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)9Ta​51 °C

89 °C पर कॉफ़ी का एक कप 20 °C वाले कमरे में छोड़ा जाता है। 9 min के बाद इसका तापमान 51 °C है। यह न्यूटन के शीतलन नियम dT/dt = −k·(T − Tₐ) का पालन करता है। स्थिरांक k min⁻¹ में ज्ञात कीजिए।

T0 = 89 °CTa = 20 °CT(9) = 51 °C
k = min⁻¹
2.अवकल समीकरणकठिन
tyy(0) = 3y(1) = ?

y(0) = 3 और y′(0) = 0 (विराम से छोड़ा गया) के साथ y″ + y′ + 4.25y = 0 हल कीजिए। y(1) ज्ञात कीजिए; कोण रेडियन में।

y″ + y′ + 4.25y = 0y(0) = 3y′(0) = 0
y(1) =
3.आव्यूह और सारणिकमध्यम
A =−52−42−41−4−51

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

A = [−5 2 −4; 2 −4 1; −4 −5 1]
det A =
4.आव्यूह और सारणिककठिन
A =−6−45−3b =−30

निकाय −6x − 4y = −3 और 5x − 3y = 0 हल करें। x ज्ञात करें।

−6x − 4y = −35x − 3y = 0
x =
5.सदिश: अदिश और सदिश गुणनफलमध्यम
xyzab

b = (6, −6, 6) पर a = (−5, −1, 5) का अदिश प्रक्षेप compb a, अर्थात b की दिशा में a का घटक, ज्ञात कीजिए।

a = (−5, −1, 5)b = (6, −6, 6)
compb a =
6.सदिश: अदिश और सदिश गुणनफलकठिन
xyzab

इकाई सदिश n̂, a = (5, 4, 4) और b = (−5, −2, 4) दोनों के लंबवत है और उसका z-घटक धनात्मक है। इसका x-घटक n̂x ज्ञात कीजिए।

a = (5, 4, 4)b = (−5, −2, 4)n̂z > 0
n̂x =
7.समाकलमध्यम
xy13y = x ln x

I = ∫₁3 x·ln x dx का मान निकालिए।

∫₁3 x ln x dx
I =
8.समाकलकठिन
xy3y = 6xy = 2x²

रेखा y = 6x और परवलय y = 2x² के बीच के क्षेत्र को x-अक्ष के परितः घुमाया जाता है। ठोस का आयतन V ज्ञात कीजिए।

y = 6xy = 2x²
V =
9.बहुचर कलनमध्यम
xy−10.5P

f(−0.95, 0.7) का सन्निकटन करने के लिए (−1, 0.5) पर f(x, y) = sin(−2x − 2y) का स्पर्श तल उपयोग करें। रैखिक सन्निकटन L दें।

f(x, y) = sin(−2x − 2y)(a, b) = (−1, 0.5)(x, y) = (−0.95, 0.7)
L =
10.बहुचर कलनकठिन
xy1

I = ∬R y dA का मान निकालने के लिए ध्रुवीय निर्देशांक उपयोग करें, जहाँ R वृत्त x² + y² ≤ 1 का ऊपरी आधा भाग (y ≥ 0) है।

f = y0 ≤ r ≤ 10 ≤ θ ≤ π
I =
11.अनुक्रम और श्रेणियाँमध्यम
xx₀ = −1??R

घात श्रेणी Σk=1∞ 3ᵏ·(x + 1)ᵏ/(k + 1) x₀ = −1 के आसपास एक अंतराल पर अभिसरित होती है। उस अंतराल का दायाँ सिरा x ज्ञात करें।

Σ 3ᵏ·(x + 1)ᵏ/(k + 1)x₀ = −1
x =
12.अनुक्रम और श्रेणियाँकठिन

a = 4 के परितः f(x) = 1/x की टेलर श्रेणी में (x − 4)³ का गुणांक c₃ ज्ञात करें।

f(x) = 1/xa = 4k = 3
c₃ =
13.लाप्लास रूपांतरमध्यम
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−81

F(s) = (3s + 22)/(s² + 9s + 14)। इसका प्रतिलोम रूपांतर f(t) = A·e−2t + B·e−7t के रूप का है। आंशिक भिन्नों से गुणांक A ज्ञात कीजिए।

F(s) = (3s + 22)/(s² + 9s + 14)
A =
14.लाप्लास रूपांतरकठिन
t (s)y(t)t = 0.6y(0.6) = ?

