Exercise 23.3
Question 1
सत्यापित कीजिए कि दिया हुआ फलन संगत अवकल समीकरण का हल है:
[Verify that
the given function is a solution of the corresponding differential
equation]
(i) y=e^{-3x}:
\dfrac{d^2y}{dx^2}+\dfrac{dy}{dx}-6y=0
Sol :
y=e-3x
Differential
w.r.t x
\dfrac{dy}{dx}=-3e^{-3x}
3e^{-3x}=-\dfrac{dy}{dx}
Again ,differentiating
\dfrac{d^2y}{dx^2}=9e^{-3x}
\dfrac{d^{2}y}{dx^2}=6e^{-3x}+3e^{-3x}
\dfrac{d^{2}y}{dx^2}+\dfrac{dy}{dx}-6y=0
∴फलन y=e-3x संगत अवकल समीकरण \dfrac{d^2y}{dx^2}+\dfrac{dy}{dx}-6y=0 का हल है।
(ii) y=ex+1: y''-y'=0
Sol :
y=ex+1
Differentiating w.r.t x
y'=ex
Again, Differentiating w.r.t x
y''=ex
y''=y'
y''-y'=0
अतः फलन y=ex+1 संगत अवकल समीकरण y''-y'=0 का हल है।
(iii) y=Ax : xy'=y(x≠0)
Sol :
y=Ax ⇒A=\frac{y}{x}
Differentiate w.r.t x
y'=A
y{'}=\frac{y}{x}
xy'=y
अतः फलन y=Ax संगत अवकाल समीकरण xy'=y का हल है।
(iv) y=cos x+c : y'+sinx=0
Sol :
y=cosx+c
Differentiating w.r.t x
y'+sinx=0
अतः फलन y=cosx+c संगत अवकल समीकरण y'+sinx=0 का हल है।
(v) y=x2+2x+c : y'-2x-2=0
Sol :
y=x2+2x+c
Differentiating w.r.t x
y'=2x+2
y'-2x-2=0
अतः y=x2+2x+c संगत अवकल समीकरण y'-2x-2=0 का हल है।
(vi) y=\sqrt{a^2-x^2} ,-a<x<a :x+y\frac{dy}{dx}=0(y≠0)
Sol :
y=\sqrt{a^2-x^2}
दोनो तरफ वर्ग करने पर
y2=a2-x2
Differentiating w.r.t x
2y\dfrac{dy}{dx}=-2x
x+y\frac{dy}{dx}=0
अतः फलन y=\sqrt{a^2-x^2} संगत अवकल समीकरण x+y\frac{dy}{dx}=0 का हल है।
(vii) y=\sqrt{1+x^2} : y{'}=\frac{xy}{1+x^2}
Sol :
y=\sqrt{1+x^2}
Differentiating w.r.t x
y{'}=\frac{1}{2\sqrt{1+x^2}}\times 2x
y{'}=\frac{1}{\sqrt{1+x^2}}
y{'}=\frac{x}{\sqrt{1+x^2}}\times \frac{\sqrt{1+x^2}}{\sqrt{1+x^2}}
y{'}=\frac{x\sqrt{1+x^2}}{1+x^2}
y{'}=\frac{xy}{1+x^2}
अतः फलन y=\sqrt{1+x^2} संगत अवकल समीकरण y '=\frac{xy}{1+x^2} का हल है।
(viii) y=xsin x: xy'=y+x\sqrt{x^2-y^2} (x≠0 तथा x>y या x<-y)
Sol :
y=xsinx ⇒sinx=\frac{y}{x}
Differentiating w.r.t x
y'=1.sinx+xcosx
y'=sinx+xcosx
y{'}=\frac{y}{x}+x\sqrt{1-\left(\frac{y}{x}\right)^2}
y{'}=\frac{y}{x}+x\sqrt{\frac{x^2-y^2}{x^2}}
y{'}=\frac{y}{x}+x\frac{\sqrt{x^2-y^2}}{x}
y{'}=\frac{y+x\sqrt{x^2-y^2}}{x}
xy'=y+x\sqrt{x^2-y^2}
अतः फलन y=xsinx संगत अवकल समीकरण
xy'=y+x\sqrt{x^2-y^2} का हल है
(ix) xy=ae^{x}+be^{-x}+x^2 : x\frac{d^2y}{dx^2}+2\frac{dy}{dx}-xy+x^2-2=0
Sol :
xy=ae
x+be
-x ⇒ae
