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1सूत्र और विधियाँ
समाकल
घात नियम
∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
निश्चित समाकल
∫ab f dx = F(b) − F(a)
सामान्य समाकल
∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
वक्रों के बीच का क्षेत्रफल
∫ab (f − g) dx
विधि
जहाँ संभव हो, समाकल्य को सरल पदों के योग के रूप में लिखें।
घात नियम लगाएँ: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), और ex, 1/x, sin तथा cos के मानक समाकल।
जब कोई फलन और उसका अवकलज साथ दिखें, तो प्रतिस्थापन का उपयोग करें।
निश्चित समाकल के लिए F(b) − F(a) निकालें।
अनुक्रम और श्रेणियाँ
समांतर अनुक्रम
aₙ = a₁ + (n − 1)d, Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2
गुणोत्तर अनुक्रम
aₙ = a₁rⁿ⁻¹, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r)
अनंत गुणोत्तर श्रेणी
S = a₁/(1 − r), |r| < 1
p-श्रेणी
Σ1/kᵖ converges only for p > 1
अनुपात परीक्षण
L = lim |ak+1/ak|: L < 1 converges, L > 1 diverges
अभिसरण त्रिज्या
R = lim |ck/ck+1|
टेलर बहुपद
Pₙ(x) = Σ f⁽ᵏ⁾(a)(x − a)ᵏ/k!
मैकलॉरिन श्रेणी
eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + …, cos x = 1 − x²/2! + …, ln(1 + x) = x − x²/2 + …
लाग्रांज त्रुटि सीमा
|Rₙ| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!
विधि
प्रकार पहचानें: समांतर (अचर अंतर), गुणोत्तर (अचर अनुपात), मानक श्रेणी, घात श्रेणी या टेलर बहुपद।
योगों के लिए Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r), या |r| < 1 होने पर S = a₁/(1 − r) उपयोग करें, जहाँ a₁ योग का पहला पद है।
अभिसरण के लिए: पहले n-वाँ पद परीक्षण, फिर Σ1/kᵖ या गुणोत्तर श्रेणी से तुलना, और क्रमगुणों तथा k-वीं घातों के लिए अनुपात या मूल परीक्षण उपयोग करें।
टेलर बहुपदों के लिए f(a), f′(a), f″(a), … सूचीबद्ध करें, k-वें अवकलज को k! से भाग दें, और त्रुटि को M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)! से सीमित करें।
बहुचर कलन
आंशिक अवकलज
fx = ∂f/∂x (y constant), fxy = fyx
प्रवणता
∇f = (fx, fy), largest slope |∇f|
दिशात्मक अवकलज
Duf = ∇f·u, u = v/|v|
स्पर्श तल
z = f(a, b) + fx(x − a) + fy(y − b)
शृंखला नियम
dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt
