1.2

משוואות מסדר ראשון

החשבון הדיפרנציאלי הדרוש

The Calculus You Need

בונים את ארגז הכלים של הפרק: נגזרות, קדומות, אינטגרלים, כלל השרשרת, אקספוננט ולוגריתם.

יחידת לימוד עצמאיתשיעור 2 מתוך 8כ־45 דקות כולל תרגול3 מטרות למידה
  1. 1
    נקודת פתיחהמה כבר ידוע ומה השאלה?
  2. 2
    ניבוימה יקרה במקרה הפשוט?
  3. 3
    המחשהמה באמת משתנה בתמונה?
  4. 4
    ניסוח והצדקהשם, נוסחה ולמה היא נכונה
  5. 5
    בדיקהדוגמה, תרגול ומשוב
  6. 6
    העברהמקרה חדש והמשך המסלול

שאלה לפני נוסחה

מה אנחנו מנסים לראות?

לבנות את ארגז הכלים החשבוני הנדרש לפתרון משוואות מסדר ראשון: נגזרת, כללי גזירה, אינטגרל, אקספוננט ולוגריתם.

נגזרת היא מד־מהירות מקומי; אינטגרל הוא מונה שמחבר את כל השינויים; וכללי הגזירה אומרים איך לפרק ביטוי מורכב. האקספוננט והלוגריתם מחברים בין קצב יחסי לבין פתרון מפורש.

לפני ההמחשה: קראו רק את הכותרת “גובה ושיפוע באותה נקודה”. מה לדעתכם ישתנה, מה יישאר קבוע, ואיזה סימן בתמונה יוכל להפריך את הניבוי?

לראות לפני שמחשבים · המקרה הפשוט ביותר

גובה ושיפוע באותה נקודה

המשיק לעקומת eˣ: השיפוע שווה לגובה(x₀, eˣ⁰)שיפוע המשיק = eˣ⁰ = הגובה עצמו
עקבו מהצורה הראשונית אל התוצאה

העקומה היא eˣ והישר הוא המשיק בנקודה מסומנת.

מה כדאי לגלות: השוו בין גובה הנקודה לבין שיפוע המשיק. זו התכונה שהופכת את eˣ לפתרון טבעי של חוקי גידול.

אחרי שראינו

בסוף השיעור תוכלו

  • לגזור חזקות, סינוס, קוסינוס, מכפלות והרכבות.
  • למצוא פונקציה קדומה ולהשתמש במשפט היסודי כדי לעבור מקצב לשינוי מצטבר.
  • להסביר מדוע eˣ נגזרת לעצמה ומדוע האינטגרל של 1/y הוא ln|y|.

נותנים שמות למה שראינו

מושגים שנשתמש בהם

נגזרת
קצב השינוי הרגעי של פונקציה ביחס למשתנה שלה.
פונקציה קדומה
פונקציה F שנגזרתה היא f; כל הקדומות נבדלות בקבוע C.
אינטגרל מסוים
שינוי מצטבר בין שני זמנים; מבחינה גאומטרית הוא שטח מכוון.
כלל השרשרת
כלל לגזירת הרכבה: גוזרים את החוץ וכופלים בנגזרת הפנים.
לוגריתם טבעי
ln הוא הפונקציה ההפוכה ל־eˣ, ומקיים d(ln|y|)/dy=1/y כאשר y≠0.

מהמילים אל הסימנים

כותבים את הפעולה שכבר ראינו

פתחו את הנוסחה רק אחרי שאתם יכולים לומר במילים מה כל פעולה אמורה לעשות. בשלב הבא נצדיק אותה צעד אחר צעד.

להצגת נוסחת המפתחקראו כל סימן כפעולה, לא כמשהו שצריך לשנן(eᵍ)′=eᵍ · ∫(1/y)dy=ln|y|+C

מרכיבים את הפעולות

מהתמונה אל הנוסחה — הגזירה, בלי לדלג על הצעדים

  1. נגזרות היסוד שנצטרך

    כלל החזקה מוריד את החזקה באחת; סינוס וקוסינוס מתחלפים תחת גזירה. אלה אבני הבניין של הדוגמאות בהמשך.

    (tⁿ)'=ntⁿ⁻¹, (sin t)'=cos t, (cos t)'=−sin t
  2. נגזרת וכלל השרשרת

    אם y תלויה ב־g(t), שינוי קטן ב־t עובר תחילה דרך g. לכן מכפילים את נגזרת הפונקציה החיצונית בנגזרת הפנימית.

    d[f(g(t))]/dt = f'(g(t))·g'(t)
  3. כלל המכפלה

    כאשר שני גורמים משתנים, כל אחד תורם פעם אחת לשינוי. הכלל ישמש בהמשך לבדיקת גורם אינטגרציה.

    (u(t)v(t))' = u'(t)v(t) + u(t)v'(t)
  4. קדומה וקבוע האינטגרציה

    אינטגרל לא מסוים מחפש את כל הפונקציות שנגזרתן היא הביטוי הנתון. הקבוע C נחוץ כי נגזרת של כל קבוע היא אפס.

