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
tyy(0) = 2y(2) = ?

y(0) = 2 और y′(0) = -1 के साथ y″ + 8y′ + 16y = 0 हल कीजिए। y(2) ज्ञात कीजिए।

y″ + 8y′ + 16y = 0y(0) = 2y′(0) = -1
y(2) =
2.अवकल समीकरणकठिन
tyy(0) = 2y(1.5) = ?

y(0) = 2 और y′(0) = 0 (विराम से छोड़ा गया) के साथ y″ + 3y′ + 18.25y = 0 हल कीजिए। y(1.5) ज्ञात कीजिए; कोण रेडियन में।

y″ + 3y′ + 18.25y = 0y(0) = 2y′(0) = 0
y(1.5) =
3.आव्यूह और सारणिकमध्यम
A =−4−2−3−3−2−5−1−2−3

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

A = [−4 −2 −3; −3 −2 −5; −1 −2 −3]
det A =
4.आव्यूह और सारणिककठिन
A =0253

दिखाए गए आव्यूह A का बड़ा आइगेनमान λ ज्ञात करें।

A = [0 2; 5 3]
λ =
5.सदिश: अदिश और सदिश गुणनफलमध्यम
xyzab

सदिशों a = (5, −1, 1) और b = (−5, 2, 1) के बीच का कोण θ डिग्री में ज्ञात कीजिए।

a = (5, −1, 1)b = (−5, 2, 1)
θ = °
6.सदिश: अदिश और सदिश गुणनफलकठिन
xyzab

a = (5, 1, 3) और b = (−3, 2, −2) के लिए सदिश गुणनफल a × b का x-घटक (a × b)x ज्ञात कीजिए।

a = (5, 1, 3)b = (−3, 2, −2)
(a × b)x =
7.समाकलमध्यम
xy02

I = ∫02 e−0.5x dx का मान निकालें।

f(x) = e−0.5x[0, 2]
I =
8.समाकलकठिन
xy0.5y = x²eˣ

I = ∫₀0.5 x²·eˣ dx का मान निकालिए।

∫₀0.5 x²eˣ dx
I =
9.बहुचर कलनमध्यम

z = ln(x² + 4y²), जहाँ x = −t + 1 और y = t² + 2। t = 0 पर dz/dt ज्ञात करने के लिए शृंखला नियम का उपयोग करें।

z = ln(x² + 4y²)x = −t + 1y = t² + 2t = 0
dz/dt =
10.बहुचर कलनकठिन
xy0−2024(2, 3)(−2, 3)

f(x, y) = x³ − 12x + y² − 6y के क्रांतिक बिंदु खोजें, उन्हें वर्गीकृत करें, और उसके स्थानीय निम्निष्ठ पर f का मान fmin दें।

f(x, y) = x³ − 12x + y² − 6y
fmin =
11.अनुक्रम और श्रेणियाँमध्यम
k|aₖ₊₁/aₖ|123456789101112

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

ak = 2ᵏ·k!/kᵏ
L =
12.अनुक्रम और श्रेणियाँकठिन

श्रेणी को पहचानें और उसका योग ज्ञात करें: S = Σk=1∞ (−1)k+1·0.75ᵏ/k।

ak = (−1)k+1·0.75ᵏ/k
S =
13.लाप्लास रूपांतरमध्यम
t (s)f(t)t = 0.2f(0.2) = ?

F(s) = (4s + 40)/(s² + 8s + 16) के लिए f(t) ज्ञात कीजिए और f(0.2) का मान निकालिए।

F(s) = (4s + 40)/(s² + 8s + 16)t = 0.2 s
f(0.2) =
14.लाप्लास रूपांतरकठिन
t (s)y(t)t = 0.4y(0.4) = ?

लाप्लास रूपांतर से y(0) = −5 और y′(0) = −13 के साथ y″ + 3y′ + 2y = 0 हल कीजिए, और y(0.4) ज्ञात कीजिए।

y″ + 3y′ + 2y = 0y(0) = −5y′(0) = −13t = 0.4 s
y(0.4) =
15.संवलन और LTI तंत्रमध्यम
x(t)t42h(t)t14

स्पंद x(t) = 2, 0 ≤ t < 4 s के लिए, h(t) के साथ संवलित किया जाता है, जो एक त्रिभुज है और t = 0 पर 4 से t = 1 s पर 0 तक रैखिक रूप से घटता है। y(t) = x(t) ∗ h(t) के अंतर्गत क्षेत्रफल Ay ज्ञात कीजिए।

x(t) = 2, 0 ≤ t < 4 sh(0) = 4, h(1) = 0
Ay =
16.संवलन और LTI तंत्रकठिन
x(t)t (ms)510205−5

एक वर्ग तरंग +5 और −5 के बीच T = 10 ms आवर्तकाल से बदलती है (हर स्तर पर आधा आवर्तकाल)। 700 Hz पर इसके फूरिए घटक का आयाम c7 ज्ञात कीजिए।

