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Topos Uranos

सारांश

यह पाठ लोपिताल नियम सिद्ध करता है: यदि ff और gg, 00 की ओर अग्रसर हों, या gg अनंत की ओर अग्रसर हो, और उनके अवकलजों के भागफल की सीमा हो, तो भागफल fg\frac{f}{g} की भी वही सीमा होती है। प्रमाण पूर्ववर्ती पाठ की कॉशी की माध्यमान प्रमेय को एक ऐसे अंतराल पर लगाता है जिसका एक सिरा स्थिर है और दूसरा चर; जिस स्थिति में हर अनंत की ओर अग्रसर होता है, उसमें अधिक सूक्ष्म युक्ति चाहिए, जो अंश से कुछ भी नहीं माँगती। नियम किसी बिंदु के एक पक्ष में, उस बिंदु पर और अनंत पर लागू होता है, और इसे लगातार कई बार लगाया जा सकता है: इस प्रकार f(x)−f(a)(x−a)n\frac{f(x) - f(a)}{(x - a)^n} की सीमा निकाली जाती है जब ff के पहले कुछ अवकलज aa पर शून्य हो जाते हैं। अनिर्धार्य रूप 0⋅∞0 \cdot \infty, ∞−∞\infty - \infty, 1∞1^\infty, 000^0 और ∞0\infty^0 एक भागफल में बदल जाते हैं। पाठ यह भी दिखाता है कि नियम कब लागू नहीं होता या निर्णय नहीं करता, वह उन सीमाओं के लिए क्यों काम नहीं आता जिनसे अवकलज निकाले गए थे, और वह तुल्य अनंतसूक्ष्मों के साथ कैसे जुड़ता है।

अधिगम उद्देश्य

  1. कॉशी की माध्यमान प्रमेय से आरंभ करके 00\frac{0}{0} और ∞∞\frac{\infty}{\infty} रूपों के लिए लोपिताल नियम सिद्ध करना, किसी बिंदु के एक पक्ष में, उस बिंदु पर और अनंत पर।
  2. अनिर्धार्य रूपों की सीमाएँ उन्हें भागफल में बदलकर निकालना, और नियम को कई बार लगाना, प्रत्येक अनुप्रयोग में उसकी परिकल्पनाएँ जाँचते हुए।
  3. पहचानना कि नियम कब लागू नहीं होता या निर्णय नहीं करता: ऐसी सीमाएँ जो अनिर्धार्य नहीं हैं, अवकलजों के ऐसे भागफल जिनकी सीमा नहीं है, हर के ऐसे अवकलज जो बिंदु के निकट शून्य हो जाते हैं, और वे सीमाएँ जिन्हें अवकलजों की गणना पहले से मानकर चलती है।
  4. नियम को तुल्य अनंतसूक्ष्मों और सीमाओं के बीजगणित के साथ जोड़ना, और प्रत्येक स्थिति में सबसे छोटा रास्ता चुनना।

शून्य बटा शून्य रूप

सीमाओं के बीजगणित वाले पाठ का उपप्रमेय “भागफल की सीमा” माँगता है कि हर की सीमा शून्य से अलग हो। यदि अंश और हर दोनों 00 की ओर अग्रसर हों, तो भागफल किसी भी संख्या की ओर, या अनंत की ओर अग्रसर हो सकता है, या उसकी सीमा न भी हो: 3xx\frac{3x}{x}, 33 की ओर अग्रसर होता है, x2x\frac{x^2}{x}, 00 की ओर, और xsin⁡1xx\frac{x \sin \frac{1}{x}}{x} की 00 पर कोई सीमा नहीं है। इसीलिए कहा जाता है कि 00\frac{0}{0} एक अनिर्धार्य रूप है: प्रत्येक पद की सीमा भागफल की सीमा निर्धारित नहीं करती। तुल्य अनंतसूक्ष्मों वाले पाठ ने इनमें से बहुत-सी सीमाएँ निकालीं, प्रत्येक गुणनखंड को उसकी सारणी के किसी तुल्य गुणनखंड से प्रतिस्थापित करके; परंतु x−sin⁡xx - \sin x जैसा अंतर सारणी के गुणनखंडों का गुणनफल नहीं है, और उसके पदों को प्रतिस्थापित नहीं किया जा सकता।

