अभियांत्रिकी गणित 2: क्रैम पैक

सूत्र-पत्रक, हर विषय के मुख्य विधि-चरण और 16 अभ्यास प्रश्न, पूरे हल पीछे दिए गए हैं।

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1सूत्र और विधियाँ

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

आव्यूह और सारणिक

2×2 सारणिक
det = ad − bc
2×2 व्युत्क्रम
A⁻¹ = (1/det)·[d −b; −c a]
उत्पाद
(AB)ij = Σk AikBkj
आइगेन मान
det(A − λI) = 0
क्रैमर का नियम
xi = det(Ai)/det(A)

सदिश: अदिश और सदिश गुणनफल

परिमाण
|a| = √(ax² + ay² + az²)
इकाई सदिश
û = a/|a|
कोण से घटक
Fx = F·cos θ, Fy = F·sin θ
अदिश गुणनफल
a·b = axbx + ayby + azbz = |a||b|cos θ
b पर a का अदिश प्रक्षेप
a·b/|b|
कार्य
W = F·d
सदिश गुणनफल
a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx)
क्षेत्रफल
समांतर चतुर्भुज |a × b|, त्रिभुज ½|a × b|
O के परितः आघूर्ण
MO = r × F, r = A − O
समांतर षट्फलक का आयतन
V = |a·(b × c)|

विधि

  1. हर सदिश को घटकों में लिखें; परिमाण और कोण से दिए गए बल के लिए F·cos θ और F·sin θ का उपयोग करें।
  2. लंबाइयों और दिशाओं के लिए परिमाण √(x² + y² + z²) और इकाई सदिश a/|a| का उपयोग करें।
  3. कोणों, प्रक्षेपों, लंबवतता और कार्य के लिए अदिश गुणनफल का उपयोग करें: a·b = |a||b|cos θ।
  4. लंबवत सदिशों, क्षेत्रफलों और आघूर्णों के लिए सदिश गुणनफल का उपयोग करें: क्रम a × b बनाए रखते हुए तीनों घटक ध्यान से लिखें।

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

  1. जहाँ संभव हो, समाकल्य को सरल पदों के योग के रूप में लिखें।
  2. घात नियम लगाएँ: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), और ex, 1/x, sin तथा cos के मानक समाकल।
  3. जब कोई फलन और उसका अवकलज साथ दिखें, तो प्रतिस्थापन का उपयोग करें।
  4. निश्चित समाकल के लिए F(b) − F(a) निकालें।

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

  1. आंशिक अवकलज के लिए दूसरे चर को अचर मानें और एकल-चर के नियम उपयोग करें।
  2. 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।
  3. 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।
  4. 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।

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

  1. प्रकार पहचानें: समांतर (अचर अंतर), गुणोत्तर (अचर अनुपात), मानक श्रेणी, घात श्रेणी या टेलर बहुपद।
  2. 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।
  3. 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।
  4. 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।

संवलन और LTI तंत्र

असतत संवलन
y[n] = Σ x[k]·h[n − k]
संतत संवलन
y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ
लंबाई और योग
Ly = Lx + Lh − 1, Σy = Σx·Σh
आरंभ, अंत और क्षेत्रफल
t1 + t3 … t2 + t4, ∫y = ∫x·∫h
e^(−at)u(t) में सोपान
y(t) = (A/a)(1 − e−at)
प्रथम-कोटि तंत्र
y′ + a·y = b·x → h(t) = b·e−atu(t)
प्रथम-कोटि पुनरावृत्ति
y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] → h[n] = b·aⁿ
h(t) से गुज़रता ज्यावक्रीय संकेत
|H(jω)|, ∠H(jω); H(jω) = b/(a + jω)
फूरिए श्रेणी के आयाम
वर्ग ±A: 4A/(kπ), विषम k; त्रिभुज ±A: 8A/(π²k²), विषम k; स्पंद श्रेणी: A·D और (2A/(kπ))|sin kπD|

विधि

  1. दोनों संकेतों का आरेख बनाइए और देखिए कि हर एक कहाँ अशून्य है।
  2. h को उलटिए और खिसकाइए: हर निर्गत समय के लिए वह परास ढूँढिए जहाँ दोनों संकेत अतिव्यापी हों।
  3. केवल उसी अतिव्यापन पर गुणा करके जोड़िए (असतत) या गुणा करके समाकलन कीजिए (संतत)।
  4. परिणाम जाँचिए: निर्गत आरंभ-समयों के योग पर शुरू होता है, अंत-समयों के योग पर समाप्त होता है, और उसका क्षेत्रफल या योग निवेशों के क्षेत्रफलों या योगों का गुणनफल होता है।