द्वितीय-अवकलज परीक्षण
D = fxxfyy − fxy²: D > 0, fxx > 0 minimum; D > 0, fxx < 0 maximum; D < 0 saddle
द्वि-समाकल
∬R f dA = ∫ab∫g(x)h(x) f dy dx
ध्रुवीय निर्देशांक
x = r cos θ, y = r sin θ, dA = r dr dθ
विधि
आंशिक अवकलज के लिए दूसरे चर को अचर मानें और एकल-चर के नियम उपयोग करें।
प्रवणता के प्रश्नों में बिंदु पर ∇f = (fx, fy) निकालें; सबसे तीव्र ढाल के लिए |∇f| और दिशात्मक अवकलज के लिए मात्रक सदिश u के साथ ∇f·u उपयोग करें।
चरम बिंदुओं के लिए fx = 0 और fy = 0 को साथ-साथ हल करें, फिर हर बिंदु को D = fxx·fyy − fxy² से वर्गीकृत करें।
द्वि-समाकल के लिए क्षेत्र का रेखाचित्र बनाएँ, क्रम (या वृत्तों के लिए ध्रुवीय निर्देशांक) ऐसे चुनें कि भीतरी सीमाएँ घेरने वाले वक्र हों, और पहले भीतरी का समाकलन करें।
अवकल समीकरण
चरघातांकी वृद्धि/क्षय
dy/dt = ky → y = y0ekt
अर्ध-आयु
k = ln 2 / t½
न्यूटन का शीतलन नियम
T(t) = Ta + (T0 − Ta)e−kt
समाकलन गुणक
y′ + p(x)y = q(x): μ = e∫p dx, (μy)′ = μq
मिश्रण टैंक
dm/dt = r·c − (r/V)·m
2अभ्यास प्रश्न
1.समाकलमध्यम
x = 0 से x = 2 तक y = 3x के नीचे के क्षेत्र को x-अक्ष के परितः घुमाया जाता है। ठोस (शंकु) का आयतन V ज्ञात कीजिए।
y = 3x0 ≤ x ≤ 2
V =
2.समाकलकठिन
y = 0.5x2 और y = 3x से घिरे क्षेत्र का क्षेत्रफल A ज्ञात करें।
y = 0.5x2y = 3x
A =
3.अनुक्रम और श्रेणियाँमध्यम
Σk=1∞ ((3k + 1)/(5k + 2))ᵏ पर मूल परीक्षण लगाएँ। L = lim |ak|1/k ज्ञात करें।
ak = ((3k + 1)/(5k + 2))ᵏ
L =
4.अनुक्रम और श्रेणियाँकठिन
a = 4 के परितः f(x) = √x की टेलर श्रेणी में (x − 4)³ का गुणांक c₃ ज्ञात करें।
f(x) = √xa = 4k = 3
c₃ =
5.बहुचर कलनमध्यम
f(0.9, 2.1) का सन्निकटन करने के लिए (1, 2) पर f(x, y) = −3xy³ − x³ + 5y² + 3xy का स्पर्श तल उपयोग करें। रैखिक सन्निकटन L दें।
f(x, y) = −x³ + 3x − y² − 4y का (−1, −2) पर एक क्रांतिक बिंदु है। वहाँ विविक्तकर D = fxxfyy − fxy² निकालें।
f(x, y) = −x³ + 3x − y² − 4yP = (−1, −2)
D =
7.अवकल समीकरणमध्यम
320 °C पर एक गढ़ा हुआ इस्पात भाग 24 °C वाली कार्यशाला में ठंडा होने के लिए छोड़ा जाता है। 51 min के बाद इसका तापमान 202 °C है। यह न्यूटन के शीतलन नियम dT/dt = −k·(T − Tₐ) का पालन करता है। शुरुआत के कितने समय बाद, t, यह 131 °C तक पहुँचता है?