अवकलज एक और रास्ता सुझाता है। यदि f(a)=g(a)=0f(a) = g(a) = 0, यदि ff और gg, aa पर अवकलनीय हों और यदि g′(a)≠0g'(a) \neq 0, तो अंश और हर को x−ax - a से विभाजित करने पर भागफल अंतर-भागफलों का भागफल बन जाता है, और उपप्रमेय “भागफल की सीमा” देता है:

f(x)g(x)=f(x)−f(a)x−ag(x)−g(a)x−a→f′(a)g′(a)\frac{f(x)}{g(x)} = \frac{\frac{f(x) - f(a)}{x - a}}{\frac{g(x) - g(a)}{x - a}} \to \frac{f'(a)}{g'(a)}

परंतु प्रायः g′(a)g'(a) भी शून्य होता है, या ff और gg, aa पर परिभाषित नहीं होते। लोपिताल नियम aa पर अवकलजों के मानों के स्थान पर aa के निकट उनके भागफल की सीमा रखता है। साधन फ़र्मा, रोल, लाग्रांज और कॉशी के प्रमेय वाले पाठ की कॉशी की माध्यमान प्रमेय है: यदि ff और gg, [a,b]\icc{a}{b} पर संतत हों, जहाँ a<ba < b, और (a,b)\ioo{a}{b} के प्रत्येक बिंदु पर अवकलनीय हों, और यदि g′(x)≠0g'(x) \neq 0 प्रत्येक xx के लिए जो (a,b)\ioo{a}{b} में है, तो g(b)≠g(a)g(b) \neq g(a) और कोई cc विद्यमान है, जो (a,b)\ioo{a}{b} में है, जिसके लिए f(b)−f(a)g(b)−g(a)=f′(c)g′(c)\frac{f(b) - f(a)}{g(b) - g(a)} = \frac{f'(c)}{g'(c)}। लाग्रांज की प्रमेय के दो अनुप्रयोग दो अलग बिंदु देते, परंतु कॉशी की प्रमेय अंश और हर के लिए एक ही बिंदु देती है।

प्रमेयशून्य बटा शून्य रूप के लिए लोपिताल नियम

मान लीजिए a<ba < b, और मान लीजिए ff और gg ऐसे फलन हैं जो (a,b)\ioo{a}{b} के प्रत्येक बिंदु पर अवकलनीय हैं, तथा g′(x)≠0g'(x) \neq 0 प्रत्येक xx के लिए जो (a,b)\ioo{a}{b} में है। मान लीजिए कि f(x)f(x) और g(x)g(x), 00 की ओर अग्रसर होते हैं जब x→a+x \to a^+, और कि

lim⁡x→a+f′(x)g′(x)=L\lim_{x \to a^+} \frac{f'(x)}{g'(x)} = L

जहाँ LL एक वास्तविक संख्या, ∞\infty या −∞-\infty है। तब g(x)≠0g(x) \neq 0 प्रत्येक xx के लिए जो (a,b)\ioo{a}{b} में है, और

lim⁡x→a+f(x)g(x)=L\lim_{x \to a^+} \frac{f(x)}{g(x)} = L

ff और gg को मान 00 से पूरा किया जाता है, aa पर, और कॉशी की प्रमेय [a,x]\icc{a}{x} पर लगाई जाती है: भागफल f(x)g(x)\frac{f(x)}{g(x)} वृद्धियों का भागफल है, जो aa और xx के बीच के किसी बिंदु पर अवकलजों के भागफल के बराबर है। आकृति f(x)=sin⁡xf(x) = \sin x, g(x)=ex−1g(x) = e^x - 1 और a=0a = 0 के साथ बिंदु (g(t),f(t))\left(g(t), f(t)\right) दिखाती है: भागफल f(x)g(x)\frac{f(x)}{g(x)} उस जीवा की प्रवणता है जो मूल बिंदु को xx के संगत बिंदु से जोड़ती है, और cc पर अवकलजों का भागफल समांतर स्पर्श रेखा की प्रवणता है।

