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IGNOU BECC-104 Solved Question Paper PDF Download

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IGNOU BECC-104 Solved Question Paper PDF

IGNOU Previous Year Solved Question Papers

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IGNOU BECC-104 Previous Year Solved Question Paper in Hindi

प्रश्न 1. (क) क्रैमर के नियम का प्रयोग कर निम्नलिखित समीकरण तंत्र को हल कीजिए : 7x₁ − x₂ − x₃ = 0 10x₁ − 2x₂ + x₃ = 8 6x₁ + 3x₂ − 2x₃ = 7 (ख) सदिशों की लम्बकोणीयता की संकल्पना की परिभाषा दीजिए।

उत्तर. (क) दिए गए समीकरण तंत्र को क्रैमर के नियम का उपयोग करके हल करने के लिए, हम पहले गुणांक आव्यूह (coefficient matrix) का सारणिक (determinant) ज्ञात करते हैं।

दिया गया समीकरण तंत्र है:

7x₁ − x₂ − x₃ = 0

10x₁ − 2x₂ + x₃ = 8

6x₁ + 3x₂ − 2x₃ = 7

इसे आव्यूह रूप में इस प्रकार लिखा जा सकता है: AX = B, जहाँ:

A = , X = , B =

चरण 1: गुणांक आव्यूह A का सारणिक |A| ज्ञात करना।

|A| = 7((-2)(-2) – (1)(3)) – (-1)( (10)(-2) – (1)(6) ) + (-1)( (10)(3) – (-2)(6) )

|A| = 7(4 – 3) + 1(-20 – 6) – 1(30 + 12)

|A| = 7(1) + (-26) – 42

|A| = 7 – 26 – 42 = -61

चूँकि |A| ≠ 0, एक अद्वितीय हल मौजूद है।

चरण 2: |A₁|, |A₂|, और |A₃| की गणना करना।

|A₁| की गणना के लिए, A के पहले कॉलम को B से प्रतिस्थापित करें:

|A₁| = = 0 – (-1)((8)(-2) – (1)(7)) + (-1)((8)(3) – (-2)(7))

|A₁| = 1(-16 – 7) – 1(24 + 14) = -23 – 38 = -61

|A₂| की गणना के लिए, A के दूसरे कॉलम को B से प्रतिस्थापित करें:

|A₂| = = 7((8)(-2) – (1)(7)) – 0 + (-1)((10)(7) – (8)(6))

|A₂| = 7(-16 – 7) – (70 – 48) = 7(-23) – 22 = -161 – 22 = -183

|A₃| की गणना के लिए, A के तीसरे कॉलम को B से प्रतिस्थापित करें:

|A₃| = = 7((-2)(7) – (8)(3)) – (-1)((10)(7) – (8)(6)) + 0

|A₃| = 7(-14 – 24) + 1(70 – 48) = 7(-38) + 22 = -266 + 22 = -244

चरण 3: चरों का मान ज्ञात करना।

क्रैमर के नियम के अनुसार:

x₁ = |A₁| / |A| = -61 / -61 = 1

x₂ = |A₂| / |A| = -183 / -61 = 3

x₃ = |A₃| / |A| = -244 / -61 = 4

अतः, समीकरण तंत्र का हल है x₁ = 1, x₂ = 3, और x₃ = 4 ।

(ख) सदिशों की लम्बकोणीयता (Orthogonality of Vectors)

सदिशों की लम्बकोणीयता रैखिक बीजगणित में एक मौलिक अवधारणा है। दो सदिशों (vectors) को लंबकोणीय या ऑर्थोगोनल (orthogonal) कहा जाता है यदि वे एक दूसरे से समकोण (90 डिग्री) पर हों। गणितीय रूप से, दो गैर-शून्य सदिशों की लम्बकोणीयता को उनके अदिश गुणनफल (dot product or scalar product) के माध्यम से परिभाषित किया जाता है।

परिभाषा: मान लीजिए u और v n-विमीय यूक्लिडियन स्पेस (n-dimensional Euclidean space) ℝⁿ में दो सदिश हैं।

u = (u₁, u₂, …, uₙ)

v = (v₁, v₂, …, vₙ)