x+be
-x=xy-x
2
Differentiating w.r.t x
1.y+x\frac{dy}{dx}=ae^x-be^{-x}+2x
y+x\frac{dy}{dx}=ae^{x}-be^{-x}+2x
Again, differentiating w.r.t x
\frac{dy}{dx}+1.\frac{dy}{dx}+x\frac{d^2y}{dx^2}=ae^x+be^{-x}+2
x\frac{d^2y}{dx^2}+2\frac{dy}{dx}=xy-x^2+2
x\frac{d^2y}{dx^2}+2\frac{dy}{dx}-xy+x^2-2=0
अतः xy=aex+be-x+x2 संगत अवकल समीकरण x\frac{d^2y}{dx^2}+\frac{2dy}{dx}-xy+x^2-2=0 का हल है।
(x) y=xsin3x :\frac{d^2y}{dx^2}+9y-6 \cos 3x =0
Sol :
y=xsin3x
Differentiating w.r.t x
\frac{dy}{dx}=1.\sin 3x+3x \cos 3x
\frac{dy}{dx}=\sin 3x+3x \cos 3x
Again , differentiating w.r.t x
\frac{d^2y}{dx^2}=3\cos 3x+3\left[1.\cos 3x+x(-\sin 3x).3\right]
\frac{d^2y}{dx^2}=3\cos 3x+3\cos 3x-9x\sin 3x
\frac{d^2y}{dx^2}=6\cos 3x-9y
\frac{d^2y}{dx^2}+9y-6\cos 3x=0
अतः फलन y=xsin 3x संगत अवकल समीकरण
\frac{d^2y}{dx^2}+9y-6\cos 3x=0 का हल है।
(xi) x2=2y2 log y : \left(x^2+y^2\right)\frac{dy}{dx}-xy=0
Sol :
x2=2y2 log y ⇒ \log y=\frac{x^2}{2y^2}
Differentiating w.r.t x
2x=4y\frac{dy}{dx}\log y+2y^2\times \frac{1}{y}\times \frac{dy}{dx}
2x=2y\left[2\log y+1\right]\frac{dy}{dx}
x=y\left[2\log y+1\right]\frac{dy}{dx}
x=y\left[2\frac{x^2}{xy^2}+1\right]\frac{dy}{dx}d
x=y\left[\frac{x^2+y^2}{y^2}\right]\frac{dy}{dx}
xy=(x^2+y^2)\frac{dy}{dx}
0=(x^2+y^2)\frac{dy}{dx}-xy
या \left(x^2+y^2\right)\frac{dy}{dx}-xy=0
अतः फलन x2=2y2 log y संगत अवकल समीकरण
\left(x^2+y^2\right)\frac{dy}{dx}-xy=0 का हल है।
[incomplete]
Question 2
सत्यापित करे कि दिया हुआ अस्पष्ट फलन संगत अवकल समीकरण का हल है।
[Verify that the following implicit function is a solution of the corresponding differential equation]
(i) xy=log y+c : y{'}=\frac{y^2}{1-xy}(xy\neq 1)
Sol :
xy=log y+c
Differentiating w.r.t x
1.y+x.y'=\frac{1}{y}.y'
y=\frac{y'}{y}-xy'
y=\left(\frac{1}{y}-x\right)y'
\left(\frac{1-xy}{y}\right)y'=y
y'=\frac{y^2}{1-xy}
∴ xy=log y+c संगत अवकल समीकरण y'=\frac{y^2}{1-xy} का हल है।
(ii) x+y=\tan^{-1}y: y^2y'+y^2+1=0
Sol :
x+y=tan-1y
Differentiating w.r.t x
1+y'=\frac{1}{1+y^2}\times y'
(1+y')(1+y2)=y'
1+y2+y'+y2y'=y'
⇒y2y'+y2+1=0
अतः x+y=tan-1y संगत अवकल समीकरण
y2y'+y2+1=0 का हल है।
(iii) y-cosy=x:(ysiny+cosy+x)y'=y
Sol :
y-cosy=x ⇒y=x+cosy
Differentiating w.r.t x
y'+siny y'=1
(1+siny)y'=1
y से गुणा करने पर
y(1+siny)y'=y
(x+cosy)(1+siny)y'=y
