सारांश
यह पाठ सीमाओं और सांतत्य वाली इकाई को आरंभ करता है। यह इकाई का मार्ग प्रस्तुत करता है, जो एप्सिलॉन और डेल्टा द्वारा सीमा की परिभाषा से आरंभ होकर, ऐसे पाठों के माध्यम से जो पहले की उपपत्तियों को दोहराने के बजाय उनका पुनः उपयोग करते हैं, प्रारंभिक फलनों के सांतत्य और अनंतसूक्ष्मों की तुलना तक पहुँचता है; यह सीमा की अवधारणा के इतिहास का पुनर्निर्माण करता है, ज़ेनो के विरोधाभासों और निःशेषण विधि से लेकर वायरस्ट्रास की परिभाषा तक, न्यूटन और लाइबनिज़ की अतिसूक्ष्म राशियों तथा बर्कली की आलोचना से होते हुए; यह उस समस्या को सूत्रबद्ध करता है जिससे अवधारणा का जन्म हुआ, अर्थात् ऐसे भागफल को अर्थ देना जो बन जाता है, और जाँचता है कि न तो निकट आने का विचार और न ही मानों की सारणी किसी सीमा का निर्णय करने के लिए पर्याप्त क्यों है। अंत में यह बताता है कि सीमाएँ और सांतत्य पाठ्यक्रम के शेष भाग में, साइट के अन्य पाठ्यक्रमों में और विज्ञान तथा प्रौद्योगिकी में कहाँ प्रयुक्त होते हैं।
अधिगम उद्देश्य
- इकाई के मार्ग का वर्णन करना और यह समझाना कि प्रत्येक पाठ क्या सिद्ध करता है और पहले के किन परिणामों का उपयोग करता है।
- यह समझाना कि तात्क्षणिक वेग, स्पर्श रेखा और क्षेत्रफल को सीमा की अवधारणा की आवश्यकता क्यों है, और निकट आने का अंतर्ज्ञानात्मक विचार तथा मानों की सारणियाँ उसे परिभाषित करने या उसकी गणना करने के लिए पर्याप्त क्यों नहीं हैं।
- सीमा की अवधारणा के चरणों को, निःशेषण विधि से लेकर एप्सिलॉन और डेल्टा द्वारा परिभाषा तक, उनके ऐतिहासिक संदर्भ में रखना, और उस समस्या या आलोचना की पहचान करना जिसने प्रत्येक चरण को प्रेरित किया।
- यह बताना कि सीमाएँ और सांतत्य पाठ्यक्रम के शेष भाग में, अन्य पाठ्यक्रमों में और वैज्ञानिक तथा तकनीकी अनुप्रयोगों में कहाँ आते हैं।
प्रवेश मूल्यांकन
इकाई शुरू करने से पहले आरंभ-बिंदु को माप लेना उपयोगी है। इस स्व-मूल्यांकन पर अंक नहीं दिए जाते: यह जानने के लिए है कि कहाँ रुकना उचित है। पहले दस प्रश्न क्रम से इकाई के दस विषय-वस्तु वाले पाठों को छूते हैं, प्रत्येक पाठ पर एक, और याद रखे जाने वाले किसी कथन को नहीं, बल्कि गणना या विचार करने के किसी कौशल को मापते हैं; यही कौशल अंत में, सारांश वाले पाठ में, दूसरे आँकड़ों के साथ फिर से मापे जाते हैं। अंतिम छह प्रश्न उसकी जाँच करते हैं जिसे यह इकाई बीजगणित और ज्यामिति I और II से ज्ञात मानती है: निरपेक्ष मान, सुप्रीमम, फलनों का संघटन, चिह्न सारणियाँ, ज्या, चाप और स्पर्शज्या के बीच की असमिका, और चरघातांकी की आधारभूत असमिका।
इकाई शुरू करने से पहले अपना आरंभ बिंदु मापें। यह एक छोटा स्व-मूल्यांकन है: इस पर अंक नहीं दिए जाते और इसका परिणाम केवल आपके ब्राउज़र में रहता है।
प्रश्न 1यह सिद्ध करने के लिए कि , चुनौती प्राप्त होती है। वह सबसे बड़ा कौन-सा है जो इस चुनौती का प्रत्युत्तर देता है?
प्रत्युत्तर चुनौती वाली संख्या से ही दिया गया है, परंतु फलन दूरियों को से गुणा कर देता है: के लिए, जो को संतुष्ट करता है, सीमा से दूरी है, जो से अधिक है।चुनौती को से भाग देने के बजाय उससे गुणा किया गया है। बड़ा प्रत्युत्तर अधिक बिंदुओं को स्वीकार करता है, और उनमें से कुछ पट्टी से बाहर निकल जाते हैं: के लिए सीमा से दूरी है।ऋणात्मक प्रवणता प्रत्युत्तर का चिह्न नहीं बदलती: निरपेक्ष मान को में बदल देता है, और परिभाषा की माँग करती है।सीमा से दूरी है, जो से ठीक तब कम होती है जब । प्रत्येक धनात्मक जो से कम है, वह भी प्रत्युत्तर देता है, और कोई बड़ा नहीं: , जिसके लिए , पट्टी से बाहर रह जाता है।दोहराएँ: एक वास्तविक चर के फलनों की सीमा
प्रश्न 2 ज्ञात कीजिए।
न तो कोई मान है और न ही कोई निष्कर्ष: यह केवल बताता है कि भागफल नियम लागू नहीं होता, क्योंकि हर की सीमा शून्य है। सीमा विद्यमान हो सकती है, और यहाँ विद्यमान है।का मान पर ज्ञात करते समय संयुग्मी का दूसरा पद छूट गया है: हर के बराबर है, के नहीं।अंश का की ओर अग्रसर होना पर्याप्त नहीं है: हर भी की ओर अग्रसर होता है, और शून्य की ओर अग्रसर दो फलनों का भागफल किसी भी संख्या की ओर अग्रसर हो सकता है।के लिए अंश और हर को संयुग्मी व्यंजक से गुणा किया जाता है; अंश बन जाता है, जो निरस्त हो जाता है, और शेष रहता है। मूल, योग और व्युत्क्रम के नियमों से इसकी सीमा है।दोहराएँ: सीमाओं का बीजगणित
प्रश्न 3 ज्ञात कीजिए।
को वैसे ही लिया गया है जैसे में, जो की ओर अग्रसर होता है। यहाँ हर है, इसलिए गुणक है, नहीं।गुणक छूट गया है: के निकट , के समान होता है, के नहीं।चर बदले बिना की सीमा लागू की गई है: कोज्या के भीतर का व्यंजक है, नहीं।चर परिवर्तन से, जो होने पर शून्य नहीं होता, भागफल है; सीमा और गुणनफल नियम मिलकर देते हैं।प्रश्न 4 के बारे में क्या कहा जा सकता है?