इन दो सदिशों u और v को लंबकोणीय कहा जाता है यदि और केवल यदि उनका अदिश गुणनफल शून्य हो।

u ⋅ v = 0

अदिश गुणनफल की गणना इस प्रकार की जाती है:

u ⋅ v = u₁v₁ + u₂v₂ + … + uₙvₙ =

अतः, u और v लंबकोणीय हैं यदि

ज्यामितीय व्याख्या: ज्यामितीय रूप से, अदिश गुणनफल दो सदिशों के बीच के कोण (θ) से संबंधित होता है:

u ⋅ v = ||u|| ||v|| cos(θ)

जहाँ ||u|| और ||v|| क्रमशः सदिश u और v के परिमाण (magnitude) या लंबाई हैं।

यदि u ⋅ v = 0 है, और u और v दोनों गैर-शून्य सदिश हैं, तो:

||u|| ||v|| cos(θ) = 0

cos(θ) = 0

इसका तात्पर्य है कि θ = 90° या π/2 रेडियन। इसका मतलब है कि सदिश एक दूसरे के लंबवत हैं।

उदाहरण: मान लीजिए ℝ³ में दो सदिश हैं:

u = (2, 3, -1)

v = (4, -2, 2)

इनका अदिश गुणनफल है:

u ⋅ v = (2)(4) + (3)(-2) + (-1)(2) = 8 – 6 – 2 = 0

चूंकि u ⋅ v = 0 है, सदिश u और v लंबकोणीय हैं। प्रश्न 2. एक उत्पादन फलन दिया गया है Q = 2L¹ᐟ²K¹ᐟ², जहाँ L श्रम और K पूँजी है। ज्ञात कीजिए : (क) दोनों कारकों के सीमांत उत्पाद (ख) पैमाने के प्रतिफल का स्वरूप (ग) क्या पूरा उत्पादन विभाजित हो जाता है ?

उत्तर. दिया गया उत्पादन फलन कॉब-डगलस प्रकार का है: Q = 2L¹ᐟ²K¹ᐟ²।

(क) दोनों कारकों के सीमांत उत्पाद (Marginal Product)

किसी कारक का सीमांत उत्पाद उस कारक की एक अतिरिक्त इकाई का उपयोग करने से उत्पादन में होने वाली वृद्धि है, जबकि अन्य कारकों की मात्रा स्थिर रहती है। इसकी गणना उत्पादन फलन के आंशिक अवकलन (partial differentiation) द्वारा की जाती है।

1. श्रम का सीमांत उत्पाद (Marginal Product of Labour – MPL):

MPL की गणना Q को L के सापेक्ष आंशिक रूप से अवकलित करके की जाती है, जबकि K को स्थिर रखा जाता है।

MPL = ∂Q/∂L = ∂(2L¹ᐟ²K¹ᐟ²)/∂L

MPL = 2 (1/2) L⁽¹ᐟ²⁻¹⁾ * K¹ᐟ²

MPL = L⁻¹ᐟ²K¹ᐟ²

MPL = K¹ᐟ²/L¹ᐟ² = (K/L)¹ᐟ²

2. पूँजी का सीमांत उत्पाद (Marginal Product of Capital – MPK):

MPK की गणना Q को K के सापेक्ष आंशिक रूप से अवकलित करके की जाती है, जबकि L को स्थिर रखा जाता है।

MPK = ∂Q/∂K = ∂(2L¹ᐟ²K¹ᐟ²)/∂K

MPK = 2 L¹ᐟ² (1/2) * K⁽¹ᐟ²⁻¹⁾

MPK = L¹ᐟ²K⁻¹ᐟ²

MPK = L¹ᐟ²/K¹ᐟ² = (L/K)¹ᐟ²

(ख) पैमाने के प्रतिफल का स्वरूप (Nature of Returns to Scale)

पैमाने के प्रतिफल यह दर्शाते हैं कि जब सभी आगतों (inputs) को एक ही अनुपात में बढ़ाया जाता है तो उत्पादन (output) पर क्या प्रभाव पड़ता है। इसे जांचने के लिए, हम सभी आगतों (L और K) को एक स्थिरांक λ (जहाँ λ > 1) से गुणा करते हैं।

नया उत्पादन, Q’ = f(λL, λK)

Q’ = 2(λL)¹ᐟ²(λK)¹ᐟ²

Q’ = 2 λ¹ᐟ² L¹ᐟ² λ¹ᐟ² K¹ᐟ²

Q’ = λ⁽¹ᐟ²⁺¹ᐟ²⁾ * (2L¹ᐟ²K¹ᐟ²)

