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

x = 0 से x = 4 तक y = 0.5x के नीचे के क्षेत्र को x-अक्ष के परितः घुमाया जाता है। ठोस (शंकु) का आयतन V ज्ञात कीजिए।

y = 0.5x0 ≤ x ≤ 4

V =

2.समाकलकठिन

I = ∫₀² x²·eˣ dx का मान निकालिए।

∫₀² x²eˣ dx

I =

3.अनुक्रम और श्रेणियाँमध्यम

घात श्रेणी Σ_k=1^∞ 5ᵏ·(x − 1)ᵏ/(k + 1) x₀ = 1 के आसपास एक अंतराल पर अभिसरित होती है। उस अंतराल का बायाँ सिरा x ज्ञात करें।

Σ 5ᵏ·(x − 1)ᵏ/(k + 1)x₀ = 1

x =

4.अनुक्रम और श्रेणियाँकठिन

f(0.5) का सन्निकटन करने के लिए f(x) = 1/(1 − x) की घात 4 का मैकलॉरिन बहुपद उपयोग करें। P₄(0.5) दें।

f(x) = 1/(1 − x)n = 4x = 0.5

P₄(0.5) =

5.बहुचर कलनमध्यम

z = −2x²e^2y का उस बिंदु पर स्पर्श तल, जहाँ (x, y) = (2, 0.5), z = px + qy + c के रूप में लिखा जा सकता है। c ज्ञात करें।

f(x, y) = −2x²e^2y(a, b) = (2, 0.5)

c =

6.बहुचर कलनकठिन

I = ∬_R xy dA का मान निकालें, जहाँ R परवलय y = x² और रेखा y = 3x के बीच का क्षेत्र है।

y = x²y = 3xf = xy

I =

7.अवकल समीकरणमध्यम

4 °C पर सोडा का एक कैन फ़्रिज से निकालकर 27 °C वाले कमरे में लाया जाता है। 7 min के बाद इसका तापमान 15 °C है। यह न्यूटन के शीतलन नियम dT/dt = −k·(T − Tₐ) का पालन करता है। शुरुआत के कितने समय बाद, t, यह 12 °C तक पहुँचता है?

T₀ = 4 °CT_a = 27 °CT(7) = 15 °CT = 12 °C

t = min

8.अवकल समीकरणकठिन

x > 0 के लिए प्रारंभिक मान समस्या y′ + 2y/x = 5x² को y(1) = 2 के साथ हल कीजिए। y(2) ज्ञात कीजिए।

y′ + 2y/x = 5x²y(1) = 2

y(2) =

3विलयन

1.समाकल

उत्तर: V = 16.76

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∫₀⁴ 0.25x² dx

समाकलन करें

V = π·0.25·4³/3 = 16.76

उत्तर

V = 16.76

जाँच: त्रिज्या 2 और ऊँचाई 4 वाले शंकु का आयतन (1/3)πr²h = 16.76 है।

2.समाकल

उत्तर: I = 12.78

खंडशः समाकलन: ∫u·dv = u·v − ∫v·du, जो गुणन नियम से आता है। u उस गुणनखंड को चुनें जो अवकलन करने पर सरल हो जाए (x की घात, या ln x), और dv वह गुणनखंड जिसे आप समाकलित कर सकें (eˣ, sin x, cos x, या x जब u = ln x हो)। निश्चित समाकलन के लिए u·v का दोनों सीमाओं पर मान निकालें: ∫ₐᵇ u dv = [u·v]ₐᵇ − ∫ₐᵇ v du। गुणनखंड x² के लिए दो चरण चाहिए।

पहला चरण

∫x²eˣ dx = x²eˣ − ∫2x eˣ dx

दूसरा चरण

∫2x eˣ dx = 2x eˣ − 2eˣ

∫x²eˣ dx = eˣ(x² − 2x + 2)

सीमाएँ

7.389·(2) − 1·2 = 12.78

उत्तर

I = 12.78

3.अनुक्रम और श्रेणियाँ

उत्तर: x = 0.8

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।

गुणांक

c_k/c_k+1 = (1/5)·(k + 2)/(k + 1) → 0.2

त्रिज्या

R = 0.2

अंतराल

0.8 < x < 1.2

x = 0.8

उत्तर

x = 0.8

अनुपात परीक्षण दोनों अंत बिंदुओं पर कुछ नहीं कहता; उन्हें अलग से जाँचना होता है।

4.अनुक्रम और श्रेणियाँ

उत्तर: P₄(0.5) = 1.938

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।

मैकलॉरिन बहुपद

P₄(x) = 1 + x + x² + x³ + x⁴

मान रखें

P₄(0.5) = 1 + 0.5 + 0.25 + 0.125 + 0.0625 = 1.938

उत्तर

P₄(0.5) = 1.938

यथार्थ मान f(0.5) = 2 है; अधिक पद लेने या 0 के निकट बिंदु लेने पर त्रुटि 0.0625 घटती है।

5.बहुचर कलन

उत्तर: c = 43.49

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 मान और ढाल

f(2, 0.5) = −21.75

f_x = −4xe^2y → f_x(2, 0.5) = −21.75

f_y = −4x²e^2y → f_y(2, 0.5) = −43.49

स्पर्श तल

z = −21.75 − 21.75(x − 2) − 43.49(y − 0.5)

z = −21.75x − 43.49y + 43.49

अचर पद

c = 43.49

उत्तर

c = 43.49

6.बहुचर कलन

उत्तर: I = 30.38

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)।

प्रतिच्छेदन

x² = 3x → x = 0, x = 3

भीतरी समाकल

∫_x²^3x xy dy = x·(9x² − x⁴)/2

बाहरी समाकल

I = ∫₀³ (9x³ − x⁵)/2 dx = 30.38

उत्तर

I = 30.38

7.अवकल समीकरण

उत्तर: t = 4.599 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(-23/-12)/7 = 0.09294 min⁻¹

लक्ष्य तक पहुँचने का समय

t = ln(-23/(−15))/0.09294 = 4.599 min

उत्तर

t = 4.599 min

8.अवकल समीकरण

उत्तर: y(2) = 8.25

समाकलन गुणक

μ = e^{∫2/x dx} = x²

समाकलन करें

(x²y)′ = 5x⁴ → x²y = 5x⁵/5 + C

प्रारंभिक प्रतिबंध

2 = 5/5 + C → C = 1

मान निकालें

y(2) = (5·2⁵/5 + 1)/2² = 8.25

उत्तर

y(2) = 8.25

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