निरपेक्ष मान हटा दिया गया है, जो केवल के दाईं ओर सही है। बाईं ओर , और भागफल का चिह्न बदल जाता है।सीमा की परिभाषा बिंदु पर के मान की जाँच नहीं करती, और किसी बिंदु पर अपरिभाषित अनेक फलनों की उस बिंदु पर सीमा होती है। यह सीमा किसी और कारण से विद्यमान नहीं है: एकपक्षीय सीमाएँ अलग-अलग हैं।हर भी की ओर अग्रसर होता है: भागफल रूप का है, जो अपने आप कुछ तय नहीं करता।के लिए भागफल का मान है, जो की ओर अग्रसर होता है; के लिए, के निकट, इसका मान है, जो की ओर अग्रसर होता है। चूँकि एकपक्षीय सीमाएँ अलग-अलग हैं, सीमा विद्यमान नहीं है।दोहराएँ: एकपक्षीय सीमाएँ
प्रश्न 5 ज्ञात कीजिए।
लिखा गया है, जो के लिए असत्य है: का वर्गमूल है। अंश धनात्मक है और हर ऋणात्मक, इसलिए भागफल ऋणात्मक है।को मूल से बाहर निकाला गया है, पर उसका मूल लिए बिना: , न कि ।मूल घात को बदल देता है: , की तरह बढ़ता है, जिसकी घात है, हर के समान।के लिए ; अंश और हर को से भाग देने पर प्राप्त होता है, जो की ओर अग्रसर होता है।प्रश्न 6 ज्ञात कीजिए।
हर को धनात्मक मान लिया गया है। के बाईं ओर, और उसके निकट, , और के निकट की किसी संख्या को निरपेक्ष मान में लगातार छोटी होती ऋणात्मक संख्याओं से भाग देने पर परिणाम ऋणात्मक होता है और नीचे से परिबद्ध नहीं होता।केवल बाएँ पक्ष की सीमा पूछी गई है, जो है। जो न है न , वह पक्ष के प्रतिबंध के बिना सीमा है, क्योंकि दाईं ओर से भागफल की ओर अग्रसर होता है।अंश की ओर अग्रसर होता है, और हर ऋणात्मक मानों के साथ की ओर, क्योंकि जब । चिह्न बदले हुए हर पर लागू किया गया अनंत सीमाओं वाला भागफल नियम देता है।दोहराएँ: अनंत सीमाएँ
प्रश्न 7 के आलेख की पर अनंतस्पर्शी क्या है?
प्रवणता सही है, पर यह मान लिया गया है कि , की ओर अग्रसर होता है, मानो रूप का मान हो। यह अंतर की ओर अग्रसर होता है।मूलबिंदु पर कोटि की गणना करते समय हर को के समान माना गया है; यह के समान है, और भागफल की ओर अग्रसर होता है।सीमाओं द्वारा परिभाषा किसी भी ऐसे फलन के लिए मान्य है जो ऊपर से अपरिबद्ध समुच्चय पर परिभाषित हो; बहुपदों का विभाजन केवल परिमेय फलनों के लिए एक विधि है।प्रवणता है। मूलबिंदु पर कोटि, संयुग्मी से गुणा और भाग करने के बाद, है।प्रश्न 8फलन , पर और पर परिभाषित नहीं है। इन बिंदुओं पर इसके असांतत्यों का वर्गीकरण कैसे होता है?
हर का शून्य होना अनंतस्पर्शी के लिए पर्याप्त नहीं है: पर अंश भी शून्य होता है, गुणनखंड निरस्त हो जाता है, और सीमा विद्यमान है।कूद असांतत्य के लिए आवश्यक है कि दोनों एकपक्षीय सीमाएँ संख्याओं के रूप में विद्यमान हों। पर वे और हैं, और असांतत्य अनिवार्य है।पर फलन की कोई सीमा नहीं है, इसलिए का कोई भी मान उसे संतत नहीं बनाता: के निकट इसके मान परिबद्ध नहीं हैं।के लिए । पर सीमा विद्यमान है और के बराबर है, इसलिए परिभाषित करना पर्याप्त है। पर अंश की ओर और हर की ओर अग्रसर होता है, और एकपक्षीय सीमाएँ दाईं ओर से और बाईं ओर से हैं, जो वास्तविक संख्याएँ नहीं हैं।दोहराएँ: सीमा और सांतत्य
प्रश्न 9 ज्ञात कीजिए।
का मान नहीं है: यह एक अनिर्धार्य रूप है। आधार के निकट आता है जबकि घातांक निरपेक्ष मान में बढ़ता है, और परिणाम इस पर निर्भर करता है कि दोनों एक-दूसरे को कैसे संतुलित करते हैं।आधार का केवल प्रयुक्त हुआ है: सीमा का निर्णय गुणनफल करता है।से बड़ी संख्या को बढ़ते घातांक तक उठाने पर, यदि आधार की ओर अग्रसर हो, तो परिणाम आवश्यक रूप से अनंत की ओर अग्रसर नहीं होता। इसके अतिरिक्त, के लिए आधार से छोटा है और घातांक की ओर अग्रसर होता है।यह रूप है: आधार की ओर अग्रसर होता है, और आधार में से एक घटाकर उससे गुणा किया गया घातांक के बराबर है, और यह प्रत्येक के लिए सत्य है। इस रूप की प्रमेय से सीमा है।प्रश्न 10 ज्ञात कीजिए।
प्रत्येक गुणनखंड को उसके गुणांकों के बिना या से बदल दिया गया है: , के तुल्य है, के नहीं, और , के तुल्य है।संघटन की प्रमेय से, सारणी किसी भी ऐसे फलन के साथ मान्य है जो की ओर अग्रसर हो और के स्थान पर रखा जाए: चूँकि जब , इसलिए ।अंश का दो अनंतसूक्ष्मों का गुणनफल होना उसे नगण्य नहीं बनाता: हर भी कोटि का है, और भागफल शून्य से अलग किसी संख्या की ओर अग्रसर होता है।तुल्यों की सारणी और संघटन से, , और । प्रतिस्थापन प्रमेय से, सीमा की सीमा है।दोहराएँ: तुल्य अनंतसूक्ष्म और अनंतबृहत् फलन
प्रश्न 11पिछली इकाइयों सेउन वास्तविक का समुच्चय क्या है जो को संतुष्ट करते हैं?
