والتزايد والتناقص ونقاط الانقلاب ورسم المنحنيات وتطبيقات القيم العظمى والصغرى (كتب الوزارة + الامتحان + المعاصر + الوسام)
📖
📌 قاموس المفاهيم والمصطلحات العلمية الدقيقة:
وجه المقارنة
الفكرة الأساسية
كلمات مفتاحية
النقط الحرجة للدالة (Critical Points)
النقط الواقعة في مجال الدالة f(x)
عندها المشتقة الأولى تساوي صفراً (f'(x) = 0) أو تكون المشتقة الأولى غير معرفة (غير موجودة)
الواقعةمجالالدالةوالتي
فترات التزايد والتناقص
تكون الدالة متزايدة في فترة ما إذا كانت مشتقتها الأولى موجبة دائماً (f'(x) gt
وتكون متناقصة إذا كانت مشتقتها الأولى سالبة دائماً (f'(x) lt
تكونالدالةمتزايدةفترة
القيم العظمى والصغرى المحلية والمطلقة
القيم المحلية تحدد باختبار إشارة المشتقة الأولى حول النقطة الحرجة أو باختبار المشتقة الثانية (f”(c) 0 صغرى محلية). القيم المطلقة هي أكبر وأصغر قيمة للدالة في فترة مغلقة $[a
b]$
تحددباختبارإشارةالمشتقة
التحدب لأعلى ولأسفل ونقاط الانقلاب
منحنى الدالة يكون محدباً لأسفل (مقعراً لأعلى كالكأس) إذا كانت f”(x) gt
ومحدباً لأعلى (كالغطاء) إذا كانت f”(x) lt
0. نقطة الانقلاب هي النقطة التي يفصل عندها المنحنى بين منطقتي تحدب متعاكستين وتوجد عندها مماس للمنحنى
منحنىالدالةيكونمحدبا
⚖️ القوانين والعلاقات الرياضية والفيزيائية الحاكمة:
وجه المقارنة
الفكرة الأساسية
كلمات مفتاحية
شرط النقطة الحرجة عند x = c
c ∈ Df مع (f'(c) = 0 أو f'(c) غير معرفة)
معرفة
•
اختبار المشتقة الثانية لتحديد نوع القيمة القصوى عند f'(c) = 0
اختبارالمشتقةالثانيةلتحديد
• إذا كان f”(c) lt; 0
المنحنى محدب لأعلى وتوجد قيمة عظمى محلية f(c)
المنحنىمحدبلأعلىوتوجد
• إذا كان f”(c) gt; 0
المنحنى محدب لأسفل وتوجد قيمة صغرى محلية f(c)
المنحنىمحدبلأسفلوتوجد
• إذا كان f”(c) = 0
يفشل الاختبار ونلجأ لاختبار إشارة المشتقة الأولى
يفشلالاختبارونلجألاختبار
شرط نقطة الانقلاب عند $(c, f(c))$
f”(c) = 0 أو غير معرفة مع تغير إشارة المشتقة الثانية حول c
معرفةتغيرإشارةالمشتقة
خطوات مسائل التطبيقات العظمى والصغرى
(1) تكوين الدالة الهدف المراد جعلها أكبر ما يمكن أو أصغر ما يمكن
(2) جعلها في متغير واحد
(3) الاشتقاق والمساواة بالصفر
تكوينالدالةالهدفالمراد
🔍 الشرح المستفيض والتعليلات العلمية المعتمدة (“علل”):
وجه المقارنة
الفكرة الأساسية
كلمات مفتاحية
علل: لا تعتبر كل نقطة تجعل f”(x) = 0 نقطة انقلاب حتماً؟
لأنه يشترط في نقطة الانقلاب أن تتغير إشارة المشتقة الثانية على جانبي النقطة (أي يتغير نوع التحدب من أعلى لأسفل أو العكس)؛ فإذا لم تتغير الإشارة (مثل دالة f(x) = x4 عند x = 0) فلا تكون نقطة انقلاب.
لأنهيشترطالانقلابتتغير
علل
للدالة المتصلة على فترة مغلقة $[a
b]$ قيمة عظمى مطلقة وصغرى مطلقة حتماً؟ طبقاً لنظرية القيمة القصوى لفايرشتراس الرياضية
حيث يضمن الاتصال على فترة مغلقة بلوغ الدالة لأقصى وأدنى قمة وقاع سواء عند أطراف الفترة أو النقط الحرجة الداخلية