अवकल समीकरण: 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

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

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।

अवकलज

घात नियम: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹
गुणनफल नियम: (uv)′ = u′v + uv′
भागफल नियम: (u/v)′ = (u′v − uv′)/v²
शृंखला नियम: f(g(x))′ = f′(g(x))·g′(x)
सामान्य अवकलज: (eˣ)′ = eˣ, (ln x)′ = 1/x, (sin x)′ = cos x, (cos x)′ = −sin x

विधि

संरचना पहचानें: योग, गुणनफल, भागफल या संयोजन।
x की हर घात पर घात नियम लगाएँ।
जहाँ आवश्यक हो वहाँ गुणनफल, भागफल या शृंखला नियम का उपयोग करें।
सरल करें, और यदि पूछा जाए तो बिंदु पर मान निकालें।

संख्यात्मक विधियाँ

द्विभाजन: c = (a + b)/2, width after n steps (b − a)/2ⁿ
न्यूटन–रैफ़्सन: x_n+1 = xₙ − f(xₙ)/f′(xₙ)
रैखिक अंतर्वेशन: y = y₁ + (y₂ − y₁)(x − x₁)/(x₂ − x₁)
समलंब नियम: T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + … + 2f_n−1 + fₙ], h = (b − a)/n
सिम्पसन नियम (n सम): S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + … + 4f_n−1 + fₙ]
समलंब त्रुटि सीमा: |E| ≤ (b − a)h²M/12, M = max|f″|
यूलर: y_n+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ)
ह्यून: y_n+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + hk₁)
RK4: y_n+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄)

विधि

मूल के लिए: द्विभाजन में चिह्न-परिवर्तन जाँचें, या न्यूटन के लिए f और f′ निकालें, और पुनरावृत्तियों की सारणी में छह या अधिक अंक रखें।
सारणी मान के लिए: दो पड़ोसी बिंदुओं के बीच रैखिक अंतर्वेशन करें।
समाकल के लिए: h = (b − a)/n निकालें, हर नोड पर f सूचीबद्ध करें, भार लगाएँ (समलंब के लिए 1, 2, …, 2, 1; सम n वाले सिम्पसन के लिए 1, 4, 2, …, 4, 1) और h/2 या h/3 से गुणा करें।
ODE के लिए: t₀ से yₙ₊₁ = yₙ + h·f(tₙ, yₙ) (यूलर) या औसत ढाल (ह्यून) से चलें, हर चरण के लिए एक पंक्ति, जब तक माँगे गए t तक न पहुँचें।

2अभ्यास प्रश्न

1.अवकल समीकरणमध्यम

90 °C पर कॉफ़ी का एक कप 24 °C वाले कमरे में छोड़ा जाता है। यह न्यूटन के शीतलन नियम dT/dt = −k·(T − Tₐ) का पालन करता है। k = 0.12 min⁻¹ के साथ 14 min के बाद इसका तापमान T ज्ञात कीजिए।

T₀ = 90 °CT_a = 24 °Ck = 0.12 min⁻¹t = 14 min

T = °C

2.अवकल समीकरणकठिन

y(0) = 3 के साथ y′ + y = 7e^−3t हल कीजिए। y(0.5) ज्ञात कीजिए।

y′ + y = 7e^−3ty(0) = 3

y(0.5) =

3.समाकलमध्यम

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

f(x) = 2x·(x² + 1)²[0, 1]

I =

4.समाकलकठिन

परवलय y = 9 − x² और x-अक्ष के बीच के क्षेत्र का क्षेत्रफल A ज्ञात करें।

y = 9 − x²

A =

5.अवकलजमध्यम

मान लें f(x) = (3x − 1)³। f′(−1) ज्ञात करें।

f(x) = (3x − 1)³x = −1

f′(−1) =

6.अवकलजकठिन

मान लें f(x) = x³ + 1.5x² − 4। स्थानीय उच्चिष्ठ का x-निर्देशांक x ज्ञात करें।

f(x) = x³ + 1.5x² − 4

x =

7.संख्यात्मक विधियाँमध्यम

n = 4 पट्टियों के साथ सिम्पसन नियम से ∫₀^1.5 √(1 + x³) dx का सन्निकटन करें। S दें।

f(x) = √(1 + x³)[a, b] = [0, 1.5]n = 4

S =

8.संख्यात्मक विधियाँकठिन

y′ = e^−ty, y(0) = 1 के लिए h = 0.1 के साथ ह्यून विधि (सुधारी हुई यूलर) से y₂ ≈ y(0.2) आकलित करें।