पहली असमिका भुला दी गई है: का अर्थ है, इसलिए केंद्र समुच्चय में नहीं है।को की से दूरी पढ़ा गया है; यह से दूरी है।यह उन का समुच्चय है जिनके लिए : असमिका उलट दी गई है।शर्त , केंद्र और त्रिज्या वाला विवृत अंतराल देती है, और शर्त उसके केंद्र को बाहर कर देती है। यही वह छिद्रित सामीप्य है जो सीमा की परिभाषा में आता है।प्रश्न 12पिछली इकाइयों सेसमुच्चय का सुप्रीमम क्या है?
सुप्रीमम को अधिकतम समझ लिया गया है। समुच्चय का कोई अधिकतम नहीं है, पर वह ऊपर से परिबद्ध है, और पूर्णता के कारण उसका सुप्रीमम है।अनंत समुच्चय परिबद्ध हो सकता है: ये सभी अवयव से छोटे हैं।वे संख्याएँ उपरि परिबंध हैं; सुप्रीमम उनमें सबसे छोटा है, और अद्वितीय है।प्रत्येक अवयव से छोटा है, इसलिए एक उपरि परिबंध है; और से छोटी कोई भी संख्या उपरि परिबंध नहीं है, क्योंकि अंतर किसी भी धनात्मक संख्या से छोटा हो जाता है। सुप्रीमम न्यूनतम उपरि परिबंध है और उसका समुच्चय में होना आवश्यक नहीं।दोहराएँ: संख्या समुच्चय: प्राकृत संख्याओं से सम्मिश्र संख्याओं तक
प्रश्न 13पिछली इकाइयों सेयदि और , तो का प्रांत क्या है?
द्विघात बहुपद का चिह्न उलट दिया गया है: अपने मूलों के बीच ऋणात्मक है और उनके बाहर धनात्मक।यह का प्रांत है, संघटन का नहीं: में मूल पर लागू होता है, पर नहीं।यह का प्रांत है; यह शर्त छूट गई है कि ऋणात्मक न हो।संघटन का प्रांत उन से बना है जो के प्रांत में हैं और जिनका मान , के प्रांत में है, अर्थात् उनसे जो को संतुष्ट करते हैं।दोहराएँ: फलनों पर संक्रियाएँ, प्रतिलोम फलन और आलेखों के रूपांतरण
प्रश्न 14पिछली इकाइयों से के हलों का समुच्चय क्या है?
केवल हल किया गया है, मानो हर धनात्मक हो; परंतु , पर ऋणात्मक है और वहाँ भागफल का चिह्न बदल देता है।यह वह समुच्चय है जहाँ भागफल ऋणात्मक है: सारणी के चिह्न उलट दिए गए हैं।पर भागफल का मान है, जो से बड़ा नहीं है: दृढ़ असमिका अंश के शून्यकों को बाहर कर देती है।क्रांतिक बिंदु , और हैं। , और की चिह्न सारणी भागफल को पर ऋणात्मक, पर धनात्मक, पर ऋणात्मक और पर धनात्मक चिह्न देती है।दोहराएँ: चिह्न-सारणियाँ और असमिकाएँ
प्रश्न 15पिछली इकाइयों सेयदि , और रेडियन में मापा गया है, तो असमिकाओं का कौन-सा क्रम सत्य है?
ज्या चाप के किसी बिंदु की कोटि है, और चाप की लंबाई से अधिक नहीं होती: उदाहरण के लिए, ।स्पर्शज्या चाप से अधिक होती है: उदाहरण के लिए, ।के लिए कोज्या और के बीच होती है, इसलिए , से बड़ा है, छोटा नहीं।मात्रक वृत्त में, कोण वाला त्रिज्यखंड क्षेत्रफल वाले एक त्रिभुज को समाहित करता है और क्षेत्रफल वाले दूसरे त्रिभुज में समाहित है; इसका अपना क्षेत्रफल है।प्रश्न 16पिछली इकाइयों सेआधारभूत असमिका प्रत्येक वास्तविक के लिए सत्य है। इनमें से कौन-सा कथन इससे निष्कर्षित होता है?