एक तंत्र y″ + 4y′ + 3y = 6·u(t) का पालन करता है। यह विराम से शुरू होता है (y(0) = 0, y′(0) = 0) और इनपुट t ≥ 0 के लिए एक सोपान u(t) = 2 है। लाप्लास रूपांतर से आउटपुट y(0.6) ज्ञात कीजिए।

y″ + 4y′ + 3y = 6·u(t)u(t) = 2y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0.6 s
y(0.6) =
15.संवलन और LTI तंत्रमध्यम
x(t)t11h(t)t35

स्पंद x(t) = 1, 0 ≤ t < 1 s के लिए (अन्यत्र शून्य), आवेग अनुक्रिया h(t) = 5, 0 ≤ t < 3 s के लिए (अन्यत्र शून्य) वाले तंत्र पर लगाया जाता है। t = 1 s पर निर्गत y(1) ज्ञात कीजिए।

x(t) = 1, 0 ≤ t < 1 sh(t) = 5, 0 ≤ t < 3 st = 1 s
y(1) =
16.संवलन और LTI तंत्रकठिन
2cos(2t)h(t) = 10e−2t​u(t)y(t)

निवेश x(t) = 2·cos(2t) को h(t) = 10·e−2tu(t) वाले तंत्र पर लगाया जाता है। स्थायी-अवस्था निर्गत का आयाम Ym ज्ञात कीजिए।

h(t) = 10e−2tu(t)x(t) = 2cos(2t)
Ym =

3विलयन

1.अवकल समीकरण

उत्तर: k = 0.0889 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−9k = 31/69

k के लिए हल करें

k = ln(69/31)/9 = 0.0889 min⁻¹

उत्तर

k = 0.0889 min⁻¹
2.अवकल समीकरण

उत्तर: y(1) = −0.3436

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।

सम्मिश्र मूल

r = −0.5 ± 2j

अचर

A = 3, B = 0.5·3/2 = 0.75

मान निकालें

y(1) = e−0.5(3·cos 2 + 0.75·sin 2) = −0.3436

उत्तर

y(1) = −0.3436
3.आव्यूह और सारणिक

उत्तर: det A = 87

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 = 1, M₁₂ = 6, M₁₃ = −26

सहखंड प्रसार

det A = (−5)·1 − 2·6 + (−4)·(−26) = 87

उत्तर

det A = 87
4.आव्यूह और सारणिक

उत्तर: x = 0.2368

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।

गुणांक आव्यूह का सारणिक

det A = (−6)·(−3) − (−4)·5 = 38

x स्तंभ बदलें

det Aₓ = (−3)·(−3) − (−4)·0 = 9
x = 9/38 = 0.2368

उत्तर

x = 0.2368
y = 0.3947
5.सदिश: अदिश और सदिश गुणनफल

उत्तर: compb a = 0.5774

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 = (−5)·6 + (−1)·(−6) + 5·6 = 6

b की लंबाई

|b| = √(6² + (−6)² + 6²) = 10.39

अदिश प्रक्षेप

compb a = a·b/|b| = 6/10.39 = 0.5774

उत्तर

compb a = 0.5774
6.सदिश: अदिश और सदिश गुणनफल

उत्तर: n̂x = 0.5031

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

(a × b)x = aybz − azby = 4·4 − 4·(−2) = 24
(a × b)y = azbx − axbz = 4·(−5) − 5·4 = −40
(a × b)z = axby − aybx = 5·(−2) − 4·(−5) = 10

इकाई रूप में लाएँ

a × b का z-घटक पहले से धनात्मक है।

|a × b| = √(24² + (−40)² + 10²) = 47.71
n̂ = (24, −40, 10)/47.71 = (0.5031, −0.8384, 0.2096)
n̂x = 0.5031

