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KC Sinha Solution Class 12 Chapter 23 अवकल समीकरण (Differential Equations) Exercise 23.3

 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=aex+be-x ⇒aex+be-x=xy-x2

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+xसंगत 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=2ylog y : \left(x^2+y^2\right)\frac{dy}{dx}-xy=0
Sol :
x2=2ylog 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=2ylog 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।


Question 3

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।


Question 4

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

\frac{d^2y}{dx^2}+9y=0

∴y=4sin3x संगत अवकल समीकरण \frac{d^2y}{dx^2}+9y=0 का हल है।


Question 5

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 

\frac{d^2y}{dx^2}+4y=0 

अतः y=Acos2x-Bsin2x अवकल समीकरण \frac{d^2y}{dx^2}+4y=0 हल है।

Question 6

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)

\frac{d^2y}{dx^2}=-y

\frac{d^2y}{dx^2}+y=0

अतः y=acos x+bsin x अवकल समीकरण \frac{d^2y}{dx^2}+y=0 का हल है।


Question 7

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।


Question 8

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।

Question 9

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

\frac{d^3y}{dx^3}=6a

अतः y=ax3+bx2+c अवकल समीकरण \frac{d^3y}{dx^2}=6a का हल है।


Question 10

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।


Question 11

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।

Question 12

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


Question 13

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


Question 14

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


Question 15

सत्यापित करे कि y=c1eaxcosbx+c2eaxsinbx , जहाँ cतथा cस्वेच्छ 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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