प्रतिस्थापन करते समय असमिका उलट दी गई है: के साथ यह कहती , परंतु ।को से बदलते समय यह दोनों पक्षों में करना होता है, और प्राप्त होता है। के साथ प्रस्तावित कथन कहता ।आधारभूत असमिका प्रत्येक वास्तविक संख्या के लिए सत्य है, ऋणात्मक संख्याओं के लिए भी: के साथ, , से बड़ा है।लेने पर असमिका कहती है ।दोहराएँ: संख्या e और प्राकृतिक चरघातांकी फलन
इकाई की विषय-वस्तु
बीजगणित और ज्यामिति I में, परिमेय फलनों वाले पाठ ने ऊर्ध्वाधर अनंतस्पर्शियों और अनंत पर अनंतस्पर्शियों, उन फलनों के सांतत्य और मध्यवर्ती मान प्रमेय का उपयोग स्वीकृत तथ्यों के रूप में, बिना उपपत्ति के, किया, क्योंकि उनके लिए सीमा की ऐसी परिभाषा चाहिए थी जो तब तक उपलब्ध नहीं थी; और बीजगणित और ज्यामिति II ने इसी प्रकार त्रिकोणमितीय फलनों और उनके प्रतिलोमों का सांतत्य स्वीकार किया। यह इकाई वह परिभाषा देती है और स्वीकृत तथ्यों को एक-एक करके सिद्ध करती है, मध्यवर्ती मान प्रमेय को छोड़कर, जो आगामी इकाई में सिद्ध की जाएगी। उपपत्तियाँ इस तरह क्रमबद्ध हैं कि उनका पुनः उपयोग हो सके: कुछ ही एप्सिलॉन और डेल्टा द्वारा की जाती हैं, और शेष युक्ति दोहराने के बजाय पहले के परिणामों का हवाला देती हैं। पाठ इस क्रम में आते हैं:
- फलन की सीमा वाला पाठ निकट आने के विचार को एप्सिलॉन और डेल्टा द्वारा परिभाषा में बदलता है, संचय बिंदुओं द्वारा स्पष्ट करता है कि उसका अर्थ कहाँ है, परिभाषा और उसके निषेध को परिमाणकों वाले कथनों के रूप में लिखता है, और सिद्ध करता है कि सीमा अद्वितीय है, कि वह केवल निकट के मानों पर निर्भर करती है, और कि वह फलन को बिंदु के निकट परिबद्ध रहने और अपना चिह्न बनाए रखने के लिए बाध्य करती है।
- सीमाओं का बीजगणित वाला पाठ गणना के नियमों को एप्सिलॉन और डेल्टा द्वारा सिद्ध तीन प्रमेयिकाओं तक सीमित करता है, जिनमें मुख्य परिबंध कसौटी है, और उनसे, एक ऐसी प्रमेयिका की सहायता से जिसके अनुसार प्रांत को प्रतिबंधित करने से सीमा नहीं खोती, योग, गुणनफल, व्युत्क्रम और भागफल की सीमाएँ, बहुपदों, परिमेय फलनों, मूलों और परिमेय घातांक वाली घातों की सीमाएँ, और संघटन की सीमा की प्रमेय निकालता है, जो चर परिवर्तन का औचित्य देती है।
- सैंडविच प्रमेय वाला पाठ परिबंध कसौटी द्वारा सिद्ध करता है कि सीमाएँ अदृढ़ असमिकाओं को बनाए रखती हैं, फिर स्वयं प्रमेय, और एक परिबद्ध फलन तथा शून्य की ओर अग्रसर एक अन्य फलन के गुणनफल की सीमा; इनसे वह ज्या और कोज्या की सीमाएँ तथा आधारभूत त्रिकोणमितीय सीमा प्राप्त करता है, जिससे शेष त्रिकोणमितीय सीमाएँ निकलती हैं।
- एकपक्षीय सीमाएँ वाला पाठ उन्हें एक प्रतिबंध की सीमाओं के रूप में परिभाषित करता है, जिससे वे पहले की सभी प्रमेयों को विरासत में पाती हैं; पाठ सिद्ध करता है कि सीमा तभी और केवल तभी विद्यमान है जब दोनों एकपक्षीय सीमाएँ विद्यमान हों और बराबर हों, और कि एकदिष्ट और परिबद्ध फलन की एकपक्षीय सीमा उसके मानों के सुप्रीमम या इन्फिमम के बराबर होती है; यह पहली प्रमेय है जो किसी सीमा का मान जाने बिना उसके अस्तित्व की गारंटी देती है।
- चर के अनंत की ओर अग्रसर होने पर सीमाएँ वाला पाठ उस सीमा को परिभाषित करता है जब चर असीम रूप से बढ़ता है, और प्रतिलोमन प्रमेयिका द्वारा सिद्ध करता है कि यह पर एक एकपक्षीय सीमा के तुल्य है, जिससे पहले की सभी प्रमेयें अनंत पर भी लागू होती हैं; उनसे वह घातों और परिमेय फलनों की सीमाएँ ज्ञात करता है।
- अनंत सीमाएँ वाला पाठ व्युत्क्रम प्रमेयिका द्वारा उन्हें शून्य के बराबर सीमाओं में बदल देता है; इससे और तुलना से योग, गुणनफल और भागफल के नियम निकलते हैं, और पाठ दिखाता है कि अनिर्धार्य रूप कोई भी परिणाम दे सकते हैं, तथा अपरिबद्ध एकदिष्ट फलनों की प्रमेय और अनंत सीमाओं के साथ संघटन की प्रमेय सिद्ध करता है।
- अनंतस्पर्शी रेखाएँ वाला पाठ उन्हें एकपक्षीय सीमाओं, अनंत पर सीमाओं और अनंत सीमाओं द्वारा परिभाषित करता है; पाठ तिर्यक अनंतस्पर्शी की प्रवणता और मूलबिंदु पर कोटि के सूत्र, प्रत्येक छोर पर अनूर्ध्वाधर अनंतस्पर्शी की अद्वितीयता, और बीजगणित और ज्यामिति में परिमेय फलनों के बारे में स्वीकृत तथ्य सिद्ध करता है, और अवकलजों के बिना फलनों का आलेख बनाने की एक विधि प्रस्तावित करता है।
