ملخص
يفتتح هذا الدرس الوحدة المخصّصة للمشتقات. فهو يعرض مسار الوحدة، التي تعرّف المشتقة بأنها نهاية نسبة التزايد، وتكتبها تحليلًا بعامل متصل، هو تحليل كاراثيودوري، وتستخرج منه، دون أن تقسم أبدًا على كميات قد تنعدم، قواعدَ الاشتقاق وقاعدة السلسلة ومشتقة الدالة العكسية، حتى تبلغ المشتقات المتتالية والتفاضل ومعدلات التغير. ويعيد بناء تاريخ المشتقة، من طريقة فيرما في المماسات إلى تعريف كوشي، مرورًا بتدفقات نيوتن وترميز لايبنتس ونقد بيركلي وبرنامج لاغرانج، الذي أعطى المشتقة اسمها وترميزها؛ ويصوغ المسألة التي نشأت منها، أي المماس لمنحنى كيفما كان والسرعة في لحظة، ويبيّن بمثال كيف يحلّ التحليل محلّ القسمة على تزايد منعدم. ويختم بالإشارة إلى المواضع التي تُستعمل فيها المشتقات في الوحدة اللاحقة، وفي دورات أخرى من الموقع، وفي العلم والتقنية.
أهداف التعلم
- وصف مسار الوحدة وشرح ما يبرهنه كل درس وما يستند إليه من نتائج سابقة.
- شرح لماذا يقتضي المماس لمنحنى كيفما كان والسرعة اللحظية تعريفَ المشتقة نهايةً، ولماذا يتيح تحليل كاراثيودوري البرهان على القواعد دون القسمة على كميات قد تنعدم.
- وضع مراحل مفهوم المشتقة في سياقها التاريخي، من طريقة فيرما إلى تعريف كوشي، وتحديد المسألة أو النقد الذي دفع كل مرحلة منها.
- الإشارة إلى المواضع التي تتدخل فيها المشتقات في الوحدة اللاحقة، وفي دورات أخرى، وفي التطبيقات العلمية والتقنية.
تقييم الدخول
قبل اجتياز الوحدة يحسن قياس نقطة البداية. وهذا التقييم الذاتي لا تُمنح عليه درجة: إنما يفيد في معرفة المواضع التي ينبغي التوقف عندها. فالأسئلة التسعة الأولى تتناول، بالترتيب، دروس المحتوى التسعة في الوحدة، سؤالًا لكل درس، وتقيس مهارة في الحساب أو في الاستدلال، لا عبارة تُستظهر؛ وتُقاس المهارات نفسها مرة أخرى في النهاية، في درس الخلاصة، بمعطيات أخرى. أما الأسئلة الخمسة الأخيرة فتتحقق مما تعدّه هذه الوحدة معلومًا من الوحدة التي سبقت ومن الجبر والهندسة 1 و2: نهاية مثلثية، ونهاية شهيرة للدالة الأسية، و الصغيرة، والدالة العكسية، وجيب تمام قوس الجيب.
قبل أن تبدأ الوحدة، قِس نقطة انطلاقك. إنه تقييم ذاتي قصير: لا يُمنح عليه درجة، وتُحفظ نتيجته في متصفحك فقط.
السؤال 1الدالة معرّفة عند . انطلاقًا من تعريف المشتقة، ما المستقيم المماس لمنحناها البياني عند النقطة ؟
إنه المستقيم الناظم، لا المماس: ميله، ، يجعله عموديًا على المماس.الميل صحيح، لكن المستقيم لا يمرّ بالنقطة: المماس هو ، وقد أُغفل .ضاعت الإشارة عند الطرح: ، وهو سالب من أجل صغير. فالدالة متناقصة قرب ، والميل سالب.من أجل قريب من ، نسبة التزايد هي ، وهي تؤول إلى ؛ إذن ، والمماس هو المستقيم المارّ بـ بهذا الميل.راجِع: المشتقة بوصفها نهاية لدالة
السؤال 2احسب مشتقة عند .
