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रैखिकीकरण, अस्पष्ट वक्र और सदिश फलनों का अवकलज

किसी चिकने वक्र को बहुत पास से देखो तो वह सीधी रेखा जैसा लगता है — यही उसकी स्पर्श रेखा है। L(x) = f(a) + f′(a)(x − a) से x = a के पास जल्दी अनुमान मिलता है। x² + y² = 25 जैसे वक्रों में दोनों तरफ अवकलन करके dy/dx निकालते हैं; अंश शून्य हो तो क्षैतिज, हर शून्य हो तो ऊर्ध्वाधर स्पर्श रेखा। चलते बिंदु r(t) = (x(t), y(t)) का वेग r′(t) और चाल |r′(t)| है। nवें पद का परीक्षण: अगर पद 0 की ओर नहीं जाते, तो श्रेणी अपसारी है।

🎬 कदम-दर-कदम कहानी

  1. यह वक्र y = √x है। लाल बिंदु x = 4 पर है, जहाँ y = 2।
  2. उस बिंदु पर स्पर्श रेखा बनाते हैं। उसकी ढाल f′(4) = 1/4 है। तो L(x) = 2 + (1/4)(x − 4)।
  3. पास से देखो। x = 4.1 पर रेखा 2.025 बताती है, असली मान 2.0248 है। रेखा एक बढ़िया शॉर्टकट है।
  4. अब वृत्त x² + y² = 25। यहाँ y अकेला नहीं लिख सकते, फिर भी ढाल निकलती है: dy/dx = −x/y। (3, 4) पर यह −3/4 है। जहाँ y = 0, वहाँ स्पर्श रेखा खड़ी है।
  5. एक बिंदु पथ r(t) = (3cos t, 2sin t) पर चलता है। हरा तीर वेग r′(t) है। यह हमेशा पथ के साथ-साथ होता है और इसकी लंबाई चाल है।
  6. खुद खेलो: मोड चुनो और स्लाइडर चलाओ। स्पर्श रेखा, ढाल और वेग बदलते देखो।

टिप: 3D दृश्य को घुमाने के लिए खींचें। ज़ूम के लिए दो उंगलियाँ इस्तेमाल करें।

🤔 आम शंकाएँ और उनके जवाब

पास जाने पर वक्र सीधा क्यों दिखता है?

अवकलनीय होने का मतलब है उस बिंदु पर एक साफ़ ढाल है। बहुत पास से मोड़ दिखता ही नहीं, सिर्फ़ वह ढाल बचती है — स्पर्श रेखा।

कैसे पता करें कि अनुमान ज़्यादा है या कम?

अवतलता देखो। अवतल नीचे: रेखा ऊपर, अनुमान ज़्यादा। अवतल ऊपर: अनुमान कम।

y² के अवकलन में dy/dx क्यों लिखते हैं?

x बदलने पर y भी बदलता है, तो y² फलन के अंदर फलन है। श्रृंखला नियम अंदर की दर dy/dx जोड़ता है।

स्पर्श रेखा खड़ी कैसे हो सकती है?

dy/dx का हर शून्य हो तो ढाल अपरिभाषित है — रेखा सीधी खड़ी, जैसे वृत्त पर (5, 0)।

वेग का तीर हमेशा पथ के साथ क्यों रहता है?

वेग बहुत छोटे-छोटे स्थिति बदलावों की सीमा है, और ये बदलाव पथ पर ही होते हैं। इसलिए r′(t) पथ की स्पर्श दिशा में है।

स्थानीय रैखिकता और रैखिकीकरण

अगर फलन x = a पर अवकलनीय है, तो a के पास उसका ग्राफ लगभग सीधा दिखता है। वह सीधी रेखा स्पर्श रेखा है।

रैखिकीकरण: L(x) = f(a) + f′(a)(x − a)।

इसे a के पास वाले x के लिए इस्तेमाल करो, जहाँ f(a) और f′(a) आसान हों। जैसे √4.1 ≈ 2 + (1/4)(0.1) = 2.025।

ज़्यादा या कम?

अगर वक्र नीचे की ओर मुड़ा है (f″ < 0, अवतल नीचे) तो स्पर्श रेखा वक्र के ऊपर रहती है — अनुमान ज़्यादा आता है। f″ > 0 हो तो अनुमान कम आता है। √x के लिए f″ < 0, इसलिए 2.025 थोड़ा ज़्यादा है।

x, a से जितना दूर, गलती उतनी बड़ी।

अस्पष्ट संबंधों का व्यवहार

अस्पष्ट संबंध (implicit relation) में x और y मिले होते हैं, जैसे x² + y² = 25। हम y अलग नहीं करते। दोनों तरफ x के सापेक्ष अवकलन करते हैं और y को x का फलन मानते हैं (श्रृंखला नियम: y² का अवकलज 2y·dy/dx)।

वृत्त के लिए: 2x + 2y·dy/dx = 0, तो dy/dx = −x/y।

क्षैतिज और ऊर्ध्वाधर स्पर्श रेखाएँ

दोबारा अवकलन करके d²y/dx² भी निकाल सकते हैं, जिससे वक्र की अवतलता पता चलती है।

सदिश-मान फलन और उनके अवकलज

सदिश-मान फलन हर समय t के लिए एक स्थिति देता है: r(t) = ⟨x(t), y(t)⟩ — जैसे ड्रोन की स्थिति।