- सांतत्य वाला पाठ उसे सदा की चुनौती और प्रत्युत्तर द्वारा, बिंदु को बाहर किए बिना, परिभाषित करता है; पाठ सिद्ध करता है कि संचय बिंदु पर यह इसके तुल्य है कि सीमा विद्यमान हो और मान के बराबर हो, असांतत्यों को हटाने योग्य, कूद और अनिवार्य में वर्गीकृत करता है, सीमाओं के बीजगणित से संक्रियाओं का सांतत्य विरासत में पाता है, और सिद्ध करता है कि संतत फलनों का संघटन संतत है, जिससे सीमा संतत फलन के भीतर जाती है।
- प्रारंभिक फलनों वाला पाठ एक ही युक्ति से दिखाता है कि वे संतत हैं: एक एकदिष्ट फलन जिसकी छवि एक अंतराल है, कूद नहीं सकता; इस सांतत्य और चरघातांकी की आधारभूत असमिका से, पाठ चरघातांकी और लघुगणक की महत्वपूर्ण सीमाएँ सिद्ध करता है, संख्या को सीमा के रूप में प्राप्त करता है, रूप को हल करता है और अनंत पर चरघातांकी, घातों और लघुगणक की तुलना करता है।
- तुल्य अनंतसूक्ष्म और अनंतबृहत् फलन वाला पाठ उनकी तुलना छोटे , बड़े , समान कोटि और तुल्यता द्वारा करता है; पाठ सिद्ध करता है कि गुणनफल या भागफल में प्रत्येक गुणनखंड को उसके तुल्य किसी अन्य से बदला जा सकता है, पर योग में नहीं, सिवाय तब जब योग के पदों के तुल्यों का चिह्न समान हो, और पहले के पाठों की सीमाओं को शून्य पर तुल्यों की एक सारणी में एकत्र करता है।
इकाई सारांश और चुनौतियों वाले पाठ के साथ समाप्त होती है, जो प्राप्त उपलब्धियों को एक निगमनात्मक शृंखला में जोड़ता है, अपने समापन मूल्यांकन में प्रवेश मूल्यांकन के कौशलों को दोहराता है, और अधिक कठिनाई वाले दस प्रश्न प्रस्तुत करता है।
ऐतिहासिक पृष्ठभूमि
इकाई का तार्किक क्रम भी ऐतिहासिक क्रम से मेल नहीं खाता। एक शताब्दी से अधिक समय तक कलन का सफलतापूर्वक उपयोग सीमा की परिभाषा के बिना हुआ; सांतत्य को सीमा के वर्तमान रूप से पहले कठोरता से परिभाषित किया गया, और एप्सिलॉन और डेल्टा द्वारा परिभाषा इस प्रक्रिया के अंत में आई, जब कलन उन समस्याओं को पहले ही हल कर चुका था जिनके लिए उसका जन्म हुआ था। इस इतिहास से गुज़रना उचित है, क्योंकि जिन आपत्तियों पर उसे विजय पानी पड़ी, वे वही हैं जो विद्यार्थियों द्वारा प्रायः उठाई जाती हैं।
यूनानियों का अनंत
एलिया के ज़ेनो ने, जो लगभग 490 और 425 ईसा पूर्व के बीच हुए, गति की संभावना के विरुद्ध युक्तियाँ प्रस्तुत कीं, जो मुख्यतः अरस्तू की भौतिकी से ज्ञात हैं। द्विभाजन की युक्ति कहती है कि किसी मार्ग को तय करने के लिए पहले उसके मध्य तक पहुँचना होगा, उससे पहले आधे के आधे तक, और इसी प्रकार बिना अंत के, जिससे गति आरंभ ही नहीं हो सकती। यह विरोधाभास, उसे हल किए बिना, यह प्रश्न उठाता है कि क्या अनंत परिमाणों का योग एक परिमित परिमाण हो सकता है, जैसे ।
यूनानी गणितज्ञों ने निःशेषण विधि द्वारा इस प्रश्न को टाल दिया, जिसे लगभग 370 ईसा पूर्व में कनिडस के यूडोक्सस ने कठोर रूप दिया: यह सिद्ध करने के लिए कि कोई क्षेत्रफल एक निश्चित राशि के बराबर है, आकृति में ऐसे बहुभुज अंतर्निहित किए जाते हैं जिनका उससे अंतर किसी भी दी गई राशि से छोटा किया जा सके, और विरोधोक्ति द्वारा सिद्ध किया जाता है कि क्षेत्रफल उस राशि से न अधिक हो सकता है न कम। लगभग 225 ईसा पूर्व में आर्किमिडीज़ ने इसी प्रकार सिद्ध किया कि परवलयिक क्षेत्र का क्षेत्रफल समान आधार और समान शीर्ष वाले अंतर्निहित त्रिभुज के क्षेत्रफल का है, प्रत्येक चरण में जोड़े जाने वाले त्रिभुजों को जोड़कर, जिनके क्षेत्रफल श्रेणी बनाते हैं। युक्ति का ढाँचा, अर्थात् एक ऐसी राशि जिसे किसी भी दी गई राशि से छोटा किया जा सके, पहले से ही चुनौती और प्रत्युत्तर का ढाँचा है।
न्यूटन और लाइबनिज़ की अतिसूक्ष्म राशियाँ