اشتُقّ البسط والمقام كلٌّ على حدة، ، كأن مشتقة خارج القسمة هي خارج قسمة المشتقتين. وليست كذلك: لقاعدة خارج القسمة حدّان ومربع المقام.عُكس ترتيب الطرح في البسط. القاعدة هي : أولًا مشتقة البسط مضروبة في المقام.لم يُربَّع المقام: قيمته عند هي ، ومربعه .بقاعدة خارج القسمة، .راجِع: قواعد الاشتقاق
السؤال 3احسب مشتقة عند .
أُخذ مشتقةً لجيب التمام. ومشتقة جيب التمام هي ، والحدّان يتلاشيان عند .ضُربت مشتقتا العاملين، . ومشتقة الجداء ليست جداء المشتقتين: ينقص الحدّ .اشتُقّت الدالة الأسية وحدها، كأن جيب التمام ثابت. وهذا هو الحدّ الأول من قاعدة الجداء؛ وينقص الثاني، .بقاعدة الجداء ومشتقتي الدالة الأسية وجيب التمام، ، وعند يتساوى الجيب وجيب التمام. فالمماس للمنحنى البياني عند تلك النقطة أفقي.راجِع: مشتقات الدوال الأولية
السؤال 4احسب مشتقة عند .
تنقص مشتقة الدالة الأعمق، ، التي تسهم بالعامل : فكل دالة في التركيب تسهم بمشتقتها، محسوبةً عند النقطة التي تخصّها.أُخذ مشتقةً لجيب التمام: ضاعت إشارة السالب في .اشتُقّ المربع وحده، ، كأن جيب التمام هو المتغير. وتنقص مشتقتا جيب التمام و.بقاعدة السلسلة مطبّقةً مرتين، ، وعند يكون المتغير .السؤال 5في أيّ هذه الفترات تضمن مبرهنة بولزانو أن للمعادلة حلًّا؟
في هذه الفترة لا تغيّر إشارتها: و. فالمبرهنة لا تضمن شيئًا، ولا حلّ هناك في الواقع، لأن متزايدة وقيمتها عند .القيمتان و لهما الإشارة نفسها، فلا تنطبق المبرهنة؛ وفضلًا عن ذلك، لا تقلّ قيمة عن في هذه الفترة.كل معادلة تُكتب على هذا الشكل بنقل كل شيء إلى طرف واحد: المعادلة تكافئ .الدالة كثيرة حدود، متصلة، مع و؛ فبمبرهنة بولزانو تنعدم في نقطة ما من ، هي حلّ للمعادلة.راجِع: مبرهنة القيم الوسطى
السؤال 6الدالة متصلة ومتزايدة تمامًا على . ما قيمة ؟
حُسبت مشتقة عند ، وهو قيمة من قيم ، لا نقطة من مجال تعريفها تقابله. والصيغة هي ، و.إنها مشتقة عند النقطة المقابلة لـ؛ أما مشتقة الدالة العكسية فهي مقلوبها: عند انعكاس المنحنى البياني يصير الميل مساويًا .حُسب ، وهو ليس مشتقة الدالة العكسية ولا محسوبًا عند النقطة الصحيحة.بما أن ، فإن ، و، وهي غير منعدمة. وبمبرهنة مشتقة الدالة العكسية، .السؤال 7احسب مشتقة عند .
استُعملت قاعدة القوة، ، كأن الأس ثابت. وحين يتغير الأساس والأس معًا، يجب أن تُكتب القوة بالدالة الأسية الطبيعية.استُعملت قاعدة الدالة الأسية، ، كأن الأساس ثابت. وهذا حدّ واحد فقط من الحدّين.إنها مشتقة ، أي المشتقة اللوغاريتمية ؛ وينقص الضرب في .من أجل كل ، ، و. وعند ، والقوسان قيمتهما .السؤال 8احسب المشتقة من الرتبة لـ عند .
