कलन 2: क्रैम पैक

सूत्र-पत्रक, हर विषय के मुख्य विधि-चरण और 8 अभ्यास प्रश्न, पूरे हल पीछे दिए गए हैं।

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1सूत्र और विधियाँ

समाकल

घात नियम: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
निश्चित समाकल: ∫_a^b 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: ∫_a^b (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 e^x, 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 |a_k+1/a_k|: L < 1 converges, L > 1 diverges
अभिसरण त्रिज्या: R = lim |c_k/c_k+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: f_x = ∂f/∂x (y constant), f_xy = f_yx
प्रवणता: ∇f = (f_x, f_y), largest slope |∇f|
दिशात्मक अवकलज: D_uf = ∇f·u, u = v/|v|
स्पर्श तल: z = f(a, b) + f_x(x − a) + f_y(y − b)
शृंखला नियम: dz/dt = f_x·dx/dt + f_y·dy/dt
द्वितीय-अवकलज परीक्षण: D = f_xxf_yy − f_xy²: D > 0, f_xx > 0 minimum; D > 0, f_xx < 0 maximum; D < 0 saddle
द्वि-समाकल: ∬_R f dA = ∫_a^b∫_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 = (f_x, f_y) 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 f_x = 0 और f_y = 0 को साथ-साथ हल करें, फिर हर बिंदु को D = f_xx·f_yy − f_xy² 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 = y₀e^kt
अर्ध-आयु: k = ln 2 / t_½
न्यूटन का शीतलन नियम: T(t) = T_a + (T₀ − T_a)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

I = ∫₀¹ 2x·(x² + 1)¹ dx का मान निकालें।

f(x) = 2x·(x² + 1)¹[0, 1]

I =

2.समाकलकठिन

रेखा y = x और परवलय y = x² के बीच के क्षेत्र को x-अक्ष के परितः घुमाया जाता है। ठोस का आयतन V ज्ञात कीजिए।

y = xy = x²

V =

3.अनुक्रम और श्रेणियाँमध्यम

Σ_k=1^∞ ((1k + 4)/(3k + 3))ᵏ पर मूल परीक्षण लगाएँ। L = lim |a_k|^1/k ज्ञात करें।

a_k = ((1k + 4)/(3k + 3))ᵏ

L =

4.अनुक्रम और श्रेणियाँकठिन

f(x) = eˣ का सन्निकटन x = 0.5 पर घात 2 के मैकलॉरिन बहुपद से किया गया है। लाग्रांज त्रुटि सीमा M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! को M = e^0.5 = 1.649 के साथ उपयोग करके अधिकतम संभव त्रुटि |R₂| ज्ञात करें।

f(x) = eˣn = 2x = 0.5M = 1.649

|R₂| =

5.बहुचर कलनमध्यम

f(x, y) = −x²y − x² − 4y³ − 4xy के लिए (−1, 3) पर v = (1, 3) की दिशा में दिशात्मक अवकलज D_uf ज्ञात करें।

f(x, y) = −x²y − x² − 4y³ − 4xyP = (−1, 3)v = (1, 3)

D_uf =

6.बहुचर कलनकठिन

चिह्नित बिंदु f(x, y) = x⁴ + y⁴ − 4xy के क्रांतिक बिंदु हैं। काठी बिंदु पर क्लिक करें।

f(x, y) = x⁴ + y⁴ − 4xy

1A (−1, −1)
2B (1, 1)
3C (0, 0)

7.अवकल समीकरणमध्यम

500 °C पर एक गढ़ा हुआ इस्पात भाग 26 °C वाली कार्यशाला में ठंडा होने के लिए छोड़ा जाता है। 20 min के बाद इसका तापमान 286 °C है। यह न्यूटन के शीतलन नियम dT/dt = −k·(T − Tₐ) का पालन करता है। शुरुआत के कितने समय बाद, t, यह 393 °C तक पहुँचता है?

T₀ = 500 °CT_a = 26 °CT(20) = 286 °CT = 393 °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(0.75) ज्ञात कीजिए; कोण रेडियन में।

y″ + 3y′ + 27.25y = 27.25y(0) = 0y′(0) = 0

y(0.75) =

3विलयन

1.समाकल

उत्तर: I = 1.5

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।

प्रतिस्थापन

u = x² + 1, du = 2x dx

I = ∫₁² u¹ du

समाकलन करें और मान निकालें

I = [u²/2]₁² = (4 − 1)/2 = 1.5

उत्तर

I = 1.5

2.समाकल

उत्तर: V = 0.4189

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।

प्रतिच्छेद बिंदु

1x = 1x² → x = 0, x = 1

वॉशर विधि

V = π∫₀¹ ((1x)² − (1x²)²) dx

समाकलन करें

V = π(1·1³/3 − 1·1⁵/5) = π·0.1333 = 0.4189

उत्तर

V = 0.4189

3.अनुक्रम और श्रेणियाँ

उत्तर: L = 0.3333

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 |a_k+1/a_k|; मूल परीक्षण: L = lim |a_k|^1/k। L < 1 अभिसरित, L > 1 अपसरित, L = 1 कुछ तय नहीं करता। घात श्रेणी Σc_k(x − x₀)ᵏ |x − x₀| < R के लिए अभिसरित होती है, जहाँ R = lim |c_k/c_k+1|; 0 की ओर घटते पदों वाली एकांतर श्रेणी अभिसरित होती है।