सत्रहवीं शताब्दी में स्पर्श रेखाओं की समस्या और क्षेत्रफलों की समस्या को एक व्यापक विधि मिली। आइज़क न्यूटन ने अक्टूबर 1666 में फ़्लक्शनों पर एक प्रबंध लिखा, जिसे उन्होंने प्रकाशित नहीं किया, और 1671 में अपनी फ़्लक्शन और अनंत श्रेणियों की विधि, जो केवल 1736 में प्रकाशित हुई। गॉटफ्रीड विल्हेल्म लाइबनिज़ ने 29 अक्टूबर 1675 की एक पांडुलिपि में समाकल का चिह्न प्रस्तुत किया, और 21 नवंबर को पहली बार चिह्न और अवकल के साथ एक समाकल लिखा; उन्होंने अपना अवकल कलन 1684 में लाइपज़िग की पत्रिका Acta Eruditorum में Nova methodus pro maximis et minimis शीर्षक से प्रकाशित किया, और अपना समाकलन कलन उसी पत्रिका में 1686 में। दोनों ऐसी वृद्धियों के साथ गणना करते थे जिन्हें उनसे भाग दे सकने के लिए शून्य से अलग माना जाता था और अंत में उन्हें छोड़ देने के लिए शून्य।
1734 में जॉर्ज बर्कली ने विश्लेषक प्रकाशित की, जो न्यूटन के कलन की नींव की आलोचना थी। उन्होंने कहा कि लुप्त होती वृद्धियाँ न परिमित राशियाँ थीं, न अनंततः छोटी राशियाँ, न ही “कुछ नहीं”, कि कलन विचार के बीच में ही परिकल्पना बदल देता था, और पूछा कि क्या उन्हें दिवंगत राशियों के प्रेत नहीं कहा जा सकता। परिणाम सही थे; बर्कली ने यह दिखाया कि उन्हें उचित ठहराने वाली विचार-प्रक्रिया सही नहीं थी। आगे का उदाहरण उस गणना को दोहराता है जिसकी वे आलोचना करते थे और दिखाता है कि सीमा की परिभाषा उसका समाधान कैसे करती है।
परवलय के बिंदु पर स्पर्श रेखा की प्रवणता पर विचार करें। आकृति उन छेदक रेखाओं को दिखाती है जो इस बिंदु को परवलय के किसी अन्य, लगातार निकट आते बिंदु से जोड़ती हैं, और फिर वृद्धि के फलन के रूप में भागफल को, उस छेद के साथ जो वह पर छोड़ता है।
प्रमाण
को भुज वाले बिंदु से जोड़ने वाली छेदक रेखा की, जहाँ , प्रवणता अंतर-भागफल है।
के लिए अंश का मान है, और गुणनखंड निरस्त हो जाता है। को छोटा करने पर छेदक रेखाएँ कम से कम झुकती जाती हैं।
यहीं बर्कली की आपत्ति है: यदि , तो भागफल है और इसे सरल नहीं किया जा सकता; यदि , तो परिणाम नहीं है। अतिसूक्ष्म राशियों का कलन भाग देने के लिए का उपयोग करता था, और का उपयोग योग के पद को छोड़ने के लिए।
सीमा की परिभाषा आपत्ति को दूर करती है: वह की जाँच नहीं करती और न यह माँगती है कि का मान हो, बल्कि यह कि वह के जितना चाहें उतना निकट हो। चुनौती का प्रत्युत्तर से दिया जाता है।
अतः सीमा है, जो स्पर्श रेखा की प्रवणता है, और किसी राशि को एक साथ शून्य और अशून्य होने की आवश्यकता नहीं है। प्रवणता वाली और से होकर जाने वाली रेखा स्पर्श रेखा है।
आधार के रूप में सीमा
उदाहरण ने जो रास्ता दिखाया, वह एक शताब्दी में धीरे-धीरे खुला। ज्याँ ल रों दालाँबेर ने विश्वकोश के चौथे भाग में 1754 में लिखे गए लेख “अवकल” में प्रस्ताव किया कि कलन को सीमाओं के सिद्धांत पर आधारित किया जाए, और अवकलज को वृद्धियों के अनुपात की सीमा के रूप में परिभाषित किया। 1817 में बर्नार्ड बोलत्सानो ने मध्यवर्ती मान प्रमेय की एक शुद्ध रूप से वैश्लेषिक उपपत्ति प्रकाशित की, कलन को अतिसूक्ष्म राशि की अवधारणा से मुक्त करने के घोषित उद्देश्य के साथ, और उसमें सांतत्य की एक ऐसी अवधारणा का उपयोग किया जो वर्तमान अवधारणा के बहुत निकट है; उनका कार्य उनके जीवनकाल में कम ज्ञात रहा। 1821 में ऑगस्टिन-लुई कॉशी ने पेरिस पॉलिटेक्निक स्कूल के विद्यार्थियों के लिए लिखा अपना विश्लेषण पाठ्यक्रम प्रकाशित किया, जिसने सीमाओं को कलन के आधार में रखा और संतत फलन को ऐसे फलन के रूप में परिभाषित किया जिसमें चर की अनंततः छोटी वृद्धि फलन की अनंततः छोटी वृद्धि उत्पन्न करती है।
उसी समय फलन की अवधारणा बदल रही थी। 1748 में ऑयलर के लिए फलन एक वैश्लेषिक व्यंजक था; पेटर गुस्ताफ़ लेज्यून डिरिक्ले ने 1837 में एक कहीं अधिक व्यापक अवधारणा स्वीकार की, जिसमें मान किसी भी प्रकार एक-दूसरे के बाद आ सकते हैं, और उन्हीं की देन उस फलन का उदाहरण है जो परिमेय संख्याओं पर और अपरिमेय संख्याओं पर के बराबर है और सभी बिंदुओं पर असंतत है। इतने व्यापक फलनों के साथ ज्यामितीय अंतर्ज्ञान विश्वसनीय मार्गदर्शक नहीं रहा, और परिभाषाओं को केवल संख्याओं और असमिकाओं की बात करनी थी।
वायरस्ट्रास की परिभाषा