Q’ = λ¹ * Q

चूंकि Q’ = λQ है, उत्पादन ठीक उसी अनुपात (λ) में बढ़ता है जिस अनुपात में आगतों को बढ़ाया गया था। यह उत्पादन फलन डिग्री 1 का समघात (homogeneous) है।

जब उत्पादन फलन डिग्री 1 का समघात होता है, तो यह स्थिर पैमाने के प्रतिफल (Constant Returns to Scale) को प्रदर्शित करता है। इसका मतलब है कि यदि आप सभी आगतों को दोगुना करते हैं, तो आपका उत्पादन भी ठीक दोगुना हो जाएगा।

(ग) क्या पूरा उत्पादन विभाजित हो जाता है? (Product Exhaustion Theorem)

उत्पाद विभाजन प्रमेय (Product Exhaustion Theorem), जिसे यूलर के प्रमेय (Euler’s Theorem) के आर्थिक अनुप्रयोग के रूप में भी जाना जाता है, यह बताता है कि क्या कारकों को उनके सीमांत उत्पादों के बराबर भुगतान करने पर कुल उत्पादन पूरी तरह से वितरित हो जाता है।

यूलर के प्रमेय के अनुसार, यदि कोई फलन f(x₁, x₂) डिग्री k का समघात है, तो:

x₁ (∂f/∂x₁) + x₂ (∂f/∂x₂) = k * f(x₁, x₂)

हमारे मामले में, उत्पादन फलन Q(L, K) डिग्री 1 का समघात है (k=1)। इसलिए, यूलर के प्रमेय के अनुसार:

L (∂Q/∂L) + K (∂Q/∂K) = 1 * Q

L MPL + K MPK = Q

आइए हम अपने परिकलित सीमांत उत्पादों के साथ इसकी पुष्टि करें:

LHS = L (K¹ᐟ²/L¹ᐟ²) + K (L¹ᐟ²/K¹ᐟ²)

LHS = L¹⁻¹ᐟ² K¹ᐟ² + K¹⁻¹ᐟ² L¹ᐟ²

LHS = L¹ᐟ²K¹ᐟ² + K¹ᐟ²L¹ᐟ²

LHS = 2L¹ᐟ²K¹ᐟ²

और चूंकि मूल उत्पादन फलन Q = 2L¹ᐟ²K¹ᐟ² है, हम देखते हैं कि:

LHS = Q = RHS

इसका मतलब है कि यदि श्रम को उसके सीमांत उत्पाद (MPL) के बराबर मजदूरी और पूँजी को उसके सीमांत उत्पाद (MPK) के बराबर प्रतिफल का भुगतान किया जाता है, तो इन भुगतानों का कुल योग ठीक कुल उत्पादन (Q) के बराबर होगा।

अतः, हाँ, पूरा उत्पादन विभाजित हो जाता है । इसे उत्पाद विभाजन प्रमेय कहा जाता है और यह स्थिर पैमाने के प्रतिफल की स्थिति में लागू होता है। प्रश्न 3. एक द्वि-उत्पाद फर्म के समक्ष निम्नलिखित माँग एवं लागत फलन प्रस्तुत हैं : Q₁ = 40 – 2P₁ + P₂ Q₂ = 15 + P₁ – P₂ C = Q₁² + Q₁Q₂ + Q₂² (क) अधिकतम लाभ की शर्त पूरी करने वाले उत्पादन स्तर ज्ञात कीजिए। (ख) द्वितीय कोटि की पर्याप्त शर्त की जाँच कीजिए। (ग) अधिकतम लाभ का स्तर आकलित कीजिए।

उत्तर. लाभ को अधिकतम करने के लिए, फर्म को लाभ फलन (π) को Q₁ और Q₂ के फलन के रूप में व्यक्त करना होगा और फिर लाभ को अधिकतम करने वाले Q₁ और Q₂ के मान ज्ञात करने होंगे।

लाभ (π) = कुल राजस्व (TR) – कुल लागत (TC)

π = (P₁Q₁ + P₂Q₂) – (Q₁² + Q₁Q₂ + Q₂²)

चरण 1: P₁ और P₂ को Q₁ और Q₂ के पदों में व्यक्त करना (व्युत्पन्न मांग फलन)।

हमारे पास है:

1) Q₁ = 40 – 2P₁ + P₂

2) Q₂ = 15 + P₁ – P₂

समीकरण (2) से, हम P₁ को व्यक्त कर सकते हैं: P₁ = Q₂ + P₂ – 15

इसे समीकरण (1) में प्रतिस्थापित करें:

Q₁ = 40 – 2(Q₂ + P₂ – 15) + P₂

Q₁ = 40 – 2Q₂ – 2P₂ + 30 + P₂

Q₁ = 70 – 2Q₂ – P₂

=> P₂ = 70 – Q₁ – 2Q₂

अब P₂ के इस मान को P₁ के व्यंजक में रखें:

P₁ = Q₂ + (70 – Q₁ – 2Q₂) – 15

=> P₁ = 55 – Q₁ – Q₂

चरण 2: लाभ फलन को Q₁ और Q₂ के पदों में लिखना।

TR = P₁Q₁ + P₂Q₂

TR = (55 – Q₁ – Q₂)Q₁ + (70 – Q₁ – 2Q₂)Q₂

TR = 55Q₁ – Q₁² – Q₁Q₂ + 70Q₂ – Q₁Q₂ – 2Q₂²

TR = 55Q₁ + 70Q₂ – Q₁² – 2Q₁Q₂ – 2Q₂²

अब लाभ फलन:

π(Q₁, Q₂) = TR – C

π = (55Q₁ + 70Q₂ – Q₁² – 2Q₁Q₂ – 2Q₂²) – (Q₁² + Q₁Q₂ + Q₂²)

π = 55Q₁ + 70Q₂ – 2Q₁² – 3Q₁Q₂ – 3Q₂²

(क) प्रथम-कोटि शर्त (First Order Condition – FOC)

अधिकतम लाभ के लिए, लाभ फलन के आंशिक अवकलज Q₁ और Q₂ के सापेक्ष शून्य होने चाहिए।

∂π/∂Q₁ = 55 – 4Q₁ – 3Q₂ = 0 — (i)

∂π/∂Q₂ = 70 – 3Q₁ – 6Q₂ = 0 — (ii)

अब हम Q₁ और Q₂ के लिए इन दो रैखिक समीकरणों को हल करते हैं।

समीकरण (i) को 2 से गुणा करें:

110 – 8Q₁ – 6Q₂ = 0 — (iii)

समीकरण (iii) में से समीकरण (ii) को घटाएं:

(110 – 8Q₁ – 6Q₂) – (70 – 3Q₁ – 6Q₂) = 0

40 – 5Q₁ = 0

5Q₁ = 40 => Q₁ = 8

Q₁ = 8 को समीकरण (i) में रखें:

55 – 4(8) – 3Q₂ = 0

55 – 32 – 3Q₂ = 0

23 – 3Q₂ = 0

3Q₂ = 23 => Q₂ = 23/3 ≈ 7.67

अतः, प्रथम-कोटि शर्त को पूरा करने वाले उत्पादन स्तर हैं Q₁ = 8 और Q₂ = 23/3 ।

(ख) द्वितीय-कोटि पर्याप्त शर्त (Second Order Sufficient Condition – SOC)

अधिकतम के लिए, हमें यह जांचना होगा कि हेसियन आव्यूह (Hessian matrix) ऋणात्मक निश्चित (negative definite) है।

π₁₁ = ∂²π/∂Q₁² = -4

π₂₂ = ∂²π/∂Q₂² = -6

π₁₂ = ∂²π/(∂Q₁∂Q₂) = -3

शर्तें हैं:

1) π₁₁ < 0

2) |H| = π₁₁π₂₂ – (π₁₂)² > 0

जांच:

1) π₁₁ = -4 < 0 (शर्त पूरी हुई)

2) |H| = (-4)(-6) – (-3)² = 24 – 9 = 15 > 0 (शर्त पूरी हुई)

चूंकि दोनों शर्तें पूरी होती हैं, द्वितीय-कोटि पर्याप्त शर्त संतुष्ट है, और Q₁ = 8, Q₂ = 23/3 पर लाभ अधिकतम है।

(ग) अधिकतम लाभ का स्तर

अधिकतम लाभ की गणना के लिए Q₁ = 8 और Q₂ = 23/3 को लाभ फलन में प्रतिस्थापित करें।

π = 55Q₁ + 70Q₂ – 2Q₁² – 3Q₁Q₂ – 3Q₂²

π = 55(8) + 70(23/3) – 2(8)² – 3(8)(23/3) – 3(23/3)²

π = 440 + 1610/3 – 2(64) – 8(23) – 3(529/9)

π = 440 + 1610/3 – 128 – 184 – 529/3

π = (440 – 128 – 184) + (1610/3 – 529/3)

π = 128 + 1081/3

π = 384/3 + 1081/3

π = 1465/3 ≈ 488.33

अतः, अधिकतम लाभ 1465/3 या लगभग 488.33 है। प्रश्न 4. एक उपयुक्त उदाहरण का प्रयोग कर बहुचर फलनों के लिए श्रृंखला नियम की व्याख्या कीजिए।

उत्तर.