y′ = e^−tyy(0) = 1h = 0.1

y₂ =

3विलयन

1.अवकल समीकरण

उत्तर: T = 36.3 °C

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 नियम का हल

T(t) = 24 + 66·e^−0.12t

t रखें

T(14) = 24 + 66·0.1864 = 36.3 °C

उत्तर

T = 36.3 °C

2.अवकल समीकरण

उत्तर: y(0.5) = 3.161

समाकलन गुणक

μ = e^t

(e^ty)′ = 7e^−2t

व्यापक हल

y = 7/(−2)·e^−3t + C·e^−t = −3.5·e^−3t + C·e^−t

प्रारंभिक प्रतिबंध

3 = −3.5 + C → C = 6.5

मान निकालें

y(0.5) = −3.5·0.2231 + 6.5·0.6065 = 3.161

उत्तर

y(0.5) = 3.161

3.समाकल

उत्तर: I = 2.333

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 u² du

समाकलन करें और मान निकालें

I = [u³/3]₁² = (8 − 1)/3 = 2.333

उत्तर

I = 2.333

4.समाकल

उत्तर: A = 36

शून्यक

9 − x² = 0 → x = ±3

समाकलन करें

A = [9x − x³/3]₋₃³ = 18 − (−18) = 36

उत्तर

A = 36

5.अवकलज

उत्तर: f′(−1) = 144

अवकलन: अवकलज f′(x) बिंदु x पर ग्राफ़ की ढाल है। घात नियम: (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹। गुणनफल नियम: (uv)′ = u′v + uv′। शृंखला नियम: (f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x)। जहाँ f′(x) = 0, वहाँ ग्राफ़ की क्षैतिज स्पर्शरेखा होती है: उच्चिष्ठ, निम्निष्ठ या काठी बिंदु।

शृंखला नियम

f′(x) = 3·(3x − 1)²·3

मान रखें

f′(−1) = 3·(−4)²·3 = 144

उत्तर

f′(−1) = 144

6.अवकलज

उत्तर: x = −1

अवकलज

f′(x) = 3x² + 3x = 3·(x² + x)

f′(x) = 0 हल करें

x = −1 या x = 0

कौन-सा क्या है

f″(x) = 6x + 3: उच्चिष्ठ पर ऋणात्मक, निम्निष्ठ पर धनात्मक।

f″(−1) = −3, f″(0) = 3

x = −1

उत्तर

x = −1

7.संख्यात्मक विधियाँ

उत्तर: S = 1.976

संख्यात्मक समाकलन: [a, b] को चौड़ाई h = (b − a)/n की n पट्टियों में बाँटें, जिनके नोड x₀ … xₙ हैं। समलंब नियम: T = (h/2)[f₀ + 2f₁ + 2f₂ + … + 2f_n−1 + fₙ]। सिम्पसन नियम (n सम): S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + 4f₃ + … + 4f_n−1 + fₙ]। समलंब की त्रुटि h² की तरह घटती है (सीमा (b − a)h²·M/12, M = max|f″|), सिम्पसन की h⁴ की तरह, इसलिए समान नोड्स के लिए सिम्पसन आमतौर पर कहीं अधिक सटीक होता है।

नोड और मान

h = 0.375

Σ wᵢfᵢ = 1 + 4·1.026028 + 2·1.192424 + 4·1.556865 + 2.09165 = 15.808071

सिम्पसन नियम

S = (0.375/3)·15.808071 = 1.976

उत्तर

S = 1.976

इस समाकल का कोई प्राथमिक प्रतिअवकलज नहीं है, और ठीक ऐसी ही स्थिति में संख्यात्मक नियम की आवश्यकता होती है।

8.संख्यात्मक विधियाँ

उत्तर: y₂ = 1.179

y′ = f(t, y) का संख्यात्मक हल: यूलर विधि हर चरण के आरंभ की ढाल के अनुदिश चलती है: y_n+1 = yₙ + h·f(tₙ, yₙ)। ह्यून विधि (सुधारी हुई यूलर) आरंभ की ढाल और यूलर पूर्वानुमान पर ढाल का औसत लेती है: k₁ = f(tₙ, yₙ), k₂ = f(tₙ + h, yₙ + h·k₁), y_n+1 = yₙ + (h/2)(k₁ + k₂)। मौलिक रुंगे–कुट्टा विधि (RK4) चार ढालों को मिलाती है: y_n+1 = yₙ + (h/6)(k₁ + 2k₂ + 2k₃ + k₄)। यूलर की वैश्विक त्रुटि h के समानुपाती है, ह्यून की h² के, RK4 की h⁴ के।

ह्यून चरण

y₁ = 1 + (0.1/2)(1 + 0.895834) = 1.094792

y₂ = 1.094792 + (0.1/2)(0.896301 + 0.789083) = 1.179061

ग्राफ़

y₂ = 1.179

उत्तर

y₂ = 1.179

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