2अभ्यास प्रश्न

1.अवकल समीकरणमध्यम
t (min)T (°C)16Ta​296 °C

460 °C पर एक गढ़ा हुआ इस्पात भाग 30 °C वाली कार्यशाला में ठंडा होने के लिए छोड़ा जाता है। 16 min के बाद इसका तापमान 296 °C है। यह न्यूटन के शीतलन नियम dT/dt = −k·(T − Tₐ) का पालन करता है। स्थिरांक k min⁻¹ में ज्ञात कीजिए।

T0 = 460 °CTa = 30 °CT(16) = 296 °C
k = min⁻¹
2.अवकल समीकरणकठिन
t (min)m (kg)55 minm = ?

एक टैंक में 1000 L जल है जिसमें 10 kg नमक घुला है। प्रति लीटर 0.25 kg नमक वाला लवणजल 4 L/min पर अंदर आता है, और अच्छी तरह मिश्रित विलयन उसी दर से बाहर निकलता है। 55 min के बाद टैंक में कितना नमक m है?

V = 1000 Lm0 = 10 kgc = 0.25 kg/Lr = 4 L/min
m = kg
3.आव्यूह और सारणिकमध्यम
A =−3−3−22231−43

दिखाए गए 3×3 आव्यूह A का सारणिक det A ज्ञात करें।

A = [−3 −3 −2; 2 2 3; 1 −4 3]
det A =
4.आव्यूह और सारणिककठिन
A =4−37−6

दिखाए गए आव्यूह A का बड़ा आइगेनमान λ ज्ञात करें।

A = [4 −3; 7 −6]
λ =
5.सदिश: अदिश और सदिश गुणनफलमध्यम
xyzab

सदिशों a = (−3, −5, 5) और b = (4, 3, −4) के बीच का कोण θ डिग्री में ज्ञात कीजिए।

a = (−3, −5, 5)b = (4, 3, −4)
θ = °
6.सदिश: अदिश और सदिश गुणनफलकठिन
xyzabc

उस समांतर षट्फलक का आयतन V ज्ञात कीजिए जिसकी एक कोने से भुजाएँ a = (−1, 5, −2), b = (5, 3, −1) और c = (5, 3, 5) हैं।

a = (−1, 5, −2)b = (5, 3, −1)c = (5, 3, 5)
V =
7.समाकलमध्यम
xy14

I = ∫14 1/x dx का मान निकालें।

f(x) = 1/x[1, 4]
I =
8.समाकलकठिन
xyy = 2x2​y = 2x

y = 2x2 और y = 2x से घिरे क्षेत्र का क्षेत्रफल A ज्ञात करें।

y = 2x2y = 2x
A =
9.बहुचर कलनमध्यम
xy0.50.5P

f(0.7, 0.7) का सन्निकटन करने के लिए (0.5, 0.5) पर f(x, y) = 3y·e3xy का स्पर्श तल उपयोग करें। रैखिक सन्निकटन L दें।

f(x, y) = 3y·e3xy(a, b) = (0.5, 0.5)(x, y) = (0.7, 0.7)
L =
10.बहुचर कलनकठिन
xy20.5

I = ∬R (x² + y²) dA का मान निकालने के लिए ध्रुवीय निर्देशांक उपयोग करें, जहाँ R वलय 0.25 ≤ x² + y² ≤ 4 है।

f = x² + y²0.5 ≤ r ≤ 20 ≤ θ ≤ 2π
I =
11.अनुक्रम और श्रेणियाँमध्यम
k|aₖ₊₁/aₖ|123456789101112

Σk=1∞ (k!)²·1ᵏ/(2k)! पर अनुपात परीक्षण लगाएँ। L = lim |ak+1/ak| ज्ञात करें।

ak = (k!)²·1ᵏ/(2k)!
L =
12.अनुक्रम और श्रेणियाँकठिन

f(x) = eˣ का सन्निकटन x = 0.8 पर घात 2 के मैकलॉरिन बहुपद से किया गया है। लाग्रांज त्रुटि सीमा M·|x|ⁿ⁺¹/(n + 1)! को M = e0.8 = 2.226 के साथ उपयोग करके अधिकतम संभव त्रुटि |R₂| ज्ञात करें।

f(x) = eˣn = 2x = 0.8M = 2.226
|R₂| =
13.लाप्लास रूपांतरमध्यम
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−81

F(s) = (5s + 11)/(s² + 8s + 7)। इसका प्रतिलोम रूपांतर f(t) = A·e−t + B·e−7t के रूप का है। आंशिक भिन्नों से गुणांक A ज्ञात कीजिए।

F(s) = (5s + 11)/(s² + 8s + 7)
A =
14.लाप्लास रूपांतरकठिन
t (s)y(t)t = 0.1y(0.1) = ?