(x+xsiny+cosy+sinycosy)y'=y
[siny(x+cosy)+cosy+x]y'=y
[ysiny+cosy+x]y'=y
अतः y-cosy=x संगत अवकल समीकरण
(ysiny+cosy+x)y'=y का एक हल है।
दिखाएँ कि y=bex+ce2x अवकल समीकरण \frac{d^2y}{dx^2}-3\frac{dy}{dx}+2y=0 का हल है।
Sol :
y=bex+ce2x
Differentiating w.r.t x
\frac{dy}{dx}=be^{x}+2ce^{2x}
Again ,Differentiating w.r.t x
\frac{d^2y}{dx^2}=be^{x}+4ce^{2x}
\frac{d^2y}{dx^2}=3be^{x}+6ce^{2x}-2be^x-2ce^{2x}
\frac{d^2y}{dx^2}=3(be^x+2ce^{2x})-2(be^x+ce^{2x})
\frac{d^2y}{dx^2}=3\frac{dy}{dx}-2y
\frac{d^2y}{dx^2}=3\frac{dy}{dx}-2y
\frac{d^2y}{dx^2}-3\frac{dy}{dx}-2y=0
अतः y=bex+ce2x संगत अवकल समीकरण
\frac{d^2y}{dx^2}-3\frac{dy}{dx}+2y=0 का हल है।
सत्यापित करे कि y=4sin3x अवकल समीकरण \frac{d^2y}{dx^2}+9y=0 का हल है।
Sol :
y=4sin3x
Differentiating w.r.t x
\frac{dy}{dx}=12\cos 3x
Again ,differentiating w.r.t x
\frac{d^2y}{dx^2}=-36\sin 3x
\frac{d^2y}{dx^2}=-9\times 4\sin 3x
\frac{d^2y}{dx^2}=-9y
∴y=4sin3x संगत अवकल समीकरण \frac{d^2y}{dx^2}+9y=0 का हल है।
दिखाएँ कि फलन y=Acos2x-Bsin2x अवकल समीकरण \frac{d^2y}{dx^2}+4y=0 का एक हल है।
Sol :
y=Acos2x-Bsin2x
Differentiating w.r.t x
\frac{dy}{dx}=-2A\sin 2x-2B\cos 2x
Again ,differentiating w.r.t x
\frac{d^2y}{dx^2}=-4A\cos 2x+4B\sin 2x
\frac{d^2y}{dx^2}=-4(A\cos 2x-B\sin 2x)
\frac{d^2y}{dx^2}=-4y
अतः y=Acos2x-Bsin2x अवकल समीकरण \frac{d^2y}{dx^2}+4y=0 हल है।
सत्यापित करे कि y=acosx+bsinx अवकल समीकरण \frac{d^2y}{dx^2}+y=0 का एक हल है।
Sol :
y=acosx+bsinx
Differentiating w.r.t x
\frac{dy}{dx}=-a\sin x+b\cos x
Again, differentiating w.r.t x
\frac{d^2y}{dx^2}=-a\cos x-b\sin x
\frac{d^2y}{dx^2}=-(a\cos x+b\sin x)
अतः y=acos x+bsin x अवकल समीकरण \frac{d^2y}{dx^2}+y=0 का हल है।
दिखाएँ कि y=2(x^2-1)+ce^{-x^2} अवकल समीकरण \frac{dy}{dx}+2xy=4x^3 का हल है।
Sol :
y=2(x^2-1)+ce^{-x^2} ⇒ce^{-x^2}=y-2(x^2-1)
Differentiating w.r.t x
\frac{dy}{dx}=2(2x)+(-2x)ce^{-x^2}
\frac{dy}{dx}=4x-2x\left[y-2x^2+2\right]
\frac{dy}{dx}=4x-2xy+4x^3-4x
\frac{dy}{dx}+2xy=4x^3
अतः y=2(x^2-1)+ce^{-x^2} अवकल समीकरण \frac{dy}{dx}+2xy=4x^3 का हल है।
दिकाएँ कि y=e-x+ax+b अवकल समीकरण e^x\frac{d^2y}{dx^2}=1 का एक हल है।
Sol :
y=e-x+ax+b
Differentiating w.r.t x
\frac{dy}{dx}=(-1)e^{-x}+ax
Again , differentiating w.r.t x
\frac{d^2y}{dx^2}=e^{-x}
\frac{d^2y}{dx^2}=\frac{1}{e^{-x}}
