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Topos Uranos

एकदिष्टता और प्रथम अवकलज परीक्षण

सारांश

यह पाठ अवकलज के चिह्न को एक पूरे अंतराल के बारे में जानकारी में बदलता है। लाग्रांज की माध्यमान प्रमेय से यह सिद्ध करता है कि किसी अंतराल पर धनात्मक अवकलज वाला फलन उस पर दृढ़तः वर्धमान होता है, और अऋणात्मक अवकलज वाला फलन वर्धमान; विलोमतः, वर्धमान फलन का अवकलज ऋणात्मक नहीं होता, यद्यपि दृढ़तः वर्धमान फलन का अवकलज शून्य हो सकता है, और पाठ यह अभिलक्षित करता है कि ऐसा कब होता है। इससे धनात्मक अवकलज वाले फलन का प्रतिलोमनीय होना, स्थानीय चरम के प्रत्याशियों का नाम, अर्थात् क्रांतिक बिंदु, और प्रथम अवकलज परीक्षण निकलते हैं, जो अवकलज के चिह्न-परिवर्तन से तय करता है कि चरम है या नहीं। डार्बू प्रमेय, जो वायरस्ट्रास और फ़र्मा की प्रमेयों से सिद्ध की जाती है, दिखाती है कि अवकलज, संतत न होने पर भी, मानों को लाँघता नहीं: उसके न हटाने योग्य असांतत्य होते हैं न कूद असांतत्य, और यदि वह किसी अंतराल पर शून्य नहीं होता, तो उस पर अपना चिह्न नहीं बदलता। पाठ उन असमिकाओं के साथ समाप्त होता है जो फलनों की उनके अवकलज द्वारा तुलना करके सिद्ध की जाती हैं, और वह पूरा करता है जिसकी घोषणा अवकलजों वाली इकाई ने कई बार की थी, पर जिसे वह सिद्ध नहीं कर सकी थी।

अधिगम उद्देश्य

  1. माध्यमान प्रमेय से सिद्ध करना कि किसी अंतराल पर अवकलज का चिह्न एकदिष्टता तय करता है, और पहचानना कि कब किसी दृढ़तः वर्धमान फलन का अवकलज कुछ बिंदुओं पर शून्य होता है।
  2. किसी फलन के क्रांतिक बिंदु ज्ञात करना और प्रथम अवकलज परीक्षण से तय करना कि उनमें से कौन-से स्थानीय चरम हैं, उन बिंदुओं सहित जहाँ अवकलज नहीं है।
  3. डार्बू प्रमेय सिद्ध करना और उसका उपयोग यह दिखाने के लिए करना कि कूद वाला फलन किसी अंतराल पर किसी भी फलन का अवकलज नहीं है।
  4. फलनों के बीच असमिकाएँ उनके अंतर के अवकलज के चिह्न का अध्ययन करके सिद्ध करना, और पहचानना कि कब वह विवेचन चक्रीय होगा।

अवकलज का चिह्न और एकदिष्टता

परिवर्तन की दरें वाले पाठ का साध्य “किसी बिंदु पर अवकलज का चिह्न” aa के निकट के प्रत्येक मान की तुलना f(a)f(a) से करता है, और इससे अधिक कुछ नहीं: फलन x+2x2sin⁡1xx + 2x^2 \sin \frac{1}{x}, जिसे मान 00 देकर 00 पर पूरा किया गया है, का अवकलज 11 है (बिंदु 00 पर), और वह ऐसे किसी भी अंतराल में वर्धमान नहीं है जिसमें 00 हो। किसी पूरे अंतराल के बारे में जानकारी पाने के लिए उसके सभी बिंदुओं पर अवकलज का चिह्न जानना आवश्यक है, और माध्यमान प्रमेय, जो फ़र्मा, रोल, लाग्रांज और कॉशी के प्रमेय वाले पाठ में है, उस ज्ञान को मानों की तुलना में बदल देती है। याद करें कि बीजगणित और ज्यामिति I के फलनों की संक्रियाओं वाले पाठ के अनुसार फलन ff समुच्चय II पर वर्धमान है यदि उसके सभी बिंदुओं के लिए x<yx < y से f(x)≤f(y)f(x) \leq f(y) निकलता हो, और दृढ़तः वर्धमान यदि उससे f(x)<f(y)f(x) < f(y) निकलता हो:

(∀x∈I)(∀y∈I)(x<y→f(x)≤f(y)),(∀x∈I)(∀y∈I)(x<y→f(x)<f(y))(\forall x \in I)(\forall y \in I)\left(x < y \rightarrow f(x) \leq f(y)\right), \qquad (\forall x \in I)(\forall y \in I)\left(x < y \rightarrow f(x) < f(y)\right)

और ह्रासमान यदि उससे f(x)≥f(y)f(x) \geq f(y) निकलता हो, या दृढ़तः ह्रासमान यदि f(x)>f(y)f(x) > f(y)।

प्रमेयअवकलज के चिह्न से एकदिष्टता

मान लीजिए ff एक अंतराल II पर संतत है और II के प्रत्येक आंतरिक बिंदु पर अवकलनीय है।

  • यदि f′(x)≥0f'(x) \geq 0 प्रत्येक आंतरिक बिंदु xx पर (जो II का हो), तो ff, II पर वर्धमान है; यदि ऐसे प्रत्येक बिंदु पर f′(x)>0f'(x) > 0, तो वह II पर दृढ़तः वर्धमान है।
  • यदि f′(x)≤0f'(x) \leq 0 प्रत्येक आंतरिक बिंदु xx पर (जो II का हो), तो ff, II पर ह्रासमान है; यदि ऐसे प्रत्येक बिंदु पर f′(x)<0f'(x) < 0, तो वह II पर दृढ़तः ह्रासमान है।

किन्हीं भी दो बिंदुओं के बीच, माध्यमान प्रमेय मानों के अंतर को किसी मध्यवर्ती बिंदु पर अवकलज का चिह्न दे देती है।

प्रमाण

  1. f(y)−f(x)=f′(c)(y−x),x<c<yf(y) - f(x) = \dato{c}{f'(c)}(y - x), \qquad x < c < y

    मान लीजिए x<yx < y, II के दो बिंदु हैं। चूँकि II एक अंतराल है, उसमें [x,y]\icc{x}{y} समाहित है, जहाँ ff संतत है, और (x,y)\ioo{x}{y} के बिंदु II के आंतरिक बिंदु हैं, जहाँ ff अवकलनीय है। लाग्रांज की माध्यमान प्रमेय के अनुसार कोई cc (जो xx और yy के बीच हो) विद्यमान है ऐसा कि:

  2. f′(c)≥0→f(x)≤f(y),f′(c)>0→f(x)<f(y)f'(c) \geq 0 \rightarrow \resaltar{f(x) \leq f(y)}, \qquad f'(c) > 0 \rightarrow \resaltar{f(x) < f(y)}

    गुणक y−xy - x धनात्मक है, अतः अंतर का चिह्न f′(c)f'(c) का चिह्न है: यदि f′(c)≥0f'(c) \geq 0, तो वह ऋणात्मक नहीं है, और यदि f′(c)>0f'(c) > 0, तो धनात्मक है। चूँकि xx और yy, II के कोई भी दो बिंदु थे जिनके लिए x<yx < y, फलन वर्धमान है, या दृढ़तः वर्धमान।

  3. −f(x)≤−f(y)→f(x)≥f(y)-f(x) \leq -f(y) \rightarrow \resaltar{f(x) \geq f(y)}

    यदि अवकलज धनात्मक नहीं है, तो उपर्युक्त निष्कर्ष −f-f पर लगाया जाता है, जो II पर संतत है और जिसका प्रत्येक आंतरिक बिंदु पर अवकलज −f′(x)-f'(x) है, अवकलन के नियम वाले पाठ की प्रमेय “रैखिक संयोजन का अवकलज” के अनुसार। −f-f के वर्धमान होने का अर्थ है कि ff ह्रासमान है।