प्रमाण

  1. F(a)=G(a)=0,F′(t)=f′(t),G′(t)=g′(t)≠0,a<t<xF(a) = G(a) = 0, \qquad F'(t) = f'(t), \quad G'(t) = g'(t) \neq 0, \qquad a < t < x

    मान लीजिए FF और GG वे फलन हैं जिनका मान क्रमशः ff और gg है ((a,b)\ioo{a}{b} पर) और 00 है (aa पर)। मान लीजिए xx, (a,b)\ioo{a}{b} में है। दोनों [a,x]\icc{a}{x} पर संतत हैं: aa पर, क्योंकि उनकी दाएँ पक्ष की सीमाएँ 00 हैं; शेष बिंदुओं पर, सीमा के रूप में अवकलज वाले पाठ की प्रमेय “अवकलनीयता से सांतत्य” के कारण। (a,x)\ioo{a}{x} के प्रत्येक बिंदु पर वे अवकलनीय हैं, ff और gg के अवकलजों के साथ, अवकलन के नियम वाले पाठ की प्रमेयिका “अवकलज की स्थानीय प्रकृति” के कारण।

  2. f(x)g(x)=F(x)−F(a)G(x)−G(a)=f′(c)g′(c),a<c<x\frac{f(x)}{g(x)} = \frac{F(x) - F(a)}{G(x) - G(a)} = \dato{c}{\frac{f'(c)}{g'(c)}}, \qquad a < c < x

    [a,x]\icc{a}{x} पर कॉशी की माध्यमान प्रमेय से, G(x)≠G(a)G(x) \neq G(a), अर्थात् g(x)≠0g(x) \neq 0, और कोई cc है, aa और xx के बीच, जिसके लिए वृद्धियों का भागफल cc पर अवकलजों का भागफल है।

  3. a<x<a+δ→∣f(x)g(x)−L∣=∣f′(c)g′(c)−L∣<εa < x < a + \delta \rightarrow \abs{\frac{f(x)}{g(x)} - L} = \abs{\frac{f'(c)}{g'(c)} - L} < \resaltar{\varepsilon}

    मान लीजिए LL वास्तविक है और ε>0\varepsilon > 0। एकपक्षीय सीमाओं वाले पाठ की दाएँ पक्ष की सीमा की परिभाषा से, कोई δ>0\delta > 0 है, जिसे b−ab - a से छोटा या उसके बराबर लिया जा सकता है, जिसके लिए ∣f′(t)g′(t)−L∣<ε\abs{\frac{f'(t)}{g'(t)} - L} < \varepsilon यदि a<t<a+δa < t < a + \delta। यदि a<x<a+δa < x < a + \delta, तो ऊपर प्राप्त बिंदु cc, a<c<x<a+δa < c < x < a + \delta को संतुष्ट करता है। यदि L=∞L = \infty, तो चुनौती NN के साथ यही युक्ति f(x)g(x)>N\frac{f(x)}{g(x)} > N देती है; यदि L=−∞L = -\infty, तो f(x)g(x)<N\frac{f(x)}{g(x)} < N देती है।