एक तंत्र y″ + 7y′ + 10y = 30·u(t) का पालन करता है, जहाँ y(0) = 2 और y′(0) = 0। t = 0 पर एक सोपान इनपुट u(t) = 1 लगाया जाता है। लाप्लास रूपांतर से y(0.1) ज्ञात कीजिए।

y″ + 7y′ + 10y = 30·u(t)y(0) = 2y′(0) = 0u(t) = 1t = 0.1 s
y(0.1) =
15.संवलन और LTI तंत्रमध्यम
x(t)t22h(t)t1

स्पंद x(t) = 2, 0 ≤ t < 2 s के लिए (अन्यत्र शून्य), h(t) = e−1tu(t) वाले तंत्र पर लगाया जाता है। स्पंद समाप्त होने के बाद t = 2.5 s पर निर्गत y(2.5) ज्ञात कीजिए।

x(t) = 2, 0 ≤ t < 2 sh(t) = e−1tu(t)t = 2.5 s
y(2.5) =
16.संवलन और LTI तंत्रकठिन
u[n]0.5+y[n]−0.5·z⁻¹+

एक तंत्र y[n] = −0.5·y[n − 1] + 0.5·x[n] का पालन करता है और विरामावस्था से शुरू होता है। निवेश एकांक सोपान x[n] = u[n] है। y[4] ज्ञात कीजिए।

y[n] = −0.5y[n − 1] + 0.5x[n]x[n] = u[n]
y[4] =

3विलयन

1.अवकल समीकरण

उत्तर: k = 0.03002 min⁻¹

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।

तापमान अंतरों का अनुपात

e−16k = 266/430

k के लिए हल करें

k = ln(430/266)/16 = 0.03002 min⁻¹

उत्तर

k = 0.03002 min⁻¹
2.अवकल समीकरण

उत्तर: m = 57.4 kg

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।

समीकरण बनाएँ

dm/dt = 4·0.25 − (4/1000)·m = 1 − 0.004·m

हल करें

समाकलन गुणक ert/V है; हल साम्य c·V की ओर जाता है।

m(t) = 250 + (−240)·e−t/250

t रखें

m(55) = 250 + (−240)·0.8025 = 57.4 kg

उत्तर

m = 57.4 kg
3.आव्यूह और सारणिक

उत्तर: det A = −25

आव्यूह: 2×2 आव्यूह का सारणिक ad − bc है। 3×3 के लिए किसी पंक्ति के अनुदिश प्रसार करें: हर अवयव गुणा उस 2×2 आव्यूह का सारणिक जो उसकी पंक्ति और स्तंभ हटाने पर बचता है, बारी-बारी चिह्नों + − + के साथ। आइगेनमान λ, det(A − λI) = 0 को हल करते हैं; 2×2 के लिए यह λ² − (अनुरेख)·λ + det = 0 है।

पहली पंक्ति के 2×2 उपसारणिक

M₁₁ = 18, M₁₂ = 3, M₁₃ = −10

सहखंड प्रसार

det A = (−3)·18 − (−3)·3 + (−2)·(−10) = −25

उत्तर

det A = −25
4.आव्यूह और सारणिक

उत्तर: λ = 1

आव्यूह: 2×2 आव्यूह का सारणिक ad − bc है। 3×3 के लिए किसी पंक्ति के अनुदिश प्रसार करें: हर अवयव गुणा उस 2×2 आव्यूह का सारणिक जो उसकी पंक्ति और स्तंभ हटाने पर बचता है, बारी-बारी चिह्नों + − + के साथ। आइगेनमान λ, det(A − λI) = 0 को हल करते हैं; 2×2 के लिए यह λ² − (अनुरेख)·λ + det = 0 है।

अभिलाक्षणिक समीकरण

λ² − (−2)λ + (−3) = 0

हल करें

λ = (−2 ± √(16))/2 → λ = −3, 1
λ = 1

उत्तर

λ = 1
5.सदिश: अदिश और सदिश गुणनफल

उत्तर: θ = 162.9 °

Dot product: a·b = axbx + ayby + azbz = |a|·|b|·cos θ, a scalar. It gives the angle between two vectors, cos θ = a·b/(|a|·|b|), and it is zero when they are perpendicular. The scalar projection of a onto b is a·b/|b|, and a constant force F moving through a displacement d does work W = F·d.

