1.3

משוואות מסדר ראשון

המנוע המעריכי

The Exponentials eᵗ and eᵃᵗ

הפתרון של קצב שינוי היחסי לגודל הנוכחי, זמן הכפלה ושיעור המשתנה בזמן.

יחידת לימוד עצמאיתשיעור 3 מתוך 8כ־40 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?

לגזור את הפתרון y(t)=y₀eᵃᵗ מתוך חוק הקצב y′=ay, ולחלץ קצב, זמן הכפלה וזמן מחצית מנתונים.

כאשר בכל רגע מתווסף אותו אחוז מן הכמות הנוכחית, התוספות עצמן הולכות וגדלות. לכן המרחקים בזמן שווים מייצרים יחסי גודל שווים, לא הפרשים שווים.

לפני ההמחשה: קראו רק את הכותרת “מרווחי זמן שווים, יחסים שווים”. מה לדעתכם ישתנה, מה יישאר קבוע, ואיזה סימן בתמונה יוכל להפריך את הניבוי?

לראות לפני שמחשבים · המקרה הפשוט ביותר

מרווחי זמן שווים, יחסים שווים

קפיצות זמן שוות מייצרות יחסי גודל שוויםy₀×2×2×2כל יחידת זמן T: הכמות כפולה, לא +קבוע
עקבו מהצורה הראשונית אל התוצאה

הנקודות מסומנות בהפרשי זמן קבועים על פתרון שמכפיל את עצמו בכל מרווח.

מה כדאי לגלות: השוו את ההפרשים בין הגבהים ליחסים ביניהם. רק היחס נשאר קבוע.

אחרי שראינו

בסוף השיעור תוכלו

  • לפתור y′=ay לכל תנאי התחלה, כולל y₀=0.
  • לפרש את סימן a ואת היחידות שלו.
  • לחשב קצב, זמן הכפלה או זמן מחצית מתוך נתונים.

נותנים שמות למה שראינו

מושגים שנשתמש בהם

קצב יחסי
היחס y′/y; הוא מודד שינוי ליחידת כמות ולא תוספת מוחלטת.
פרמטר הקצב a
מספר בעל יחידות 1/זמן: חיובי לגידול, אפס לקבוע ושלילי לדעיכה.
זמן הכפלה
משך הזמן הדרוש להכפלת פתרון לא־אפס כאשר a>0.
זמן מחצית
משך הזמן הדרוש להקטנת הגודל המוחלט לחצי כאשר a<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 לשנןy(t) = y₀eᵃᵗ

מרכיבים את הפעולות

מהתמונה אל הנוסחה — הגזירה, בלי לדלג על הצעדים

  1. שומרים קודם את פתרון האפס

    אם y₀=0, הפונקציה y(t)=0 מקיימת את המשוואה. מטפלים בה לפני חלוקה ב־y כדי לא לאבד אותה.

    y₀ = 0 ⇒ y(t) ≡ 0
  2. מפרידים כאשר y₀ אינו אפס

    לפתרון הלא־אפס מחלקים ב־y ומזהים את נגזרת ln|y|. אינטגרציה מ־0 עד t מכניסה מיד את תנאי ההתחלה.

    ∫[y₀→y(t)] du/u = ∫[0→t] a ds
  3. מבודדים את הפתרון

    מהשוויון ln|y(t)|−ln|y₀|=at מקבלים יחס חיובי e^(at). סימן הפתרון נשמר ומתקבל אותו ביטוי גם ל־y₀ שלילי.

    y(t) = y₀e^(at)

    עוצרים לחשוב: השימור של הסימן נובע מהנוסחה המפורשת; אין צורך להסתמך על רציפות בלבד.

  4. שלושה סוגי התנהגות

    כאשר a>0 הערך המוחלט |y| גדל, כאשר a=0 הפתרון קבוע, וכאשר a<0 הערך המוחלט דועך לאפס. במודלים של כמות מניחים בדרך כלל y₀≥0. ל־a יש יחידות של 1/זמן.

    a>0: growth | a=0: constant | a<0: decay
  5. זמני הכפלה ומחצית

    דורשים יחס 2 בגידול או 1/2 בדעיכה, מצמצמים את y(t) ולוקחים ln. הנוסחאות תלויות בקצב בלבד.

    T_double=ln(2)/a ; T_half=ln(2)/|a|

עכשיו רואים את השיטה בפעולה

דוגמאות פתורות, צעד אחר צעד

דוגמה 1

מקצב הכפלה לנוסחה

תרבית חיידקים מתחילה מ-200 תאים ומכפילה את עצמה כל 4 שעות. מצאו את קצב הגידול a ואת גודל האוכלוסייה לאחר 10 שעות.

  1. הדרישה y(4)=2y(0) נותנת e^(4a)=2, ולכן a=ln(2)/4≈0.1733 לשעה.

  2. מציבים בפתרון: y(10)=200e^(10ln(2)/4)=200·2^(2.5).