ينقص المعامل الثنائي : فلقاعدة لايبنتس المعاملات نفسها التي لصيغة ذات الحدين لنيوتن.ضُربت المشتقتان من الرتبة للعاملين، ومشتقة منعدمة. فالمشتقة من الرتبة لجداء مجموعٌ يضم كل طرق توزيع الاشتقاقات الخمسة على العاملين.في الحدّ الذي يُشتقّ فيه العامل مرة واحدة، تُشتقّ الدالة الأسية أربع مرات لا خمسًا: فمشتقتها من الرتبة هي .بقاعدة لايبنتس، وبما أن مشتقات من رتبة أكبر من منعدمة، لا يبقى إلا حدّان: . وعند ينعدم الأول ويساوي الثاني .راجِع: المشتقات المتتالية والتفاضل
السؤال 9يحافظ مستطيل على مساحته البالغة من السنتيمترات المربعة بينما تزداد قاعدته بمعدل من السنتيمترات في الثانية. بأيّ سرعة يتغير ارتفاعه في اللحظة التي يكون فيها طول القاعدة من السنتيمترات؟
عُوّض قبل الاشتقاق. فالارتفاع قيمته في تلك اللحظة فقط؛ والعلاقة التي تُشتقّ هي التي تصح في كل لحظة.ضاعت الإشارة: إذا كانت المساحة ثابتة والقاعدة تزداد، فلا بد أن يتناقص الارتفاع.هذه مشتقة الارتفاع بالنسبة إلى القاعدة، . أما السرعة بالنسبة إلى الزمن فتُنال بضربها في .إذا كانت القاعدة و الارتفاع، فإن في كل لحظة؛ وبالاشتقاق بالنسبة إلى الزمن، . وحين يكون طول القاعدة يكون الارتفاع ، والعلاقة تعطي .السؤال 10من وحدات سابقةاحسب .
هذه نهاية ، لا نهاية خارج القسمة هذا: فجيب التمام يبتعد عن أبطأ بكثير مما يبتعد الجيب عن .هذه نهاية ، حيث في المقام. ومع يكون لخارج القسمة عامل زائد، يؤول إلى .الشكل يدل فقط على أن قاعدة خارج القسمة لا تنطبق؛ وقد تكون النهاية موجودة، وهي هنا موجودة.من أجل ، خارج القسمة هو ، جداء دالة تؤول إلى في دالة أخرى تؤول إلى .السؤال 11من وحدات سابقةاحسب .
طُبّقت النهاية الشهيرة دون تغيير المتغير: الأس هو ، لا .ضاعت إشارة الأس: أصغر من من أجل ، فخارج القسمة سالب.لا يكفي أن يؤول البسط إلى : فالمقام أيضًا يؤول إلى .بتغيير المتغير ، الذي لا ينعدم إذا كان ، يصير خارج القسمة ، والنهاية الشهيرة تعطي .السؤال 12من وحدات سابقةأيّ هذه الدوال هي عندما ؟
إنها مكافئة لـ، لا مهملة: خارج قسمتها على يؤول إلى .تؤول إلى ، لكن أبطأ من : خارج قسمتها على غير محدود.الحدّ مهمل بالنسبة إلى ، لكن ليس كذلك: خارج القسمة على يؤول إلى ، والدالة من رتبة نفسها.خارج قسمتها على هو ، وهو يؤول إلى : فهي مهملة بالنسبة إلى .السؤال 13من وحدات سابقةإذا كان ، فما قيمة ؟
عُزل ، لكن ينقص استخراج الجذر التكعيبي.قُرئ على أنه المقلوب : فالأس يدل هنا على الدالة العكسية، لا على المعكوس الضربي.هذا ، صورة ؛ أما الدالة العكسية فتسلك الطريق المعاكس وتبحث عن الصورة العكسية.هو العدد الذي صورته : المعادلة تعطي ، و.راجِع: العمليات على الدوال والدالة العكسية وتحويلات التمثيل البياني
السؤال 14من وحدات سابقةما قيمة ؟
إشارة الجيب لا تنتقل إلى جيب التمام: الزاوية في ، حيث جيب التمام موجب أو منعدم.هذا مربع جيب التمام، ؛ وينقص استخراج الجذر.عومل جيب التمام كأنه يلغي قوس الجيب؛ والجيب هو الذي يلغيه: .يأخذ قوس الجيب قيمه في ، حيث جيب التمام غير سالب؛ وبالمتطابقة الفيثاغورية، جيب التمام هو .راجِع: الدوال المثلثية العكسية
جارٍ تحميل المحتوى…