T0 = 320 °CTa = 24 °CT(51) = 202 °CT = 131 °C
t = min
8.अवकल समीकरणकठिन
एक प्रणाली t ≥ 0 के लिए y″ + 3y′ + 27.25y = 27.25 का पालन करती है, विराम से शुरू होकर: y(0) = 0, y′(0) = 0। y(0.5) ज्ञात कीजिए; कोण रेडियन में।
y″ + 3y′ + 27.25y = 27.25y(0) = 0y′(0) = 0
y(0.5) =
3विलयन
1.समाकल
उत्तर: V = 75.4
घूर्णन-आयतन: y = f(x) के नीचे x = a से x = b तक के क्षेत्र को x-अक्ष के परितः घुमाने से एक ठोस बनता है जिसका x पर अनुप्रस्थ-काट f(x) त्रिज्या की चकती है। चकतियों को जोड़ने पर V = π∫ₐᵇ f(x)² dx मिलता है। जब क्षेत्र बाहरी वक्र R(x) और भीतरी वक्र r(x) के बीच हो, तब हर परत वॉशर है: V = π∫ₐᵇ (R(x)² − r(x)²) dx। घटाने से पहले त्रिज्याओं का वर्ग करें।
चकती विधि
V = π∫₀2 9x² dx
समाकलन करें
V = π·9·2³/3 = 75.4
उत्तर
V = 75.4
जाँच: त्रिज्या 6 और ऊँचाई 2 वाले शंकु का आयतन (1/3)πr²h = 75.4 है।
2.समाकल
उत्तर: A = 18
निश्चित समाकल: ∫ₐᵇ f(x) dx, a से b तक ग्राफ़ और x-अक्ष के बीच का चिह्नित क्षेत्रफल है। एक प्रतिअवकलज F (F′ = f) ज्ञात करें और F(b) − F(a) निकालें। घात नियम: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1)। दो वक्रों के बीच का क्षेत्रफल ∫(ऊपरी − निचला) dx है।
प्रतिच्छेद बिंदु
0.5x2 = 3x → x = 0, x = 6
ऊपरी घटा निचले का समाकलन करें
A = [1.5x2 − 0.1667x3]06 = 18
उत्तर
A = 18
3.अनुक्रम और श्रेणियाँ
उत्तर: L = 0.6
अभिसरण: यदि पद 0 की ओर नहीं जाते तो श्रेणी अपसरित होती है (n-वाँ पद परीक्षण)। Σ1/kᵖ केवल p > 1 के लिए अभिसरित होती है, और Σrᵏ केवल |r| < 1 के लिए। जब बड़े k के लिए किसी श्रेणी के पद इनमें से किसी जैसे व्यवहार करें, तो उसकी तुलना इससे करें। अनुपात परीक्षण: L = lim |ak+1/ak|; मूल परीक्षण: L = lim |ak|1/k। L < 1 अभिसरित, L > 1 अपसरित, L = 1 कुछ तय नहीं करता। घात श्रेणी Σck(x − x₀)ᵏ |x − x₀| < R के लिए अभिसरित होती है, जहाँ R = lim |ck/ck+1|; 0 की ओर घटते पदों वाली एकांतर श्रेणी अभिसरित होती है।
पदों का मूल
|ak|1/k = (3k + 1)/(5k + 2) → 3/5
निष्कर्ष
L = 0.6 < 1
उत्तर
L = 0.6
L < 1, इसलिए श्रेणी अभिसरित होती है।
4.अनुक्रम और श्रेणियाँ
उत्तर: c₃ = 0.001953
टेलर बहुपद: x = a के निकट कोई सुचारु फलन Pₙ(x) = f(a) + f′(a)(x − a) + f″(a)(x − a)²/2! + … + f⁽ⁿ⁾(a)(x − a)ⁿ/n! से सन्निकटित होता है; a = 0 के लिए यह मैकलॉरिन बहुपद है। मानक श्रेणियाँ: eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + x⁵/5! − …, cos x = 1 − x²/2! + x⁴/4! − …, ln(1 + x) = x − x²/2 + x³/3 − …, 1/(1 − x) = Σxᵏ। लाग्रांज त्रुटि सीमा: |f(x) − Pₙ(x)| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!, जहाँ M, a और x के बीच |f⁽ⁿ⁺¹⁾| का सबसे बड़ा मान है।
अवकलज f⁽³⁾
f⁽³⁾(x) = 0.375·x1/2 − 3
गुणांक
c₃ = 0.375·41/2 − 3/3! = 0.001953
c₃ = 0.001953