पदों का मूल

|a_k|^1/k = (1k + 4)/(3k + 3) → 1/3

निष्कर्ष

L = 0.3333 < 1

उत्तर

L = 0.3333

L < 1, इसलिए श्रेणी अभिसरित होती है।

4.अनुक्रम और श्रेणियाँ

उत्तर: |R₂| = 0.03435

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 पर सीमा

M = e^0.5 = 1.649

लाग्रांज सीमा

|R₂| ≤ 1.649·0.5³/3! = 0.03435

उत्तर

|R₂| = 0.03435

वास्तविक त्रुटि छोटी है: |f(0.5) − P₂(0.5)| = 0.02372।

5.बहुचर कलन

उत्तर: D_uf = −100.9

प्रवणता: ∇f = (f_x, f_y) सबसे तीव्र आरोहण की दिशा में इंगित करता है, और |∇f| परिवर्तन की सबसे बड़ी दर है। दिशा v के अनुदिश दिशात्मक अवकलज D_uf = ∇f·u है, जहाँ मात्रक सदिश u = v/|v|। बिंदु (a, b) पर स्पर्श तल z = f(a, b) + f_x(a, b)(x − a) + f_y(a, b)(y − b) है; यह उस बिंदु के निकट f का रैखिक सन्निकटन देता है। शृंखला नियम: dz/dt = f_x·dx/dt + f_y·dy/dt।

बिंदु पर प्रवणता

f_x = −2xy − 2x − 4y → f_x(−1, 3) = −4

f_y = −x² − 12y² − 4x → f_y(−1, 3) = −105

इकाई सदिश

|v| = √(1² + 3²) = 3.162

u = (0.3162, 0.9487)

अदिश गुणनफल

D_uf = (−4)·0.3162 + (−105)·0.9487 = −100.9

उत्तर

D_uf = −100.9

6.बहुचर कलन

उत्तर: C (0, 0)

क्रांतिक बिंदु और द्वि-समाकल: क्रांतिक बिंदु पर f_x = f_y = 0 होता है। D = f_xxf_yy − f_xy² के साथ द्वितीय-अवकलज परीक्षण: D > 0 और f_xx > 0 स्थानीय निम्निष्ठ है, D > 0 और f_xx < 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)।

क्रांतिक बिंदु

f_x = 0 और f_y = 0 को साथ-साथ हल करें।

f_x = 4x³ − 4y = 0

f_y = 4y³ − 4x = 0

(0, 0), (1, 1), (−1, −1)

द्वितीय-अवकलज परीक्षण

(0, 0): f_xx = 0, f_yy = 0, f_xy = −4, D = −16 → काठी बिंदु

(1, 1): f_xx = 12, f_yy = 12, f_xy = −4, D = 128 → स्थानीय निम्निष्ठ

(−1, −1): f_xx = 12, f_yy = 12, f_xy = −4, D = 128 → स्थानीय निम्निष्ठ

बिंदु

C (0, 0): काठी बिंदु

उत्तर

C (0, 0)

7.अवकल समीकरण

उत्तर: t = 8.521 min

प्रथम कोटि अवकल समीकरण: dy/dt = k·y का हल y = y₀·e^kt 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(474/260)/20 = 0.03003 min⁻¹

लक्ष्य तक पहुँचने का समय

t = ln(474/367)/0.03003 = 8.521 min

उत्तर

t = 8.521 min

8.अवकल समीकरण

उत्तर: y(0.75) = 1.322

द्वितीय-कोटि रैखिक समीकरण: y″ + b·y′ + c·y = 0 के लिए y = e^rt आज़माएँ: इससे अभिलक्षणिक समीकरण r² + b·r + c = 0 मिलता है। दो भिन्न वास्तविक मूल r₁ ≠ r₂ से y = A·e^r₁t + B·e^r₂t मिलता है (अतिअवमंदित); द्विगुण मूल r से y = (A + Bt)·e^rt (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″ + 2ζω_ny′ + ω_n²y = 0 के रूप में लिखने पर ω_n 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।

स्थिर मान और मूल

y_ss = 1, r = −1.5 ± 5j

प्रारंभिक मानों से अचर

y(0) = 1 + A = 0 → A = −1

y′(0) = −1.5A + 5B = 0 → B = −0.3

मान निकालें

y(0.75) = 1·(1 − e^−1.125(cos 3.75 + 0.3·sin 3.75)) = 1.322

उत्तर

y(0.75) = 1.322

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