अवकलज केवल आंतरिक बिंदुओं पर माँगा जाता है; अंतराल में सम्मिलित अंत्य बिंदुओं पर सांतत्य पर्याप्त है। इस प्रकार x\sqrt{x}, [0,∞)\ico{0}{\infty} पर दृढ़तः वर्धमान है, यद्यपि वह 00 पर अवकलनीय नहीं है। प्रमेय अवकलजों वाली इकाई की तीन घोषणाओं को पूरा करती है। प्रारंभिक फलनों के अवकलज वाले पाठ ने देखा था कि स्पर्शज्या का अवकलज, 1+tan⁡2x1 + \tan^2 x, धनात्मक है, यद्यपि स्पर्शज्या अपने प्रांत पर, जो अंतराल नहीं है, वर्धमान नहीं है; प्रत्येक अंतराल (−π2+kπ,π2+kπ)\ioo{-\frac{\pi}{2} + k\pi}{\frac{\pi}{2} + k\pi} पर, जहाँ kk पूर्णांक है, प्रमेय उसे दृढ़तः वर्धमान बना देती है। घातांक में चर वाले पाठ ने अवकलज x1x⋅1−ln⁡xx2x^{\frac{1}{x}} \cdot \frac{1 - \ln x}{x^2} परिकलित किया था, जो (0,e)\ioo{0}{e} पर धनात्मक और (e,∞)\ioo{e}{\infty} पर ऋणात्मक है; चूँकि फलन (0,∞)\ioo{0}{\infty} पर संतत है, वह (0,e]\ioc{0}{e} पर दृढ़तः वर्धमान और [e,∞)\ico{e}{\infty} पर दृढ़तः ह्रासमान है। इससे उस पाठ का, xx घात 1x\frac{1}{x} के उच्चिष्ठ वाला साध्य पुनः प्राप्त होता है, और साथ ही ee के एक ही ओर की दो संख्याओं की तुलना भी होती है: चूँकि e<3<4e < 3 < 4, अतः 313>4143^{\frac{1}{3}} > 4^{\frac{1}{4}}, अर्थात् 34>433^4 > 4^3। उसी पाठ ने सिद्ध किया था कि (1+1x)x\left(1 + \frac{1}{x}\right)^x का अवकलज प्रत्येक x>0x > 0 के लिए धनात्मक है: फलन (0,∞)\ioo{0}{\infty} पर दृढ़तः वर्धमान है।

साध्यएकदिष्ट फलन के अवकलज का चिह्न

मान लीजिए ff एक अंतराल II पर वर्धमान है और एक आंतरिक बिंदु aa पर (जो II का हो) अवकलनीय है। तब f′(a)≥0f'(a) \geq 0। यदि ff ह्रासमान है, तो f′(a)≤0f'(a) \leq 0। यदि अवकलज ऋणात्मक होता, तो किसी बिंदु पर अवकलज के चिह्न वाला साध्य aa के दाईं ओर f(a)f(a) से छोटे मान रख देता।

प्रमाण

  1. x∈J, a<x<a+δ→f(x)<f(a)x \in J, \ a < x < a + \delta \rightarrow \dato{menor}{f(x) < f(a)}

    मान लीजिए r>0r > 0 ऐसा है कि J=(a−r,a+r)J = \ioo{a - r}{a + r}, II में समाहित हो, और मान लीजिए FF, ff का JJ पर प्रतिबंध है; अवकलन के नियम वाले पाठ की प्रमेयिका “अवकलज की स्थानीय प्रकृति” के अनुसार FF, aa पर अवकलनीय है और F′(a)=f′(a)F'(a) = f'(a)। मान लीजिए कि f′(a)<0f'(a) < 0। किसी बिंदु पर अवकलज के चिह्न वाले साध्य को FF पर विवृत अंतराल JJ में लगाने से कोई δ>0\delta > 0 विद्यमान है ऐसा कि:

  2. f(a)≤f(a+ρ2)<f(a)→f′(a)≥0f(a) \leq f\left(a + \frac{\rho}{2}\right) < f(a) \qquad \rightarrow \qquad \resaltar{f'(a) \geq 0}

    मान लीजिए ρ\rho संख्याओं δ\delta और rr में छोटी है। बिंदु a+ρ2a + \frac{\rho}{2}, JJ में है और aa से बड़ा है; चूँकि ff वर्धमान है, उसका मान f(a)f(a) से छोटा नहीं है, जो ऊपर प्राप्त निष्कर्ष के विरुद्ध है। अतः f′(a)≥0f'(a) \geq 0। यदि ff ह्रासमान है, तो −f-f वर्धमान है, और −f′(a)≥0-f'(a) \geq 0।

किसी विवृत अंतराल के सभी बिंदुओं पर अवकलनीय फलन के लिए, अतः, वर्धमान होना अऋणात्मक अवकलज होने के तुल्य है। विलोम दृढ़ एकदिष्टता तक विस्तारित नहीं होता: x3x^3, R\mathbb{R} पर दृढ़तः वर्धमान है, और उसका अवकलज 00 पर शून्य होता है। साध्य आरंभ के उदाहरण की भी व्याख्या करता है: परिवर्तन की दरों वाले पाठ ने 00 के मनचाहे निकट ऐसे बिंदु पाए थे जहाँ x+2x2sin⁡1xx + 2x^2 \sin \frac{1}{x} का अवकलज ऋणात्मक है, और ऐसे किसी भी अंतराल में जिसमें वे हों, फलन वर्धमान नहीं हो सकता। दोष यह है कि वह अवकलज 00 पर संतत नहीं है; यदि वह संतत हो, तो किसी बिंदु पर चिह्न एक अंतराल तक फैल जाता है।

उपसिद्धांतकिसी बिंदु पर संतत धनात्मक अवकलज

मान लीजिए ff एक विवृत अंतराल II के प्रत्येक बिंदु पर अवकलनीय है, और मान लीजिए aa, II का एक बिंदु है जिस पर f′f' संतत है, तथा f′(a)>0f'(a) > 0। तब कोई δ>0\delta > 0 विद्यमान है ऐसा कि ff, (a−δ,a+δ)\ioo{a - \delta}{a + \delta} पर दृढ़तः वर्धमान है। अवकलज aa के निकट अपना चिह्न बनाए रखता है, और प्रमेय उस अंतराल पर लगती है जिसमें वह उसे बनाए रखता है।

प्रमाण

  1. ∣x−a∣<δ→f′(x)>0\abs{x - a} < \delta \rightarrow \resaltar{f'(x) > 0}

    चूँकि f′f', aa पर संतत है, aa पर उसकी सीमा f′(a)>0f'(a) > 0 है। फलन की सीमा वाले पाठ के साध्य “स्थानीय परिबद्धता और चिह्न का संरक्षण” के अनुसार कोई δ>0\delta > 0 विद्यमान है, जिसे ऐसा लिया जा सकता है कि (a−δ,a+δ)\ioo{a - \delta}{a + \delta}, II में समाहित हो, और उस अंतराल में f′(x)>0f'(x) > 0। वहाँ ff अवकलनीय है, और इसलिए संतत; प्रमेय के अनुसार वह दृढ़तः वर्धमान है।

अऋणात्मक अवकलज वाला फलन दृढ़तः वर्धमान कब होता है? x3x^3 का उदाहरण दिखाता है कि अवकलज किसी बिंदु पर शून्य हो सकता है; जो वह नहीं कर सकता, वह है किसी पूरे अंतराल पर शून्य होना।