यह जानना आवश्यक नहीं कि cc, xx पर कैसे निर्भर करता है, न यह कि वह अद्वितीय है: इतना पर्याप्त है कि वह aa और xx के बीच हो। परिकल्पना g′≠0g' \neq 0 पूरे अंतराल (a,b)\ioo{a}{b} पर माँगी जाती है, क्योंकि कॉशी की प्रमेय उसे प्रत्येक [a,x]\icc{a}{x} पर प्रयोग करती है; चूँकि सीमा केवल निकट के मानों पर निर्भर करती है, ऐसा कोई अंतराल (a,b)\ioo{a}{b} ढूँढ़ना पर्याप्त है जहाँ वह सत्य हो, चाहे वह कितना भी छोटा हो। इसके विपरीत, यह पर्याप्त नहीं कि हर का अवकलज केवल ऐसे पृथक बिंदुओं पर शून्य हो जो उस बिंदु पर संचित होते हैं, या जो चर के अनंत की ओर अग्रसर होने पर परिबद्ध नहीं हैं, जैसा हल किया गया प्रश्न 5 दिखाता है। यदि ff और gg किसी बड़े समुच्चय पर परिभाषित हों, तो प्रमेय (a,b)\ioo{a}{b} पर उनके प्रतिबंधों पर लगाई जाती है, जिनकी aa पर वही दाएँ पक्ष की सीमा है।

बाएँ पक्ष में भी यही लागू होता है, अंतराल (b,a)\ioo{b}{a}, b<ab < a, और x→a−x \to a^- के साथ: एकपक्षीय सीमाओं वाले पाठ के साध्य “स्थानांतरण और परावर्तन” से प्रमेय को f(−t)f(-t) और g(−t)g(-t) पर −a-a के निकट दाएँ पक्ष में लगाना पर्याप्त है; शृंखला नियम दोनों अवकलजों का चिह्न बदल देता है और उनके भागफल को नहीं बदलता। यदि परिकल्पनाएँ aa के दोनों पक्षों में सत्य हों, (a−r,a)\ioo{a - r}{a} पर और (a,a+r)\ioo{a}{a + r} पर, तो उसी पाठ की प्रमेय “सीमा और एकपक्षीय सीमाएँ” x→ax \to a होने पर सीमा देती है (यदि LL अनंत हो, तो दोनों त्रिज्याओं में से छोटी के साथ वही युक्ति)। फलन aa पर परिभाषित हो सकता है या नहीं; वहाँ उसका मान कोई भूमिका नहीं निभाता।

उदाहरणलगातार तीन अनुप्रयोग

lim⁡x→0x−sin⁡xx3\lim_{x \to 0} \frac{x - \sin x}{x^3} पर विचार करें। अंश और हर 00 की ओर अग्रसर होते हैं, और हर का अवकलज, 3x23x^2, 00 के बाहर शून्य नहीं होता। अवकलजों का भागफल 1−cos⁡x3x2\frac{1 - \cos x}{3x^2} है, फिर से 00\frac{0}{0} रूप का, जिसके हर का अवकलज 6x6x है, जो भी 00 के बाहर शून्य नहीं होता; और नया भागफल, sin⁡x6x\frac{\sin x}{6x}, आधारभूत त्रिकोणमितीय सीमा से 16\frac{1}{6} की ओर अग्रसर होता है:

lim⁡x→0x−sin⁡xx3=lim⁡x→01−cos⁡x3x2=lim⁡x→0sin⁡x6x=16\lim_{x \to 0} \frac{x - \sin x}{x^3} = \lim_{x \to 0} \frac{1 - \cos x}{3x^2} = \lim_{x \to 0} \frac{\sin x}{6x} = \frac{1}{6}

समताओं की यह श्रेणी दाएँ से बाएँ पढ़ी जाती है: अंतिम सीमा विद्यमान है, और नियम, दो बार लगाया जाकर, उसका मान पीछे की ओर पहुँचाता है। दूसरी सीमा के विद्यमान होने को जानने से पहले पहला समता-चिह्न लिखना गणना को दर्ज करने का एक तरीका भर है, जो गणना पूरी होने पर उचित ठहरता है। दूसरी सीमा तुल्यों की सारणी से भी निकलती है, 1−cos⁡x∼x221 - \cos x \sim \frac{x^2}{2} के साथ; पहली नहीं।