e^{x}\frac{d^2y}{dx^2}=1
अतः y=e-x+ax+b अवकल समीकरण e^x\frac{d^2y}{dx^2}=1 का हल है।
सत्यापित करे कि y=ax3+bx2+c अवकल समीकरण \frac{d^3y}{dx^3}=6a का हल है।
Sol :
y=ax3+bx2+c
Differentiating w.r.t x
\frac{d^3y}{dx^3}=3ax^2+2bx
Again , differentiating w.r.t x
\frac{d^2y}{dx^2}=6ax+2b
Again , differentiating w.r.t x
अतः y=ax3+bx2+c अवकल समीकरण \frac{d^3y}{dx^2}=6a का हल है।
सत्यापित करे कि y=ex(acosx+bsinx) अवकल समीकरण \frac{d^2y}{dx^2}-2\frac{dy}{dx}+2y=0 का हल है।
Sol :
y=ex(acosx+bsinx)
Differentiating w.r.t x
\frac{dy}{dx}=e^{x}
\frac{dy}{dx}=y+e^x(-a\sin x+b \cos x)
Again , differentiating w.r.t x
\frac{d^2y}{dx^2}=\frac{dy}{dx}+e^{x}(-a\sin x+b\cos x)+e^x(-a\cos x-b\sin x)
\frac{d^2y}{dx^2}=\frac{dy}{dx}+\frac{dy}{dx}-y-e^x(a\cos x+b\sin x)
\frac{d^2y}{dx^2}=2\frac{dy}{dx}-y-y
\frac{d^2y}{dx^2}-2\frac{dy}{dx}+2y=0
अतः y=ex(acosx+bsinx) अवकल समीकरण
\frac{d^2y}{dx^2}-2\frac{dy}{dx}+2y=0 का हल है।
सत्यापित करे कि y=\frac{a}{x}+b अवकल समीकरण \frac{d^2y}{dx^2}+\frac{2}{x}\frac{dy}{dx}=0 का एक हल है।
Sol :
y=\frac{a}{x}+b
Differentiating w.r.t x
\frac{dy}{dx}=\frac{-a}{x^2}
Again , differentiating w.r.t x
\frac{d^2y}{dx^2}=\frac{2a}{x^3}
\frac{d^2y}{dx^2}=\frac{-2}{x}\left(\frac{-a}{x^2}\right)
\frac{d^2y}{dx^2}=\frac{-2}{x}\frac{dy}{dx}
\frac{d^2y}{dx^2}+\frac{2}{x}\frac{dy}{dx}=0
अतः y=\frac{a}{x}+b अवकल समीकरण \frac{d^2y}{dx^2}+\frac{2}{x}\frac{dy}{dx}=0 का हल है।
सत्यापित करे कि y=aebx अवकल समीकरण \frac{d^2y}{dx^2}=\frac{1}{y}\left(\frac{dy}{dx}\right)^2 का हल है।
Sol :
y=aebx
Differentiating w.r.t x
\frac{dy}{dx}=abe^{bx}
Again , differentiating w.r.t x
\frac{d^2y}{dx^2}=ab^2e^{bx}
\frac{d^2y}{dx^2}=\frac{1}{y}.y.ab^2.e^{bx}
\frac{d^2y}{dx^2}=\frac{1}{y}ae^{bx}.ab^2.e^{bx}
\frac{d^2y}{dx^2}=\frac{1}{y}\left(a^2b^2e^{2bx}\right)
\frac{d^2y}{dx^2}=\frac{1}{y}(abe^{bx})^2
$$\frac{d^2y}{dx^2}=\frac{1}{y}\left(\frac{dy}{dx}\right)^2$
अतः y=aebx अवकल समीकरण \frac{d^2y}{dx^2}=\frac{1}{y}\left(\frac{dy}{dx}\right)^2 का हल है
सत्यापित करे कि y=ce^{\tan ^{-1}x} अवकल समीकरण (1+x^2)\frac{d^2y}{dx^2}+(2x-1)\frac{dy}{dx}=0 का एक हल है।
Sol :
y=ce^{\tan ^{-1}x}
Differentiating w.r.t x
\frac{dy}{dx}=ce^{\tan ^{-1}x}\times \frac{1}{1+x^2}
\frac{dy}{dx}=\frac{y}{1+x^2}