कार्ल वायरस्ट्रास ने, जो 1856 से बर्लिन विश्वविद्यालय में प्रोफ़ेसर थे, 1859 और 1860 के विश्लेषण के अपने परिचयात्मक पाठ्यक्रम में पहली बार विश्लेषण की नींव पर काम किया। उनके व्याख्यानों में, जो मुख्यतः उनके विद्यार्थियों के नोट्स से ज्ञात हैं, सीमा और सांतत्य की परिभाषा एप्सिलॉन और डेल्टा द्वारा लिखी गई, उसी रूप में जिसका यह पाठ्यक्रम उपयोग करता है: बिना गति के, बिना अतिसूक्ष्म राशियों के, वास्तविक संख्याओं के बारे में परिमाणकों वाले कथन के रूप में। 1872 में, उसी वर्ष जब रिचर्ड डेडेकिंड और गेओर्ग कैंटर ने वास्तविक संख्याओं की अपनी रचनाएँ प्रकाशित कीं, जो पूर्णता को सिद्ध करती हैं, वायरस्ट्रास ने बर्लिन विज्ञान अकादमी के समक्ष एक ऐसा संतत फलन प्रस्तुत किया जिसका किसी भी बिंदु पर अवकलज नहीं है, इस बात का प्रमाण कि संतत वक्र का अंतर्ज्ञान उसके बारे में विचार करने के लिए पर्याप्त नहीं है।
इकाई का अंतिम पाठ जिस संकेतन से फलनों की तुलना करता है, वह बाद का है। पाउल बाख़मान ने 1894 में, अपने संख्या सिद्धांत के ग्रंथ के दूसरे भाग Die analytische Zahlentheorie में, प्रतीक प्रस्तुत किया, और एडमंड लांडाउ ने, जिन्होंने उसे अपनाया, 1909 में अभाज्य संख्याओं के वितरण पर अपने ग्रंथ में प्रतीक प्रस्तुत किया।
वह समस्या जिससे अवधारणा का जन्म हुआ
तीन प्राचीन समस्याएँ कलन तक ले गईं, और तीनों की संरचना एक ही है। किसी गतिमान वस्तु का किसी क्षण पर वेग तय की गई दूरी और लगे समय का भागफल होना चाहिए, जब लगा समय शून्य हो; किसी वक्र की स्पर्श रेखा की प्रवणता ऐसी छेदक रेखा की प्रवणता होनी चाहिए जिसके दोनों बिंदु संपाती हों; किसी वक्र-आकृति का क्षेत्रफल शून्य चौड़ाई वाले अनंत आयतों का योग होना चाहिए। तीनों स्थितियों में प्रत्यक्ष प्रतिस्थापन या कोई अर्थहीन योग देता है, और सही परिणाम वह है जिसकी ओर सन्निकटन बढ़ते हैं। पहली दो समस्याएँ अवकलज तक ले जाती हैं, जो आगामी इकाई का विषय है; तीसरी समाकल तक, जिसका अध्ययन कलन II में होता है।
फिर भी, “जिसकी ओर वे बढ़ते हैं” अभी परिभाषा नहीं है, और इसके तीन कारण हैं। पहला यह कि निकट आना पर्याप्त नहीं है: एक वास्तविक चर के फलनों की सीमा वाला पाठ दिखाता है कि के मान के निकट आते जाते हैं जब , से तक जाता है, यद्यपि सीमा है। दूसरा यह कि सारणी परिमित संख्या में बिंदुओं की जाँच करती है: वही पाठ दिखाता है कि का मान है, रूप के सभी बिंदुओं पर, और फिर भी पर उसकी कोई सीमा नहीं है। तीसरा यह कि सारणी के मान ग़लत परिकलित हो सकते हैं, जैसा कि आगे का उदाहरण दिखाता है।
फलन पर विचार करें, जो के लिए परिभाषित है। आकृति उसका आलेख, पर छेद के साथ, एक सारणी के मान और के बहुत निकट एक कंप्यूटर द्वारा दिया गया मान दिखाती है; फिर वह परिबंध जो सीमा का निर्णय करता है।
प्रमाण
, और पर मान के, अर्थात् के, निकट आते प्रतीत होते हैं।
परंतु पर, सामान्य द्वि-परिशुद्धता फ़्लोटिंग पॉइंट से गणना करने वाला प्रोग्राम प्राप्त करता है: योग का पूर्णांकन हो जाता है, और अंश का घटाव ठीक देता है। अकेले सारणी और के बीच निर्णय नहीं करती।
के लिए हम संयुग्मी व्यंजक से गुणा और भाग करते हैं; अंश बन जाता है, जो निरस्त हो जाता है।
से दूरी उसी संयुग्मी व्यंजक से लिखी जाती है, और परिबद्ध की जाती है क्योंकि , इसलिए का वर्ग कम से कम है।
चुनौती का प्रत्युत्तर से दिया जाता है, और सीमा है। कंप्यूटर का पूर्णांकन की त्रुटि है: परिबंध सुनिश्चित करता है कि की से दूरी से कम है।
सीमा की परिभाषा तीनों आपत्तियों का समाधान करती है: यह सभी निकटवर्ती बिंदुओं की एक साथ बात करती है, संख्याओं द्वारा तय करती है कि “जितना चाहें उतना निकट” का क्या अर्थ है, और असमिकाओं से सिद्ध होती है, सन्निकट गणनाओं से नहीं। परंतु समस्या का एक और पक्ष है, जो गणना का नहीं बल्कि अस्तित्व का है। इकाई की अनेक सीमाएँ उनका मान जानने या अनुमान लगाने के बाद सिद्ध की जाती हैं; दूसरी ओर, कुछ सीमाएँ विद्यमान होती हैं पर उनकी गणना करना ज्ञात नहीं होता, और उनका अस्तित्व वास्तविक संख्याओं की पूर्णता पर टिका है। एकपक्षीय सीमाएँ वाले पाठ की एकदिष्ट फलनों वाली प्रमेय सीमा को सुप्रीमम के रूप में देती है, और चरघातांकी, लघुगणक तथा अन्य प्रारंभिक फलनों का सांतत्य उसी पर निर्भर करता है। सीमा और सांतत्य वाला पाठ सिद्ध करता है कि किसी बिंदु पर संतत और धनात्मक फलन अपने प्रांत के उस बिंदु के निकटवर्ती बिंदुओं पर भी धनात्मक होता है, और चिह्न का यह संरक्षण, पूर्णता के साथ मिलकर, आगामी इकाई में मध्यवर्ती मान प्रमेय देगा। पूर्णता के बिना इनमें से कुछ भी सत्य नहीं होता: फलन , केवल परिमेय संख्याओं पर विचार करने पर, कभी शून्य हुए बिना ऋणात्मक मानों से धनात्मक मानों तक पहुँच जाता है।