अदिश गुणनफल

a·b = (−3)·4 + (−5)·3 + 5·(−4) = −47

परिमाण

|a| = √((−3)² + (−5)² + 5²) = 7.681
|b| = √(4² + 3² + (−4)²) = 6.403

कोण

cos θ = −47/(7.681·6.403) = −0.9556
θ = arccos(−0.9556) = 162.9°

उत्तर

θ = 162.9°
6.सदिश: अदिश और सदिश गुणनफल

उत्तर: V = 168

Cross product: a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx) is perpendicular to both vectors, and |a × b| = |a|·|b|·sin θ is the area of the parallelogram they span (the triangle has half of it). Order matters: b × a = −(a × b). The moment of a force F applied at point A about point O is MO = r × F, with r = A − O.

सदिश गुणनफल b × c

(b × c)x = bycz − bzcy = 3·5 − (−1)·3 = 18
(b × c)y = bzcx − bxcz = (−1)·5 − 5·5 = −30
(b × c)z = bxcy − bycx = 5·3 − 3·5 = 0

a के साथ अदिश गुणनफल

a·(b × c) = (−1)·18 + 5·(−30) + (−2)·0 = −168
V = |−168| = 168

उत्तर

V = 168
7.समाकल

उत्तर: I = 1.386

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।

प्रतिअवकलज

F(x) = ln x

सीमाओं पर मान निकालें

I = (ln 4 − ln 1) = ln 4 = 1.386

उत्तर

I = 1.386
8.समाकल

उत्तर: A = 0.3333

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

2x2 = 2x → x = 0, x = 1

ऊपरी घटा निचले का समाकलन करें

A = [x2 − 0.6667x3]01 = 0.3333

उत्तर

A = 0.3333
9.बहुचर कलन

उत्तर: L = 6.351

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(0.5, 0.5) = 3.176
fx = 9y²e3xy → fx(0.5, 0.5) = 4.763
fy = 3e3xy(1 + 3xy) → fy(0.5, 0.5) = 11.11

स्पर्श तल

z = 3.176 + 4.763(x − 0.5) + 11.11(y − 0.5)
z = 4.763x + 11.11y − 4.763

रैखिक सन्निकटन

L = 3.176 + 4.763·0.2 + 11.11·0.2 = 6.351

उत्तर

L = 6.351

यथार्थ मान f = 9.133394 है; तल निकट है क्योंकि चरण छोटा है।

10.बहुचर कलन

उत्तर: I = 25.03

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)।

ध्रुवीय रूप

I = ∫02π ∫0.52 r²·r dr dθ

समाकलन करें

∫ r²·r dr = [r⁴/4]
I = 25.03

उत्तर

I = 25.03
11.अनुक्रम और श्रेणियाँ

उत्तर: L = 0.25

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।

क्रमागत पदों का अनुपात

|ak+1/ak| = 1·(k + 1)²/((2k + 2)(2k + 1)) → 1/4

निष्कर्ष

L = 0.25 < 1

उत्तर

L = 0.25

L < 1, इसलिए श्रेणी अभिसरित होती है।

12.अनुक्रम और श्रेणियाँ

उत्तर: |R₂| = 0.1899

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 = e0.8 = 2.226

लाग्रांज सीमा

|R₂| ≤ 2.226·0.8³/3! = 0.1899

उत्तर

|R₂| = 0.1899

वास्तविक त्रुटि छोटी है: |f(0.8) − P₂(0.8)| = 0.1055।

13.लाप्लास रूपांतर

उत्तर: A = 1

लाप्लास रूपांतर: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt अवकलजों को s से गुणा में बदल देता है: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0)। मानक युग्म: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), और विस्थापन s → s + σ समय फलन को e−σt से गुणा करता है। परिमेय F(s) का प्रतिलोम लेने के लिए उसे आंशिक भिन्नों में बाँटें: सरल ध्रुव p का अवशेष A = [(s − p)·F(s)], s = p पर है। अंतिम मान प्रमेय: f(∞) = lims→0 s·F(s), केवल तभी मान्य जब s·F(s) के सभी ध्रुव बाएँ अर्ध-तल में हों। प्रारंभिक मान प्रमेय: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s)।