(1+x^2)\frac{dy}{dx}=y
Again , differentiating w.r.t x
(2x)\frac{dy}{dx}+(1+x^2)\frac{d^2y}{dx^2}=\frac{dy}{dx}
(1+x^2)\frac{d^2y}{dx^2}+2x\frac{dy}{dx}-\frac{dy}{dx}=0
(1+x^2)\frac{d^2y}{dx^2}+(2x-1)\frac{dy}{dx}=0
अतः y=ce^{\tan ^{-1}x} अवकल समीकरण (1+x^2)\frac{d^2y}{dx^2}+(2x-1)\frac{dy}{dx}=0 का एक हल है
सत्यापित करे कि y=e^{m\cos ^{-1}x} अवकल समीकरण (1-x^2)\frac{d^2y}{dx^2}-x\frac{dy}{dx}-m^2y=0 का एक हल है।
Sol :
y=e^{m\cos ^{-1}x}
Differentiating w.r.t x
\frac{dy}{dx}=e^m\cos ^{-1}x\times \frac{m(-1)}{\sqrt{1-x^2}}
\frac{dy}{dx}=\frac{-my}{\sqrt{1-x^2}} ⇒ \sqrt{1-x^2}\frac{dy}{dx}=-my
Again, differentiating w.r.t x
\frac{d^2y}{dx^2}=-m\left[\dfrac{\frac{dy}{dx}\sqrt{1-x^2}-y\times \frac{1}{2\sqrt{1-x^2}\times (-2x)}}{(\sqrt{1-x^2})^2}\right]
(1-x^2)\frac{d^2y}{dx^2}=-m\left[-my-\frac{xy}{\sqrt{1-x^2}}\right]
$(1-x^2)\frac{d^2y}{dx^2}=m^2y-\frac{mxy}{\sqrt{1-x^2}}
(1-x^2)\frac{d^2y}{dx^2}=m^2y+x\frac{dy}{dx}
(1-x^2)\frac{d^2y}{dx^2}-x\frac{dy}{dx}-m^2y=0
अतः y=e^{m\cos ^{-1}x} अवकल समीकरण (1-x^2)\frac{d^2y}{dx^2}-x\frac{dy}{dx}-m^2y=0 का एक हल है
सत्यापित करे कि y=c1eaxcosbx+c2eaxsinbx , जहाँ c1 तथा c2 स्वेच्छ अचर है,अवकल समीकरण \frac{d^2y}{dx^2}-2a\frac{dy}{dx}+(a^2+b^2)=0 का एक हल है।
Sol :
y=c1eaxcosbx+c2eaxsinbx
Differentiating w.r.t x
\frac{dy}{dx}=c_1\left[ae^{ax}\cos bx+e^{ax}(-b\sin bx)\right]+c_2 \left[ae^{ax}\sin bx+e^{ax}b\cos bx\right]
\frac{dy}{dx}=a\left[c_1e^{ax}\cos bx+c_2 e^{ax}\sin bx\right]+b\left[-c_1e^{ax}\sin bx+c_2e^{ax}\cos bx\right]
\frac{dy}{dx}=ay+b\left[-c_1e^{ax}\sin bx+c_2 e^{ax}\cos bx\right]
Again, differentiating w.r.t x
\frac{d^2y}{dx^2}=a\frac{dy}{dx}+b\left[-c_1\left[ae^{ax}\sin bx+e^{ax}b\cos bx\right]+c_2\left[ae^{ax}\cos bx+e^{ax}(-b\sin bx)\right]\right]
\frac{d^2y}{dx^2}=a\frac{dy}{dx}-abc_1e^{ax}\sin bx-b^2c_1e^{ax}\cos bx +abc_2 e^{ax}\cos bx -b^2c_2e^{ax}\sin bx
\frac{d^2y}{dx^2}=a\frac{dy}{dx}+a\left[\frac{dy}{dx}-ay\right]-b^2y
\frac{d^2y}{dx^2}=\frac{ady}{dx}+\frac{ady}{dx}-a^2y-b^2y
\frac{d^2y}{dx^2}=\frac{2ady}{dx}-(a^2+b^2)y
\frac{d^2y}{dx^2}-2a\frac{dy}{dx}+(a^2+b^2)y=0
अतः y=c1eaxcosbx+c2eaxsinbx अवकल समीकरण \frac{d^2y}{dx^2}-2a\frac{dy}{dx}+(a^2+b^2)=0 का एक हल है
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