सीमा, सांतत्य व अवकलनीयता
सीमाओं का मूल्यांकन
| x → 0 पर सीमा | मान |
|---|---|
| sin x / x | 1 — आधारभूत |
| tan x / x | 1 |
| (1 − cos x)/x² | 1/2 |
| (eˣ − 1)/x | 1 |
| log(1 + x)/x | 1 |
| (1 + x)1/x | e |
सीमा केवल तब है जब बायाँ व दायाँ पक्ष सीमाएँ बराबर हों। इसीलिए मापांक या महत्तम-पूर्णांक फलन सदा दोनों ओर से जाँचना चाहिए: lim(x→0) |x|/x बाएँ से −1 व दाएँ से +1 है, अतः सीमा नहीं है यद्यपि दोनों एक-पक्षीय सीमाएँ हैं। ल’हॉपिटल नियम — अंश व हर पृथक् रूप से अवकलित करें — अनिर्धार्य रूपों 0/0 व ∞/∞ पर लागू है और किसी अन्य पर नहीं, अतः नियम प्रयोग करने से पूर्व रूप की पुष्टि करनी होगी।
सांतत्य
फलन x = a पर सतत है जब तीनों बातें ठीक हों: f(a) परिभाषित है, a पर सीमा है, और दोनों बराबर हैं। किसी एक की विफलता असांतत्य देती है, और प्रकार का नाम है: सीमा हो परंतु f(a) से भिन्न हो तो हटाने योग्य, एक-पक्षीय सीमाएँ भिन्न हों तो उछाल, और कोई अपरिबद्ध हो तो अनंत। खंडशः फलन देकर उसे सतत बनाने वाले अचर का मान पूछते प्रश्न आपसे दोनों एक-पक्षीय सीमाएँ f(a) के बराबर रखने को कह रहे हैं।
| कथन | सत्य? | मिथ्या हो तो प्रत्युदाहरण |
|---|---|---|
| अवकलनीय ⟹ सतत | हाँ, सदा | कोई नहीं |
| सतत ⟹ अवकलनीय | नहीं | x = 0 पर |x| |
| सीमा है ⟹ सतत | नहीं | x = 1 पर (x²−1)/(x−1), वहाँ अपरिभाषित |
| सतत ⟹ सीमा है | हाँ | कोई नहीं |
| असतत ⟹ अवकलनीय नहीं | हाँ — प्रथम पंक्ति का प्रतिधनात्मक | कोई नहीं |
दो नामित प्रमेय अध्याय समाप्त करते हैं और अपने निष्कर्षों के बजाय अपनी परिकल्पनाओं हेतु पूछे जाते हैं। रोल प्रमेय को [a, b] पर f सतत, (a, b) पर अवकलनीय व f(a) = f(b) चाहिए, और तत्पश्चात् वह ऐसा बिंदु सुनिश्चित करता है जहाँ f′ = 0। लाग्रांज माध्यमान प्रमेय अंतिम आवश्यकता छोड़ देता है व ऐसा बिंदु सुनिश्चित करता है जहाँ f′ औसत ढाल (f(b) − f(a))/(b − a) के बराबर हो। [−1, 1] पर |x| देकर रोल प्रमेय लागू है या नहीं पूछता प्रश्न यह जाँच रहा है कि आपने अवकलनीयता जाँची या नहीं: अंत-बिंदु मेल खाते हैं व फलन सतत है, परंतु 0 पर कोना द्वितीय परिकल्पना तोड़ता है, अतः प्रमेय लागू ही नहीं होता।
मुख्य बिंदु
- सीमा वर्णित करती है कि फलन किसकी ओर बढ़ता है, बिंदु पर उसका मान नहीं — दोनों भिन्न हो सकते हैं।
- x → 0 पर sin x/x → 1, (1 − cos x)/x² → ½, (eˣ − 1)/x → 1 व (1 + x)1/x → e।
- सीमा केवल तब है जब बाईं व दाईं सीमाएँ सहमत हों — मापांक फलनों हेतु सदा दोनों जाँचें।
- ल'हॉपिटल केवल 0/0 व ∞/∞ पर लागू — अवकलन से पूर्व रूप की पुष्टि करें।
- 0^∞ शून्य है, अनिर्धार्य नहीं; सात सच्चे अनिर्धार्य रूप एक बार सूचीबद्ध करने योग्य हैं।
- सांतत्य को f(a) परिभाषित, सीमा का अस्तित्व, व दोनों का बराबर होना चाहिए।
- अवकलनीय से सतत निकलता है, विलोम नहीं — 0 पर |x| मानक प्रत्युदाहरण है।
- रोल व लाग्रांज अपनी परिकल्पनाओं पर पूछे जाते हैं: किसी को लगाने से पूर्व अवकलनीयता जाँचें।
अभ्यास प्रश्न (8)
उत्तर खोलने से पहले प्रत्येक प्रश्न हल करें। हर व्याख्या सही विकल्प के साथ लुभावना गलत विकल्प भी बताती है, क्योंकि अंक वहीं जाते हैं।
lim(x→0) (1 − cos x)/x² बराबर है:
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उत्तर: B — 1/2
1 − cos x = 2sin²(x/2) प्रयोग करने पर व्यंजक 2sin²(x/2)/x² = ½ · (sin(x/2)/(x/2))² बन जाता है, जो ½ · 1 = ½ की ओर बढ़ता है। ल'हॉपिटल के दो प्रयोग वही मान देते हैं। उत्तर 1 इसे sin x/x सीमा ग़लत याद रखने से आता है, जो भिन्न मानक परिणाम है — वर्गित हर ही ½ को प्रकट करता है।x = 0 पर फलन f(x) = |x| है:
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उत्तर: B — सतत परंतु अवकलनीय नहीं
आलेख अखंडित V है, अतः फलन 0 पर सतत है, परंतु बायाँ अवकलज −1 व दायाँ अवकलज +1 है, अतः कोई एकल स्पर्श रेखा नहीं व अवकलज विफल है। तृतीय विकल्प किसी भी फलन हेतु असंभव है, क्योंकि अवकलनीयता सदा सांतत्य हेतु बाध्य करती है — वह पहचानना उसे किसी भी विकल्प-सूची से तुरंत हटा देता है।lim(x→0) |x|/x:
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उत्तर: C — नहीं है
दाएँ से |x| = x अतः भागफल +1 है, और बाएँ से |x| = −x अतः वह −1 है। दोनों एक-पक्षीय सीमाएँ हैं परंतु वे असहमत हैं, और सीमा को उनके बराबर होने की आवश्यकता है, अतः सीमा नहीं है। इसीलिए मापांक, चिह्न या महत्तम-पूर्णांक फलन युक्त कोई भी व्यंजक सीधे मूल्यांकित करने के बजाय दोनों ओर से परखना चाहिए।निम्न में से कौन अनिर्धार्य रूप नहीं है?
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उत्तर: C — 0^∞
शून्य की ओर बढ़ती राशि, अनंत की ओर बढ़ती घात तक उठाई जाए तो असंदिग्ध रूप से शून्य है, अतः 0^∞ निर्धार्य है व उसे कोई विशेष उपचार नहीं चाहिए। अन्य तीन वास्तव में अनिर्धार्य हैं: 0/0 व ∞ − ∞ को बीजगणितीय कार्य या ल'हॉपिटल चाहिए, और 1^∞ को लघुगणक लेना — ठीक इसीलिए lim (1 + 1/n)ⁿ, e है, 1 नहीं।f(2) अपरिभाषित सहित f(x) = (x² − 4)/(x − 2) हेतु x = 2 पर असांतत्य है:
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उत्तर: B — हटाने योग्य
निरसन 2 के अतिरिक्त प्रत्येक x हेतु x + 2 देता है, अतः 2 पर सीमा 4 है व वह है, परंतु फलन वहाँ परिभाषित नहीं — वह अंतराल जो केवल f(2) = 4 परिभाषित करके भरा जा सकता है, वही "हटाने योग्य" का अर्थ है। उछाल हेतु दोनों एक-पक्षीय सीमाओं का भिन्न होना आवश्यक होगा, और अनंत असांतत्य हेतु फलन का असीम बढ़ना, यहाँ कोई नहीं होता।[−1, 1] पर f(x) = |x| पर रोल प्रमेय लागू नहीं होता क्योंकि:
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उत्तर: B — f, x = 0 पर अवकलनीय नहीं
अंत-बिंदु मान मेल खाते हैं, क्योंकि f(−1) = f(1) = 1, और फलन सर्वत्र सतत है, अतः प्रथम व तृतीय परिकल्पनाएँ ठीक हैं। जो विफल होती है वह विवृत अंतराल पर अवकलनीयता है, x = 0 पर कोने के कारण — और वस्तुतः निष्कर्ष भी विफल है, क्योंकि जहाँ f′ है वहाँ वह कहीं शून्य नहीं। इस प्रकार के प्रश्न जाँच रहे हैं कि परिकल्पनाएँ मान ली गईं या व्यक्तिगत रूप से जाँची गईं।यदि फलन किसी बिंदु पर अवकलनीय है, तो उस बिंदु पर वह अनिवार्यतः है:
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उत्तर: A — सतत
अवकलनीयता प्रबलतर शर्त है और सदा सांतत्य का आशय रखती है, क्योंकि अवकलज केवल वहाँ हो सकता है जहाँ फलन में कोई विच्छेद न हो। विलोम विफल है, जैसा |x| मूल बिंदु पर दर्शाता है, अतः निष्पत्ति कठोरतः एक दिशा में चलती है — इसीलिए "अवकलनीय परंतु सतत नहीं" कभी वैध विकल्प नहीं व देखते ही हटाया जा सकता है।खंडशः फलन के जोड़-बिंदु पर अवकलनीय होने हेतु पर्याप्त है कि:
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उत्तर: B — वहाँ मान व एक-पक्षीय अवकलज दोनों मेल खाएँ
मान मेल खाना सांतत्य देता है, जो आवश्यक परंतु पर्याप्त नहीं; एकल स्पर्श रेखा के अस्तित्व हेतु एक-पक्षीय अवकलजों का भी सहमत होना आवश्यक है। प्रत्येक खंड का स्वयं पर चिकना होना जोड़ के विषय में कुछ नहीं कहता, ठीक वहीं |x| जैसे उदाहरणों में विफलता होती है। दो अज्ञात अचर देता प्रश्न प्रायः मान-मेल से एक समीकरण व अवकलज-मेल से एक चाहता है।