    ∫tⁿdt=tⁿ⁺¹/(n+1)+C (n≠−1), ∫cos(t)dt=sin(t)+C
  5. אינטגרל מסוים הופך קצב לשינוי

    המשפט היסודי אומר שסכימת הקצב בין t₀ ל־t מחזירה את ההפרש בערכי הפונקציה; כאן אין צורך ב־C כי הוא מתבטל בגבולות.

    y(t)-y(t₀) = ∫[t₀→t] y'(s) ds
  6. האקספוננט נגזרת לעצמו

    זו התכונה המגדירה את eˣ ככלי טבעי לחוקי קצב: ערך הפונקציה ושיפועה שווים בכל נקודה. כלל השרשרת מוסיף את נגזרת המעריך.

    d(eˣ)/dx=eˣ, d(e^(g(t)))/dt=g'(t)e^(g(t))
  7. לוגריתם מפרק קצב יחסי

    אם x=eᵘ, אז dx/du=eᵘ=x ולכן du/dx=1/x. מאחר u=ln(x), מתקבלת נגזרת הלוגריתם והקדומה של 1/y.

    ∫ (1/y) dy = ln|y| + C

    עוצרים לחשוב: בשיעור הבא נטפל בנפרד בפתרון y=0 לפני שנחלק ב־y.

עכשיו רואים את השיטה בפעולה

דוגמה פתורה, צעד אחר צעד

דוגמה 1

כל ארבעת הכלים באותו ביטוי

עבור z(t)=t·e^(2t), חשבו z′(t), ואז מצאו את השינוי z(1)−z(0) באמצעות אינטגרל הנגזרת.

  1. כלל המכפלה נותן z′=1·e^(2t)+t·(e^(2t))′.

  2. כלל השרשרת נותן (e^(2t))′=2e^(2t), ולכן z′=(1+2t)e^(2t).

  3. לפי המשפט היסודי, האינטגרל של z′ מ־0 עד 1 שווה z(1)−z(0).

  4. מחשבים ישירות: z(1)=e² ו־z(0)=0, ולכן השינוי הוא e².

התוצאה ומה היא אומרת

הנגזרת היא (1+2t)e^(2t), והשטח המכוון תחתיה בין 0 ל־1 הוא e²≈7.389.

∫[0→1] (1+2t)e^(2t) dt = e²

איפה זה פוגש את העולם

יישום

במשוואות דיפרנציאליות נשתמש בכלל השרשרת כדי לבדוק פתרונות, בכלל המכפלה כדי לבנות גורם אינטגרציה, ובאינטגרל כדי לצבור קצב לאורך זמן.

מלכודת נפוצה

מה כדאי לבדוק

לשכוח את כלל השרשרת: הנגזרת של eᵃᵗ היא a eᵃᵗ, לא רק eᵃᵗ. בדיקת יחידות מגלה את הטעות מפני של־a יש יחידות של 1/זמן.

בודקים שהרעיון יושב

תרגול ומשוב

בדיקת הבנה

בחרו תשובה ורק אז בדקו את עצמכם

מהי הנגזרת של e^(3t²)?

בחרו אחת מהאפשרויות כדי להמשיך.

עכשיו אתם

אתגר קצר

גזרו את w(t)=e^(t²)·ln(t) עבור t>0, והסבירו איזה כלל מופעל בכל שלב.

רמז ראשון

התחילו בכלל המכפלה; רק אחר כך גזרו את e^(t²) בעזרת כלל השרשרת.

הצגת דרך הפתרון
  1. כלל המכפלה: w′=(e^(t²))′ln(t)+e^(t²)(ln(t))′.
  2. כלל השרשרת נותן (e^(t²))′=2t·e^(t²), ונגזרת הלוגריתם היא 1/t.
  3. לכן w′=e^(t²)[2t·ln(t)+1/t]. התנאי t>0 מבטיח ש־ln(t) מוגדר.

מימוש הנושא

קוד שאפשר לקחת לניסוי

הקוד מיישם את אותו רעיון מתמטי. ב־JavaScript אפשר להריץ אותו כאן; גרסת Python זמינה להשוואה ולהעתקה.

הקשר למתמטיקה

expTaylor בונה את eˣ איבר אחר איבר; centralDerivative מעריכה שיפוע משני צדדי הנקודה ומשווה אותו לנגזרת האנליטית.

פלט צפוי

שלוש השורות יהיו בקירוב 2.01375,‏ 1.40963 ו־1.40963; שתי האחרונות צריכות כמעט לחפוף.

ניסוי המשך

הקטינו את מספר איברי טיילור או הגדילו את h. איזו בחירה פוגעת קודם בדיוק, ומדוע?

מהרעיון אל הקוד

מימוש חישובי

function expTaylor(x, terms = 8) {
  let sum = 1;
  let term = 1;
  for (let n = 1; n < terms; n += 1) {
    term *= x / n;
    sum += term;
  }
  return sum;
}

function centralDerivative(f, x, h = 1e-5) {
  return (f(x + h) - f(x - h)) / (2 * h);
}

const f = (t) => expTaylor(0.7 * t, 14);
console.log(f(1));                              // ≈ 2.01375
console.log(centralDerivative(f, 1));           // ≈ 1.40963
console.log(0.7 * f(1));                        // analytic derivative

לפני שממשיכים

מה לוקחים מהשיעור

  • נגזרת מתארת שינוי מקומי; אינטגרל מסכם אותו על פני קטע.
  • בביטוי מורכב בודקים קודם אם דרושים כלל השרשרת, כלל המכפלה או שניהם.
  • eˣ ו־ln|x| הם הכלים הטבעיים לחוקי קצב יחסיים.

משימת מעבדה לשיעור הזה

תחנה 1 — משיפוע מקומי למסלול

בחרו חוק קצב, עקבו אחר השיפוע בנקודה אחת, ואז בדקו כיצד חיבור הצעדים המקומיים בונה את עקומת הפתרון.

לפתיחת התחנה
מקורות להעמקה בלבד — השיעור עומד בפני עצמו

הסעיף מופיע בספר המלא אך אינו כלול במדריך שסופק.

ספר הלימוד: עמ׳ 4–8