±5T = 10 msf = 700 Hz
c7 =

3विलयन

1.अवकल समीकरण

उत्तर: y(2) = 0.005367

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।

द्विगुण मूल

(r + 4)² = 0 → r = −4

अचर

A = y(0) = 2
y′(0) = B − 4A → B = -1 + 8 = 7

मान निकालें

y(2) = (2 + 7·2)·e−8 = 0.005367

उत्तर

y(2) = 0.005367
2.अवकल समीकरण

उत्तर: y(1.5) = 0.1803

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 = −1.5 ± 4j

अचर

A = 2, B = 1.5·2/4 = 0.75

मान निकालें

y(1.5) = e−2.25(2·cos 6 + 0.75·sin 6) = 0.1803

उत्तर

y(1.5) = 0.1803
3.आव्यूह और सारणिक

उत्तर: det A = 12

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 = −4, M₁₂ = 4, M₁₃ = 4

सहखंड प्रसार

det A = (−4)·(−4) − (−2)·4 + (−3)·4 = 12

उत्तर

det A = 12
4.आव्यूह और सारणिक

उत्तर: λ = 5

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 − (3)λ + (−10) = 0

हल करें

λ = (3 ± √(49))/2 → λ = −2, 5
λ = 5

उत्तर

λ = 5
5.सदिश: अदिश और सदिश गुणनफल

उत्तर: θ = 156 °

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·(−5) + (−1)·2 + 1·1 = −26

परिमाण

|a| = √(5² + (−1)² + 1²) = 5.196
|b| = √((−5)² + 2² + 1²) = 5.477

कोण

cos θ = −26/(5.196·5.477) = −0.9135
θ = arccos(−0.9135) = 156°

उत्तर

θ = 156°
6.सदिश: अदिश और सदिश गुणनफल

उत्तर: (a × b)x = −8

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, घटक-दर-घटक

(a × b)x = aybz − azby = 1·(−2) − 3·2 = −8
(a × b)y = azbx − axbz = 3·(−3) − 5·(−2) = 1
(a × b)z = axby − aybx = 5·2 − 1·(−3) = 13

पूछा गया घटक

(a × b)x = −8

उत्तर

(a × b)x = −8

जाँच: a × b दोनों सदिशों के लंबवत है, इसलिए a और b के साथ इसका अदिश गुणनफल शून्य है।

7.समाकल

उत्तर: I = 1.264

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) = e−0.5x/(−0.5)

सीमाओं पर मान निकालें

I = (e−1 − 1)/(−0.5) = (0.3679 − 1)/(−0.5) = 1.264

उत्तर

I = 1.264
8.समाकल

उत्तर: I = 0.0609

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

1.649·(1.25) − 1·2 = 0.0609

उत्तर

I = 0.0609
9.बहुचर कलन

उत्तर: dz/dt = −0.1176

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 और दरें

x(0) = 1, y(0) = 2
dx/dt = −1, dy/dt = 2t = 0

आंशिक अवकलज

fx = 2x/(x² + 4y²) = 0.1176
fy = 8y/(x² + 4y²) = 0.9412

शृंखला नियम

dz/dt = 0.1176·(−1) + 0.9412·0 = −0.1176

उत्तर

dz/dt = −0.1176
10.बहुचर कलन

उत्तर: fmin = −25

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)।

क्रांतिक बिंदु

fx = 0 और fy = 0 को साथ-साथ हल करें।

fx = (3x² − 12) = 0
fy = (2y − 6) = 0
(2, 3), (−2, 3)

द्वितीय-अवकलज परीक्षण

(2, 3): fxx = 12, fyy = 2, fxy = 0, D = 24 → स्थानीय निम्निष्ठ
(−2, 3): fxx = −12, fyy = 2, fxy = 0, D = −24 → काठी बिंदु

चरम पर मान

f(2, 3) = −25

उत्तर

fmin = −25
11.अनुक्रम और श्रेणियाँ

उत्तर: L = 0.7358

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| = 2·(k/(k + 1))ᵏ = 2/(1 + 1/k)ᵏ → 2/e

निष्कर्ष

L = 0.7358 < 1

उत्तर

L = 0.7358

L < 1, इसलिए श्रेणी अभिसरित होती है।

12.अनुक्रम और श्रेणियाँ

उत्तर: S = 0.5596

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।

मानक श्रेणियाँ

Σ (−1)k+1xᵏ/k = ln(1 + x)

मान रखें

x = 0.75
S = ln 1.75 = 0.5596

उत्तर

S = 0.5596
13.लाप्लास रूपांतर

उत्तर: f(0.2) = 3.954

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 + 16 = (s + 4)²

आंशिक भिन्न

4s + 40 = 4(s + 4) + 24
F(s) = 4/(s + 4) + 24/(s + 4)²

प्रतिलोम रूपांतर

f(t) = 4·e−4t + 24·t·e−4t
f(0.2) = (4 + 24·0.2)·e−4·0.2 = 3.954

उत्तर

f(0.2) = 3.954
14.लाप्लास रूपांतर

उत्तर: y(0.4) = −7.329

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

s²Y − (−5)s − (−13) + 3(sY − (−5)) + 2Y = 0
Y(s) = (−5s − 28)/((s + 1)(s + 2))

आंशिक भिन्न

A = −23/1 = −23
B = −18/(−1) = 18

परिणाम

y(t) = −23·e−t + 18·e−2t
y(0.4) = −7.329

उत्तर

y(0.4) = −7.329

जाँच: y(0) = A + B = −5।

15.संवलन और LTI तंत्र

उत्तर: Ay = 16

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)।

निवेशों के क्षेत्रफल

∫x dt = 2·4 = 8
∫h dt = ½·1·4 = 2

निर्गत का क्षेत्रफल

Ay = 8·2 = 16

उत्तर

Ay = 16
16.संवलन और LTI तंत्र

उत्तर: c7 = 0.9095

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।

हार्मोनिक संख्या

f₀ = 1/T = 100 Hz → k = 700/100 = 7

आयाम

c7 = 4·5/(7π) = 0.9095

उत्तर

c7 = 0.9095

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