संख्यात्मक विधियाँ: 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

संख्यात्मक विधियाँ

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

विधि

  1. 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।
  2. सारणी मान के लिए: दो पड़ोसी बिंदुओं के बीच रैखिक अंतर्वेशन करें।
  3. 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।
  4. 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।

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।

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)

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

2अभ्यास प्रश्न

1.संख्यात्मक विधियाँमध्यम
xy00.51

∫01 sin x dx का सन्निकटन सिम्पसन नियम से n = 2 के साथ करें और यथार्थ मान से तुलना करें। निरपेक्ष त्रुटि |E| = |S − I| ज्ञात करें।

f(x) = sin x[a, b] = [0, 1]n = 2
|E| =
2.संख्यात्मक विधियाँकठिन
00.20.40.61.41.61.82ty(0, 2)

y′ = cos t − y, y(0) = 2 के लिए h = 0.2 के साथ ह्यून विधि (सुधारी हुई यूलर) से y3 ≈ y(0.6) आकलित करें।

y′ = cos t − yy(0) = 2h = 0.2
y3 =
3.अनुक्रम और श्रेणियाँमध्यम
AΣ (1 + 1/k)ᵏk = 1 … ∞BΣ 5/k²k = 1 … ∞CΣ 1/√kk = 1 … ∞DΣ ln k / kk = 1 … ∞

चारों श्रेणियों में से ठीक एक अभिसरित होती है। उस पर क्लिक करें।

A: Σ (1 + 1/k)ᵏB: Σ 5/k²C: Σ 1/√kD: Σ ln k / k
  1. 1A: Σ (1 + 1/k)ᵏ
  2. 2B: Σ 5/k²
  3. 3C: Σ 1/√k
  4. 4D: Σ ln k / k
4.अनुक्रम और श्रेणियाँकठिन
xyfP₄2

f(2) का सन्निकटन करने के लिए f(x) = eˣ की घात 4 का मैकलॉरिन बहुपद उपयोग करें। P₄(2) दें।

f(x) = eˣn = 4x = 2
P₄(2) =
5.आव्यूह और सारणिकमध्यम
A =−314−4B =6551

दिखाए गए आव्यूहों के लिए C = AB मान लें। अवयव c12 (पंक्ति 1, स्तंभ 2) ज्ञात करें।

A = [−3 1; 4 −4]B = [6 5; 5 1]
c12 =
6.आव्यूह और सारणिककठिन
A =−5−2−56b =−1−4

निकाय −5x − 2y = −1 और −5x + 6y = −4 हल करें। x ज्ञात करें।

−5x − 2y = −1−5x + 6y = −4
x =
7.अवकल समीकरणमध्यम
t (min)T (°C)12Ta​T = ?

90 °C पर कॉफ़ी का एक कप 20 °C वाले कमरे में छोड़ा जाता है। यह न्यूटन के शीतलन नियम dT/dt = −k·(T − Tₐ) का पालन करता है। k = 0.06 min⁻¹ के साथ 12 min के बाद इसका तापमान T ज्ञात कीजिए।

T0 = 90 °CTa = 20 °Ck = 0.06 min⁻¹t = 12 min
T = °C
8.अवकल समीकरणकठिन
ty2y(2) = ?

y(0) = 2 के साथ y′ + y = 2e−3t हल कीजिए। y(2) ज्ञात कीजिए।

y′ + y = 2e−3ty(0) = 2
y(2) =

3विलयन

1.संख्यात्मक विधियाँ

उत्तर: |E| = 0.0001645

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 + … + 2fn−1 + fₙ]। सिम्पसन नियम (n सम): S = (h/3)[f₀ + 4f₁ + 2f₂ + 4f₃ + … + 4fn−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।

यथार्थ मान

I = 0.459698

सिम्पसन नियम

S = (0.5/3)·(0 + 4·0.479426 + 0.841471) = 0.459862

त्रुटि

|E| = |0.459862 − 0.459698| = 0.0001645

उत्तर

|E| = 0.0001645

सापेक्ष त्रुटि: 0.03578%।

2.संख्यात्मक विधियाँ

उत्तर: y3 = 1.518

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

ntₙyₙk₁k₂yₙ₊₁002−1−0.8199331.81800710.21.818007−0.83794−0.7293581.66127720.41.661277−0.740216−0.6878981.518465

ह्यून चरण

y₁ = 2 + (0.2/2)(−1 − 0.819933) = 1.818007
y₂ = 1.818007 + (0.2/2)(−0.83794 − 0.729358) = 1.661277
y₃ = 1.661277 + (0.2/2)(−0.740216 − 0.687898) = 1.518465
00.20.40.61.41.61.82ty

ग्राफ़

y3 = 1.518

उत्तर

y3 = 1.518
3.अनुक्रम और श्रेणियाँ

उत्तर: B: Σ 5/k²

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।

हर श्रेणी का परीक्षण करें

A: Σ (1 + 1/k)ᵏ → पद 0 की जगह e की ओर जाते हैं: n-वें पद परीक्षण से अपसरित होती है।
B: Σ 5/k² → p = 2 > 1 वाली p-श्रेणी: अभिसरित होती है।
C: Σ 1/√k → p = 1/2 ≤ 1 वाली p-श्रेणी: अपसरित होती है।
D: Σ ln k / k → k ≥ 3 के लिए 1/k से बड़ी: हरात्मक श्रेणी से तुलना द्वारा अपसरित होती है।

उत्तर

B: Σ 5/k²

उत्तर

B: Σ 5/k²
4.अनुक्रम और श्रेणियाँ

उत्तर: P₄(2) = 7

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 + 0.5x² + 0.1667x³ + 0.04167x⁴

मान रखें

P₄(2) = 1 + 2 + 2 + 1.333333 + 0.666667 = 7

उत्तर

P₄(2) = 7

यथार्थ मान f(2) = 7.389056 है; अधिक पद लेने या 0 के निकट बिंदु लेने पर त्रुटि 0.389056 घटती है।

5.आव्यूह और सारणिक

उत्तर: c12 = −14

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।

पंक्ति गुणा स्तंभ

c12 = (−3)·5 + 1·1 = −14

उत्तर

c12 = −14
6.आव्यूह और सारणिक

उत्तर: x = 0.35

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 = (−5)·6 − (−2)·(−5) = −40

x स्तंभ बदलें

det Aₓ = (−1)·6 − (−2)·(−4) = −14
x = −14/(−40) = 0.35

उत्तर

x = 0.35
y = −0.375
7.अवकल समीकरण

उत्तर: T = 54.07 °C

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।

शीतलन नियम का हल

T(t) = 20 + 70·e−0.06t

t रखें

T(12) = 20 + 70·0.4868 = 54.07 °C

उत्तर

T = 54.07 °C
8.अवकल समीकरण

उत्तर: y(2) = 0.4035

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।

समाकलन गुणक

μ = et
(ety)′ = 2e−2t

व्यापक हल

y = 2/(−2)·e−3t + C·e−t = −1·e−3t + C·e−t

प्रारंभिक प्रतिबंध

2 = −1 + C → C = 3

मान निकालें

y(2) = −1·0.002479 + 3·0.1353 = 0.4035

उत्तर

y(2) = 0.4035

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