साध्यअऋणात्मक अवकलज के साथ दृढ़ एकदिष्टता

मान लीजिए ff एक अंतराल II पर संतत है और II के प्रत्येक आंतरिक बिंदु पर अवकलनीय है, तथा प्रत्येक पर f′(x)≥0f'(x) \geq 0। तब ff, II पर दृढ़तः वर्धमान है यदि और केवल यदि ऐसा कोई अंतराल (p,q)\ioo{p}{q}, जहाँ p<qp < q, विद्यमान नहीं है जो II में समाहित हो और जिसके सभी बिंदुओं पर f′f' शून्य हो। विशेष रूप से, यदि f′f' केवल परिमित संख्या में बिंदुओं पर शून्य होता है, तो ff, II पर दृढ़तः वर्धमान है। जो वर्धमान फलन दृढ़तः वर्धमान नहीं है, वह कोई मान दोहराता है, और जिन दो बिंदुओं पर वह उसे दोहराता है उनके बीच वह अचर है।

प्रमाण

  1. f′(x)=0,s<x<t→f(s)=f(t)f'(x) = 0, \quad s < x < t \qquad \rightarrow \qquad \resaltar{f(s) = f(t)}

    मान लीजिए कि f′f' एक अंतराल (p,q)\ioo{p}{q} के, जो II में समाहित है, सभी बिंदुओं पर शून्य होता है, और मान लीजिए p<s<t<qp < s < t < q। [s,t]\icc{s}{t} पर फलन संतत है और (s,t)\ioo{s}{t} के बिंदुओं पर उसका अवकलज शून्य है; फ़र्मा, रोल, लाग्रांज और कॉशी के प्रमेय वाले पाठ के उपप्रमेय “किसी अंतराल पर शून्य अवकलज” के अनुसार वह [s,t]\icc{s}{t} पर अचर है, और दृढ़तः वर्धमान नहीं है।

  2. s<x<t→f(s)≤f(x)≤f(t)=f(s)→f(x)=f(s)s < x < t \rightarrow f(s) \leq f(x) \leq f(t) = f(s) \rightarrow \dato{cte}{f(x) = f(s)}

    विलोमतः, मान लीजिए कि ff दृढ़तः वर्धमान नहीं है। प्रमेय के अनुसार वह वर्धमान है, अतः कोई s<ts < t (II में) विद्यमान हैं जिनके लिए f(s)=f(t)f(s) = f(t); प्रत्येक मध्यवर्ती मान दो समान मानों के बीच घिर जाता है, और ff, [s,t]\icc{s}{t} पर अचर है।

  3. s<x<t→f′(x)=0s < x < t \rightarrow \resaltar{f'(x) = 0}

    मान लीजिए xx, (s,t)\ioo{s}{t} का एक बिंदु है। ff का (s,t)\ioo{s}{t} पर प्रतिबंध अचर है, जिसका अवकलज xx पर शून्य है; अवकलज की स्थानीय प्रकृति वाली प्रमेयिका के अनुसार f′(x)=0f'(x) = 0। अवकलज पूरे अंतराल (s,t)\ioo{s}{t} पर शून्य है, जो II में समाहित है। यदि f′f' केवल परिमित संख्या में बिंदुओं पर शून्य होता है, तो ऐसा कोई अंतराल नहीं है, क्योंकि प्रत्येक अंतराल (p,q)\ioo{p}{q}, जहाँ p<qp < q, में अनंत बिंदु होते हैं।