हर का गुणनखंड करें

s² + 8s + 7 = (s + 1)(s + 7)
F(s) = A/(s + 1) + B/(s + 7)

कवर-अप नियम

(s + 1) से गुणा करें और s = −1 रखें: B-पद लुप्त हो जाता है।

A = (5s + 11)/(s + 7) |s = −1 = 6/6 = 1

उत्तर

A = 1
(B = 4, इसलिए f(t) = e−t + 4·e−7t)
14.लाप्लास रूपांतर

उत्तर: y(0.1) = 2.04

लाप्लास रूपांतर: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt अवकलजों को s से गुणा में बदल देता है: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0)। मानक युग्म: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), और विस्थापन s → s + σ समय फलन को e−σt से गुणा करता है। परिमेय F(s) का प्रतिलोम लेने के लिए उसे आंशिक भिन्नों में बाँटें: सरल ध्रुव p का अवशेष A = [(s − p)·F(s)], s = p पर है। अंतिम मान प्रमेय: f(∞) = lims→0 s·F(s), केवल तभी मान्य जब s·F(s) के सभी ध्रुव बाएँ अर्ध-तल में हों। प्रारंभिक मान प्रमेय: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s)।

समीकरण का रूपांतर करें

(s² + 7s + 10)·Y(s) = 2s + 14 + 30/s
Y(s) = (2s² + 14s + 30)/(s(s + 2)(s + 5))

आंशिक भिन्न

A = 30/(2·5) = 3
B = 10/((−2)·3) = −1.667
C = 10/((−5)·(−3)) = 0.6667

परिणाम

y(t) = 3 − 1.667·e−2t + 0.6667·e−5t
y(0.1) = 2.04

उत्तर

y(0.1) = 2.04

जाँच: y(0) = A + B + C = 2।

15.संवलन और LTI तंत्र

उत्तर: y(2.5) = 1.049

संतत संवलन: y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ। h को उलटिए, उसे स्थिति t तक खिसकाइए और अतिव्यापी भागों के गुणनफल का समाकलन कीजिए। कार्य-कारण संकेतों के लिए समाकल 0 से t तक चलता है। उपयोगी परिणाम: y का क्षेत्रफल x के क्षेत्रफल गुणा h के क्षेत्रफल के बराबर होता है; यदि x, t₁ से t₂ तक रहता है और h, t₃ से t₄ तक, तो y, t₁ + t₃ से t₂ + t₄ तक रहता है। h(t) = e−atu(t) और ऊँचाई A के सोपान के लिए y(t) = (A/a)(1 − e−at)।

स्पंद के अंत पर निर्गत

y(2) = (2/1)(1 − e−2) = 1.729

स्पंद के बाद क्षय

y(2.5) = 1.729·e−1·0.5 = 1.049

उत्तर

y(2.5) = 1.049
16.संवलन और LTI तंत्र

उत्तर: y[4] = 0.3438

आवेग अनुक्रिया और फूरिए श्रेणी: आवेग अनुक्रिया h(t) किसी LTI तंत्र का पूरा वर्णन करती है: y′ + a·y = b·x के लिए यह h(t) = b·e−atu(t) है, और y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] के लिए h[n] = b·aⁿu[n]। ज्यावक्रीय cos ωt लब्धि |H(jω)| और कला ∠H(jω) के साथ गुज़रता है, जहाँ H, h का फूरिए रूपांतर है। आवर्ती संकेत k/T पर हार्मोनिकों का योग है: ±A का वर्ग तरंग केवल विषम हार्मोनिक रखता है जिनके आयाम 4A/(kπ) हैं, शिखर A की त्रिभुज तरंग में 8A/(π²k²) होता है, और ऊँचाई A तथा कर्तव्य चक्र D की स्पंद श्रेणी का माध्य A·D और हार्मोनिक (2A/(kπ))·|sin(kπD)| होते हैं।

पुनरावृत्ति

y[0] = 0.5
y[1] = 0.25
y[2] = 0.375
y[3] = 0.3125
y[4] = 0.3438

परिणाम

y[4] = 0.5·(1 − (−0.5)5)/(1 − (−0.5)) = 0.3438

उत्तर

y[4] = 0.3438

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