सीमाओं और सांतत्य का महत्त्व
पाठ्यक्रम के शेष भाग में
पूरा पाठ्यक्रम इसी इकाई पर टिका है। आगामी इकाई, जो अवकलजों के बारे में है, अपने पहले पाठ में फलन की सीमा के रूप में अवकलज को परिभाषित करती है, जो बर्कली के उदाहरण का अंतर-भागफल है, और सीमाओं के बीजगणित से अवकलन के नियम प्राप्त करती है; ज्या, चरघातांकी और लघुगणक के अवकलज, प्रारंभिक फलनों के अवकलज वाले पाठ में, इस इकाई की महत्वपूर्ण सीमाएँ ही हैं; शृंखला नियम संतत फलनों के संघटन पर टिका है; मध्यवर्ती मान प्रमेय चिह्न के संरक्षण और पूर्णता से सिद्ध होती है, और द्विभाजन विधि का औचित्य देती है; और प्रतिलोम फलन का अवकलज, प्रतिलोम फलन के अवकलज और अस्पष्ट अवकलन वाले पाठ में, प्रतिलोम के सांतत्य की माँग करता है। तीसरी इकाई, जो अवकलजों के अनुप्रयोगों के बारे में है, वायरस्ट्रास की प्रमेय से आरंभ होती है, जिसके अनुसार एक संवृत और परिबद्ध अंतराल पर संतत फलन अपना अधिकतम और न्यूनतम मान प्राप्त करता है, और उस पर रोल प्रमेय और माध्यमान प्रमेय, उच्चिष्ठ और निम्निष्ठ की खोज और इष्टतमीकरण की समस्याएँ टिकी हैं। लोपिताल नियम उन अनिर्धार्य रूपों को हल करता है जिन्हें यह इकाई केवल पहचानना जानती है, और न्यूटन-रैफ़सन विधि, जो पाठ्यक्रम का समापन करती है, अपने अभिसरण को ऊपर की ओर अवतलता और सुप्रीमम द्वारा सिद्ध करती है।
अन्य पाठ्यक्रमों में
कलन II में समाकल को आयतों के क्षेत्रफलों के योगों की सीमा के रूप में परिभाषित किया जाता है, जो आर्किमिडीज़ की समस्या है; अनुक्रमों और श्रेणियों का, जिनका यह पाठ्यक्रम अध्ययन नहीं करता, इसी प्रकार की परिभाषाओं से विवेचन होता है, और टेलर बहुपद अपनी त्रुटि को इकाई के अंतिम पाठ के बड़े से मापता है। कलन III में एप्सिलॉन और डेल्टा द्वारा परिभाषा अनेक चरों वाले फलनों तक पहुँचती है, निरपेक्ष मान के स्थान पर समतल की दूरी के साथ, और सीमा उस पथ पर निर्भर कर सकती है जिससे बिंदु तक पहुँचा जाता है। यांत्रिकी के मूल सिद्धांत में तात्क्षणिक वेग और त्वरण वृद्धियों के अनुपातों की सीमाएँ हैं। वित्तीय गणित में सतत चक्रवृद्धि की सीमा है जब अनंत की ओर अग्रसर होता है, जो महत्वपूर्ण सीमाओं वाले पाठ के अनुसार के बराबर है। R के साथ डेटा विश्लेषण में वृद्धि के मॉडल अनंत पर अपने व्यवहार से पहचाने जाते हैं, और यही व्यवहार चरघातांकी, घातों और लघुगणक की तुलना स्पष्ट करती है। C++ में प्रोग्रामिंग I में द्विभाजन मध्यवर्ती मान प्रमेय पर भरोसा करके एक मूल का सन्निकटन करता है, किसी एल्गोरिथ्म की लागत बाख़मान और लांडाउ के संकेतन से मापी जाती है, और फ़्लोटिंग पॉइंट संख्याएँ सटीक सीमा को परिकलित मान से अलग करने के लिए बाध्य करती हैं, जैसे भ्रामक सारणी में।
विज्ञान और प्रौद्योगिकी में
संतत रूप से बदलने वाली हर राशि, जैसे कोई स्थिति, कोई तापमान, कोई सांद्रता, कोई विद्युत वोल्टता, संतत फलनों द्वारा वर्णित होती है, और उसकी तात्क्षणिक परिवर्तन-दरें सीमाएँ हैं। इंजीनियरी और प्रायोगिक विज्ञान जिन सन्निकटनों के साथ काम करते हैं (साम्य बिंदु के निकट किसी परिघटना का रैखिकीकरण, छोटे दोलनों में के स्थान पर रखना, किसी पद को उससे बहुत बड़े दूसरे पद के सामने छोड़ देना), वे इकाई के अंतिम पाठ की तुल्यताओं जैसी ही तुल्यताएँ हैं, और उन्हीं शर्तों पर मान्य हैं। अनंतस्पर्शी रेखाएँ स्थिर होने वाली प्रक्रिया के संतृप्ति मान और स्थिर न होने वाली प्रक्रिया की असीम वृद्धि का वर्णन करती हैं। और संख्यात्मक गणना, जो कंप्यूटर पर उसे हल करती है जिसका कोई बंद सूत्र नहीं है, भ्रामक सारणी वाले उदाहरण के भेद पर आधारित है: एल्गोरिथ्म सन्निकटन उत्पन्न करता है, और केवल असमिकाओं से सिद्ध त्रुटि का परिबंध बताता है कि वे सटीक मान के कितने निकट हैं।