फलन x+sin⁡xx + \sin x, जो प्रतिलोम फलन का अवकलज वाले पाठ के हल किए गए प्रश्न 1 का है, का अवकलज 1+cos⁡x≥01 + \cos x \geq 0 है, जो अनंत बिंदुओं π+2kπ\pi + 2k\pi पर शून्य होता है; उनमें से दो क्रमागत बिंदुओं के बीच अवकलज धनात्मक है, और कोई भी अंतराल शून्यों से नहीं बना है। साध्य उसे R\mathbb{R} पर दृढ़तः वर्धमान बना देता है, जो उस पाठ ने दो ज्याओं के अंतर के सूत्र से प्राप्त किया था और जो वहाँ आश्चर्यजनक लगता था। यही विवेचन परिमित संख्या में अवकलज-रहित बिंदुओं को भी स्वीकार करता है: यदि ff, II पर संतत है और अपने सभी आंतरिक बिंदुओं पर, x1<⋯<xkx_1 < \dots < x_k को छोड़कर, धनात्मक अवकलज रखता है, तो प्रमेय उसे उनमें से दो क्रमागत बिंदुओं के बीच के प्रत्येक अंतराल पर (और सिरों वाले भागों पर) दृढ़तः वर्धमान बना देती है, और असमिकाएँ आपस में जुड़ जाती हैं। इस प्रकार x3\sqrt[3]{x}, R\mathbb{R} पर दृढ़तः वर्धमान है, यद्यपि वह 00 पर अवकलनीय नहीं है। सांतत्य को हटाया नहीं जा सकता (अभ्यास प्रश्न 1)।

उपसिद्धांतधनात्मक अवकलज और प्रतिलोम फलन

मान लीजिए ff एक से अधिक बिंदु वाले अंतराल II पर संतत है और II के प्रत्येक आंतरिक बिंदु पर अवकलनीय है, प्रत्येक पर f′(x)>0f'(x) > 0, या प्रत्येक पर f′(x)<0f'(x) < 0। तब ff, II पर दृढ़तः एकदिष्ट है, उसका प्रतिबिंब J=f(I)J = f(I) एक अंतराल है और प्रतिलोम f−1 ⁣:J→If^{-1} \colon J \to I संतत है; प्रत्येक बिंदु b=f(a)b = f(a) पर, जहाँ aa, II का आंतरिक बिंदु है, प्रतिलोम अवकलनीय है, और (f−1)′(b)=1f′(a)\left(f^{-1}\right)'(b) = \frac{1}{f'(a)}। प्रमेय दृढ़ एकदिष्टता देती है, जो प्रतिलोम फलन के अवकलज वाली प्रमेय की परिकल्पना है।

प्रमाण

  1. x<y→f(x)<f(y),J=f(I)x < y \rightarrow \resaltar{f(x) < f(y)}, \qquad J = f(I)

    प्रमेय के अनुसार ff, II पर दृढ़तः वर्धमान है, या दृढ़तः ह्रासमान। मध्यवर्ती मान प्रमेय वाले पाठ के उपप्रमेयों “अंतराल का प्रतिबिंब” और “प्रतिलोम का सांतत्य” के अनुसार JJ एक अंतराल है और f−1f^{-1}, JJ पर संतत है।

  2. (f−1)′(b)=1f′(a)\left(f^{-1}\right)'(b) = \resaltar{\frac{1}{f'(a)}}

    यदि aa आंतरिक है, तो ff, aa पर अवकलनीय है और f′(a)≠0f'(a) \neq 0, और प्रतिलोम फलन के अवकलज वाले पाठ की प्रमेय “प्रतिलोम फलन का अवकलज” f−1f^{-1} का b=f(a)b = f(a) पर अवकलज देती है।

अवकलजों वाली इकाई के मूल्यांकन यह मानकर चलते थे कि x5+xx^5 + x और x3+2x+1x^3 + 2x + 1, R\mathbb{R} पर दृढ़तः वर्धमान हैं; अब इतना देखना पर्याप्त है कि उनके अवकलज, 5x4+15x^4 + 1 और 3x2+23x^2 + 2, धनात्मक हैं। और xexx e^x के प्रतिलोम वाली चुनौती, जो उस इकाई के सारांश में थी और जिसमें अवकलज के चिह्न के बिना यह सिद्ध करना था कि वह फलन [−1,∞)\ico{-1}{\infty} पर दृढ़तः वर्धमान है, अब एक पंक्ति में निपट जाती है: वह वहाँ संतत है और उसका अवकलज, (1+x)ex(1 + x) e^x, (−1,∞)\ioo{-1}{\infty} पर धनात्मक है।