हर घटक का अलग अवकलन करो:

r(t) = ⟨3cos t, 2sin t⟩ के लिए v(t) = ⟨−3sin t, 2cos t⟩। t = 0 पर v = ⟨0, 2⟩ — सीधा ऊपर, चाल 2।

nवें पद का अपसरण परीक्षण

श्रेणी a₁ + a₂ + a₃ + … में अनंत पद जुड़ते हैं। अगर पद खुद 0 तक नहीं घटते, तो योग बढ़ता (या झूलता) रहता है और किसी मान पर नहीं रुकता।

परीक्षण: अगर lim aₙ ≠ 0 (या सीमा मौजूद नहीं), तो श्रेणी अपसारी है।

ध्यान दो: lim aₙ = 0 हो तो यह परीक्षण कुछ नहीं बताता। 1 + 1/2 + 1/3 + … के पद 0 की ओर जाते हैं, फिर भी यह अपसारी है। उदाहरण: Σ n/(2n + 1) के पद 1/2 की ओर जाते हैं, इसलिए अपसारी।

करके देखो: पैमाने से वर्गमूल का अनुमान

ग्राफ पेपर पर x = 0 से 9 तक y = √x ध्यान से बनाओ। पैमाना (ruler) ऐसे रखो कि वह (4, 2) पर वक्र को बस छुए। x = 5 पर पैमाने की ऊँचाई पढ़ो। इसे 2 + 1/4 = 2.25 और कैलकुलेटर के √5 = 2.236 से मिलाओ। अब x = 4.2 पर करो — अनुमान कहीं ज़्यादा पास आएगा।

मुख्य सूत्र और परिभाषाएँ

हल किए गए उदाहरण

1. x = 4 पर स्पर्श रेखा से √4.1 का अनुमान लगाओ।

f(x) = √x, f(4) = 2, f′(x) = 1/(2√x), तो f′(4) = 1/4। L(4.1) = 2 + 0.025 = 2.025।

2. उदाहरण 1 का अनुमान ज़्यादा है या कम?

f″(x) = −1/(4x^(3/2)) < 0, वक्र अवतल नीचे है और स्पर्श रेखा के नीचे रहता है। इसलिए 2.025 थोड़ा ज़्यादा है (असली 2.0248)।

3. x = 1 पर रैखिकीकरण से (1.02)^5 का अनुमान लगाओ।

f(x) = x⁵, f(1) = 1, f′(1) = 5। L(1.02) = 1 + 5(0.02) = 1.10 (असली ≈ 1.104)।

4. x² + xy + y² = 7 के लिए dy/dx और (1, 2) पर ढाल निकालो।

2x + (y + x·dy/dx) + 2y·dy/dx = 0, तो dy/dx = −(2x + y)/(x + 2y)। (1, 2) पर: −4/5।

5. x² + y² = 25 पर ऊर्ध्वाधर स्पर्श रेखाएँ कहाँ हैं?

dy/dx = −x/y। हर y = 0 पर ऊर्ध्वाधर: x² = 25, यानी (5, 0) और (−5, 0)।

6. r(t) = ⟨t², t³ − 3t⟩। t = 2 पर वेग, चाल और dy/dx निकालो।

v(t) = ⟨2t, 3t² − 3⟩। t = 2 पर v = ⟨4, 9⟩। चाल = √97 ≈ 9.85। dy/dx = 9/4 = 2.25।

7. क्या Σ (3n² + 1)/(n² + 5) अभिसारी है?

aₙ → 3। सीमा 0 नहीं है, इसलिए nवें पद के परीक्षण से श्रेणी अपसारी है।

आम गलतियाँ

अभ्यास क्विज़

1. x = a पर f का रैखिकीकरण है:
2. x² + y² = 25 के लिए dy/dx =
3. अगर f, a के पास अवतल नीचे है, तो स्पर्श रेखा का अनुमान:
4. r(t) = ⟨cos t, sin t⟩ की चाल है:
5. Σ n/(n + 1):

अभ्यास: खुद जवाब दो

अपना जवाब लिखो या चुनो, फिर जाँचें दबाओ। अटको तो संकेत देखो; जवाब देने के बाद पूरा हल दिखेगा।

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न

कलन में रैखिकीकरण क्या है?

x = a के पास फलन को उसकी स्पर्श रेखा L(x) = f(a) + f′(a)(x − a) से बदलकर जल्दी और करीबी अनुमान लगाना।

nवें पद का परीक्षण क्या बताता है?

अगर श्रेणी के पद 0 की ओर नहीं जाते, तो श्रेणी अपसारी है। जाते हैं तो कोई और परीक्षण चाहिए।

सदिश-मान फलन का अवकलन कैसे करें?

हर घटक का अलग अवकलन: r′(t) = ⟨x′(t), y′(t)⟩। यही वेग सदिश है।

यह कहाँ पढ़ाया जाता है

अमेरिकाGrade 12Contextual Applications of Differentiation
अमेरिकाGrade 12Analytical Applications of Differentiation
अमेरिकाGrade 12Contextual Applications of Differentiation
अमेरिकाGrade 12Analytical Applications of Differentiation
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