  3. 2^(2.5)=√32≈5.657, ולכן y(10)≈1131.

  4. בדיקה: y(0)=200, והנגזרת של 200e^(at) היא a כפול הפונקציה, כנדרש.

התוצאה ומה היא אומרת

y(10)≈1131 תאים אחרי 10 שעות (גידול פי כ־5.66 מהאוכלוסייה ההתחלתית).

a=ln(2)/4≈0.1733 h⁻¹ ; y(10)≈1131
דוגמה 2

דעיכה וזמן מחצית

בגוף נמצאים 80 מ״ג חומר שזמן המחצית שלו 6 שעות. מצאו את a ואת הכמות לאחר 18 שעות.

  1. זמן מחצית 6 אומר e^(6a)=1/2, ולכן a=−ln(2)/6≈−0.1155 לשעה.

  2. 18 שעות הן שלושה זמני מחצית, ולכן הכמות מוכפלת שלוש פעמים ב־1/2.

  3. y(18)=80·(1/2)³=10 מ״ג.

  4. בדיקה: a שלילי, ולכן הפתרון דועך ומתקרב לאפס בלי להגיע אליו בזמן סופי.

התוצאה ומה היא אומרת

לאחר שלושה זמני מחצית נשארת שמינית מן הכמות ההתחלתית.

a=−ln(2)/6 h⁻¹ ; y(18)=10 mg

איפה זה פוגש את העולם

יישום

אותה נוסחה מתארת ריבית רציפה, דעיכה רדיואקטיבית, גידול חיידקים והגברה או הנחתה של אות — ההבדל נמצא בסימן וביחידות של a.

מלכודת נפוצה

מה כדאי לבדוק

לפרש את a כתוספת קבועה במקום כשיעור יחסי. במודל y′=ay הכמות שנוספת ביחידת זמן תלויה ב־y, ואילו במודל y′=a היא קבועה.

בודקים שהרעיון יושב

תרגול ומשוב

בדיקת הבנה

בחרו תשובה ורק אז בדקו את עצמכם

מה מתאר פתרון עם a=−0.2 לשעה?

בחרו אחת מהאפשרויות כדי להמשיך.

עכשיו אתם

אתגר קצר

כמות גדלה מ־5 ל־40 בשלוש יחידות זמן. מצאו את a, את זמן ההכפלה, ואת הכמות לאחר 4.5 יחידות זמן.

רמז ראשון

היחס 40/5 הוא חזקה של 2. השתמשו קודם במספר ההכפלות ורק אחר כך בלוגריתם.

הצגת דרך הפתרון
  1. היחס הוא 40/5=8=2³. לכן בשלוש יחידות זמן התרחשו שלוש הכפלות, וזמן ההכפלה הוא 1.
  2. מהנוסחה e^(3a)=8 מקבלים a=ln(8)/3=ln(2).
  3. לאחר 4.5 יחידות: y=5e^(4.5ln2)=5·2^4.5≈113.14.

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

rateFromSamples הופכת שתי מדידות לקצב a באמצעות לוגריתם היחס; exponentialModel מציבה את הקצב ב־y₀e^(at).

פלט צפוי

הקצב הוא ln(2)≈0.6931, זמן ההכפלה 1, והערך בזמן 4.5 הוא כ־113.14.

ניסוי המשך

החליפו את 40 ב־2.5 כדי ליצור דעיכה. נבאו את סימן a ואת זמן המחצית לפני ההרצה.

מהרעיון אל הקוד

מימוש חישובי

function exponentialModel(t, initial, rate) {
  return initial * Math.exp(rate * t);
}

function rateFromSamples(t1, y1, t2, y2) {
  if (y1 <= 0 || y2 <= 0 || t1 === t2) {
    throw new RangeError("positive samples at different times are required");
  }
  return Math.log(y2 / y1) / (t2 - t1);
}

const rate = rateFromSamples(0, 5, 3, 40);
console.log({ rate, doublingTime: Math.log(2) / rate });
console.log(exponentialModel(4.5, 5, rate));

לפני שממשיכים

מה לוקחים מהשיעור

  • הפתרון y=0 נשמר בנפרד לפני חלוקה ב־y.
  • סימן a קובע גידול, קביעות או דעיכה; היחידות שלו הן 1/זמן.
  • מרווחי זמן שווים יוצרים יחסי גודל שווים, ולכן מתקבלים זמן הכפלה וזמן מחצית קבועים.

משימת מעבדה לשיעור הזה

תחנה 1 — המנוע המעריכי

שנו את a בלבד ובדקו כיצד זמן ההכפלה משתנה. לאחר מכן התחילו מעל K והשוו את ההתנהגות למודל הלוגיסטי.

לפתיחת התחנה
מקורות להעמקה בלבד — השיעור עומד בפני עצמו

מדריך המרצים: עמ׳ 3–7

ספר הלימוד: עמ׳ 9–16