उत्तर

n̂x = 0.5031
7.समाकल

उत्तर: I = 2.944

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।

u और dv चुनें

u = ln x, du = dx/x; dv = x dx, v = x²/2

प्रतिअवकलज

∫x ln x dx = (x²/2)ln x − ∫(x/2) dx = (x²/2)ln x − x²/4

सीमाएँ

(4.5·ln 3 − 2.25) − (0 − 0.25) = 2.944

उत्तर

I = 2.944
8.समाकल

उत्तर: V = 407.2

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

6x = 2x² → x = 0, x = 3

वॉशर विधि

V = π∫₀3 ((6x)² − (2x²)²) dx

समाकलन करें

V = π(36·3³/3 − 4·3⁵/5) = π·129.6 = 407.2

उत्तर

V = 407.2
9.बहुचर कलन

उत्तर: L = 0.5713

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, 0.5) = 0.8415
fx = −2 cos(−2x − 2y) → fx(−1, 0.5) = −1.081
fy = −2 cos(−2x − 2y) → fy(−1, 0.5) = −1.081

स्पर्श तल

z = 0.8415 − 1.081(x + 1) − 1.081(y − 0.5)
z = −1.081x − 1.081y + 0.3012

रैखिक सन्निकटन

L = 0.8415 + (−1.081)·0.05 + (−1.081)·0.2 = 0.5713

उत्तर

L = 0.5713

यथार्थ मान f = 0.479426 है; तल निकट है क्योंकि चरण छोटा है।

10.बहुचर कलन

उत्तर: I = 0.6667

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 = ∫0π ∫01 r sin θ·r dr dθ

समाकलन करें

∫ r²dr·∫ sin θ dθ
I = 0.6667

उत्तर

I = 0.6667
11.अनुक्रम और श्रेणियाँ

उत्तर: x = −0.6667

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।

गुणांक

ck/ck+1 = (1/3)·(k + 2)/(k + 1) → 0.3333

त्रिज्या

R = 0.3333

अंतराल

−1.333 < x < −0.6667
x = −0.6667

उत्तर

x = −0.6667

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

12.अनुक्रम और श्रेणियाँ

उत्तर: c₃ = −0.003906

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) = −6/x⁴

गुणांक

c₃ = −6/(4⁴·6) = −0.003906
c₃ = −0.003906

उत्तर

c₃ = −0.003906
13.लाप्लास रूपांतर

उत्तर: A = 3.2

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 + 9s + 14 = (s + 2)(s + 7)
F(s) = A/(s + 2) + B/(s + 7)

कवर-अप नियम

(s + 2) से गुणा करें और s = −2 रखें: B-पद लुप्त हो जाता है।

A = (3s + 22)/(s + 7) |s = −2 = 16/5 = 3.2

उत्तर

A = 3.2
(B = −0.2, इसलिए f(t) = 3.2·e−2t − 0.2·e−7t)
14.लाप्लास रूपांतर

उत्तर: y(0.6) = 1.038

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

Y(s) = 12/(s(s + 1)(s + 3))

आंशिक भिन्न

A = 12/(1·3) = 4
B = 12/((−1)·2) = −6
C = 12/((−3)·(−2)) = 2

निर्गम

y(t) = 4 − 6·e−t + 2·e−3t
y(0.6) = 1.038

उत्तर

y(0.6) = 1.038
15.संवलन और LTI तंत्र

उत्तर: y(1) = 5

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)।

उलटे स्पंद का अतिव्यापन

h(t − τ) h का वह स्पंद है जिसे उलटकर इस तरह खिसकाया गया है कि वह τ = t पर समाप्त हो।

τ ∈ [0, 1] → लंबाई 1 s

समाकल

y(1) = 1·5·1 = 5

उत्तर

y(1) = 5

y(t) एक समलंब है: यह 0 से बढ़ता है, 5 पर टिकता है और t = 4 s पर वापस 0 पर आ जाता है।

16.संवलन और LTI तंत्र

उत्तर: Ym = 7.071

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।

आवृत्ति अनुक्रिया

H(jω) = 10/(2 + jω)

निवेश आवृत्ति पर लब्धि

|H(j2)| = 10/√(2² + 2²) = 3.536
Ym = 2·3.536 = 7.071

उत्तर

Ym = 7.071

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