उत्तर
c₃ = 0.001953
5.बहुचर कलन
उत्तर: L = 1.8
प्रवणता: ∇f = (fx, fy) सबसे तीव्र आरोहण की दिशा में इंगित करता है, और |∇f| परिवर्तन की सबसे बड़ी दर है। दिशा v के अनुदिश दिशात्मक अवकलज Duf = ∇f·u है, जहाँ मात्रक सदिश u = v/|v|। बिंदु (a, b) पर स्पर्श तल z = f(a, b) + fx(a, b)(x − a) + fy(a, b)(y − b) है; यह उस बिंदु के निकट f का रैखिक सन्निकटन देता है। शृंखला नियम: dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt।
बिंदु पर मान और ढाल
f(1, 2) = 1
fx = −3y³ − 3x² + 3y → fx(1, 2) = −21
fy = −9xy² + 10y + 3x → fy(1, 2) = −13
स्पर्श तल
z = 1 − 21(x − 1) − 13(y − 2)
z = −21x − 13y + 48
रैखिक सन्निकटन
L = 1 + (−21)·(−0.1) + (−13)·0.1 = 1.8
उत्तर
L = 1.8
यथार्थ मान f = 1.9863 है; तल निकट है क्योंकि चरण छोटा है।
6.बहुचर कलन
उत्तर: D = −12
क्रांतिक बिंदु और द्वि-समाकल: क्रांतिक बिंदु पर fx = fy = 0 होता है। D = fxxfyy − fxy² के साथ द्वितीय-अवकलज परीक्षण: D > 0 और fxx > 0 स्थानीय निम्निष्ठ है, D > 0 और fxx < 0 स्थानीय उच्चिष्ठ, D < 0 काठी बिंदु, और D = 0 कुछ तय नहीं करता। सामान्य क्षेत्र पर द्वि-समाकल के लिए भीतरी सीमाएँ वे वक्र रखें जो क्षेत्र को घेरते हैं; वृत्तीय क्षेत्रों और त्रिज्यखंडों के लिए ध्रुवीय निर्देशांक उपयोग करें, x = r cos θ, y = r sin θ और dA = r dr dθ (गुणक r न भूलें)।
द्वितीय अवकलज
fxx = 6, fyy = −2, fxy = 0
विविक्तकर
D = 6·(−2) − 0² = −12
→ काठी बिंदु
उत्तर
D = −12
7.अवकल समीकरण
उत्तर: t = 102 min
प्रथम कोटि अवकल समीकरण: dy/dt = k·y का हल y = y₀·ekt है (k > 0 के लिए वृद्धि, k < 0 के लिए क्षय); अर्ध-आयु T से k = ln 2/T मिलता है। न्यूटन का शीतलन नियम dT/dt = −k·(T − Tₐ), T(t) = Tₐ + (T₀ − Tₐ)·e−kt देता है। रैखिक समीकरण y′ + p(x)·y = q(x) समाकलन गुणक μ = e∫p dx से हल होता है: (μy)′ = μq, इसलिए μy = ∫μq dx + C।
शीतलन स्थिरांक
k = ln(296/178)/51 = 0.009972 min⁻¹
लक्ष्य तक पहुँचने का समय
t = ln(296/107)/0.009972 = 102 min
उत्तर
t = 102 min
8.अवकल समीकरण
उत्तर: y(0.5) = 1.294
द्वितीय-कोटि रैखिक समीकरण: y″ + b·y′ + c·y = 0 के लिए y = ert आज़माएँ: इससे अभिलक्षणिक समीकरण r² + b·r + c = 0 मिलता है। दो भिन्न वास्तविक मूल r₁ ≠ r₂ से y = A·er₁t + B·er₂t मिलता है (अतिअवमंदित); द्विगुण मूल r से y = (A + Bt)·ert (क्रांतिक अवमंदित); सम्मिश्र मूल −α ± jω से y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt) (अल्पावमंदित, दोलनशील)। प्रारंभिक मान y(0) और y′(0) A और B तय करते हैं। y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0 के रूप में लिखने पर ωn प्राकृतिक आवृत्ति है और ζ अवमंदन अनुपात: ζ < 1 पर दोलन होता है। अचर निवेश के साथ, y″ + by′ + cy = c·K, हल स्थिर मान K और मुक्त अनुक्रिया का योग है।