बहुचर फलनों के लिए श्रृंखला नियम (Chain Rule for Multivariate Functions)

श्रृंखला नियम कैलकुलस में एक मौलिक नियम है जो संयुक्त फलनों (composite functions) के अवकलज (derivative) को खोजने के लिए उपयोग किया जाता है। बहुचर मामले में, यह नियम तब लागू होता है जब हमारे पास एक फलन होता है जो कई चरों पर निर्भर करता है, और वे चर स्वयं एक या अधिक अन्य चरों के फलन होते हैं।

नियम की व्याख्या:

मान लीजिए कि z = f(x, y) एक फलन है जहाँ x और y दोनों अवकलनीय (differentiable) हैं। इसके अलावा, मान लीजिए कि x और y स्वयं एक अन्य चर t के फलन हैं, अर्थात, x = g(t) और y = h(t) । तब z भी t का एक संयुक्त फलन बन जाता है।

श्रृंखला नियम बताता है कि z का t के सापेक्ष कुल अवकलज (total derivative) इस प्रकार दिया जाता है:

इस सूत्र की व्याख्या इस प्रकार की जा सकती है:

  • t में एक छोटे से परिवर्तन से z में कुल परिवर्तन दो भागों का योग है।
  • पहला भाग First part : यह t में परिवर्तन के कारण x के माध्यम से z में होने वाले परिवर्तन की दर है। partial z/x z के x के प्रति संवेदनशीलता को मापता है, और dx/dt x के t के प्रति संवेदनशीलता को मापता है।
  • दूसरा भाग Second part : यह t में परिवर्तन के कारण y के माध्यम से z में होने वाले परिवर्तन की दर है। partial z/y z के y के प्रति संवेदनशीलता को मापता है, और dy/dt y के t के प्रति संवेदनशीलता को मापता है।

आर्थिक उदाहरण: समय के साथ उपयोगिता में परिवर्तन

एक उपयुक्त आर्थिक उदाहरण एक उपभोक्ता की उपयोगिता (utility) पर विचार करना है जो दो वस्तुओं, x और y के उपभोग पर निर्भर करती है। मान लीजिए कि उपभोक्ता की आय समय के साथ बदलती है, जिससे वस्तुओं का उपभोग भी समय का फलन बन जाता है।

1. उपयोगिता फलन (Utility Function): मान लीजिए उपभोक्ता का उपयोगिता फलन है:

U = f(x, y) = x⁰.⁵y⁰.⁵

2. समय पर निर्भर उपभोग (Consumption over Time): मान लीजिए कि उपभोक्ता की आय और प्राथमिकताएं समय (t) के साथ बदलती हैं, जिससे उपभोग का पैटर्न इस प्रकार होता है:

x(t) = 4t² (वस्तु x का उपभोग समय के साथ बढ़ता है)

y(t) = 100 – t² (वस्तु y का उपभोग समय के साथ घटता है)

प्रश्न: समय t = 2 पर उपयोगिता में परिवर्तन की दर (dU/dt) क्या है?

हल: हम श्रृंखला नियम का उपयोग करेंगे:

चरण अ: आंशिक अवकलज ज्ञात करना:

∂U/∂x = 0.5x⁻⁰.⁵y⁰.⁵

∂U/∂y = 0.5x⁰.⁵y⁻⁰.⁵

चरण ब: समय के सापेक्ष अवकलज ज्ञात करना:

dx/dt = d(4t²)/dt = 8t

dy/dt = d(100 – t²)/dt = -2t

चरण स: श्रृंखला नियम में मान रखना:

dU/dt = (0.5x⁻⁰.⁵y⁰.⁵)(8t) + (0.5x⁰.⁵y⁻⁰.⁵)(-2t)

चरण द: t = 2 पर मूल्यांकन करना:

सबसे पहले, t=2 पर x और y का मान ज्ञात करें:

x(2) = 4(2)² = 16

y(2) = 100 – (2)² = 96

अब dU/dt के व्यंजक में t=2, x=16, y=96 रखें:

dU/dt|ₜ=₂ = [0.5 (16)⁻⁰.⁵ (96)⁰.⁵] (8 2) + [0.5 (16)⁰.⁵ (96)⁻⁰.⁵] (-2 2)

dU/dt|ₜ=₂ = [0.5 (1/4) √96] (16) + [0.5 4 (1/√96)] (-4)

dU/dt|ₜ=₂ = [0.125 4√6] 16 + [2 (1/4√6)] (-4)

dU/dt|ₜ=₂ = (0.5√6) * 16 – (8 / (4√6))

dU/dt|ₜ=₂ = 8√6 – 2/√6

dU/dt|ₜ=₂ = 8√6 – (2√6 / 6)

dU/dt|ₜ=₂ = 8√6 – √6/3

dU/dt|ₜ=₂ = (24√6 – √6)/3 = 23√6 / 3 ≈ 18.78

निष्कर्ष: इस उदाहरण में, श्रृंखला नियम हमें यह समझने में मदद करता है कि जब अंतर्निहित आर्थिक स्थितियाँ (जैसे आय या प्राथमिकताएँ, जो यहाँ t द्वारा दर्शाई गई हैं) बदलती हैं तो उपभोक्ता की कुल संतुष्टि (उपयोगिता) कैसे बदलती है। t=2 पर, उपयोगिता लगभग 18.78 इकाई प्रति समय इकाई की दर से बढ़ रही है। प्रश्न 5. निम्नलिखित का विलोम आकलित कीजिए : B =

उत्तर. एक आव्यूह B का विलोम (inverse), B⁻¹, सूत्र द्वारा दिया जाता है:

B⁻¹ = (1/|B|) * adj(B)

जहाँ |B| आव्यूह B का सारणिक (determinant) है और adj(B) B का सहखंडज आव्यूह (adjugate matrix) है।

दिया गया आव्यूह:

B =

चरण 1: सारणिक |B| की गणना करें।

हम पहली पंक्ति के साथ विस्तार करते हैं:

|B| = 4

– 1

+ (-1) *

|B| = 4 ((3)(7) – (2)(0)) – 1 ((0)(7) – (2)(3)) – 1 * ((0)(0) – (3)(3))

|B| = 4 (21 – 0) – 1 (0 – 6) – 1 * (0 – 9)

|B| = 4(21) – 1(-6) – 1(-9)

|B| = 84 + 6 + 9

|B| = 99

चूंकि |B| ≠ 0 है, विलोम मौजूद है।

चरण 2: सह-गुणकों (Cofactors) का आव्यूह ज्ञात करें।

सह-गुणक Cᵢⱼ = (-1)ⁱ⁺ʲ * Mᵢⱼ, जहाँ Mᵢⱼ उपसारणिक (minor) है।

C₁₁ = (-1)¹⁺¹ = 1 * (21 – 0) = 21

C₁₂ = (-1)¹⁺² = -1 * (0 – 6) = 6

C₁₃ = (-1)¹⁺³ = 1 * (0 – 9) = -9

C₂₁ = (-1)²⁺¹ = -1 * (7 – 0) = -7

C₂₂ = (-1)²⁺² = 1 * (28 – (-3)) = 31

C₂₃ = (-1)²⁺³ = -1 * (0 – 3) = 3

C₃₁ = (-1)³⁺¹ = 1 * (2 – (-3)) = 5

C₃₂ = (-1)³⁺² = -1 * (8 – 0) = -8

C₃₃ = (-1)³⁺³ = 1 * (12 – 0) = 12

सह-गुणकों का आव्यूह है:

C =

चरण 3: सहखंडज आव्यूह adj(B) ज्ञात करें।

adj(B) सह-गुणक आव्यूह C का परिवर्त (transpose) है।

adj(B) = Cᵀ =

चरण 4: विलोम आव्यूह B⁻¹ की गणना करें।

B⁻¹ = (1/|B|) * adj(B)

B⁻¹ = (1/99) *

अतः, B का विलोम है:

B⁻¹ = =

प्रश्न 6. निम्नलिखित फलनों के सकल अवकलन (total differential) ज्ञात कीजिए : (क) y = x₁² / (x₂x₃) (ख) y = x₁ / (x₁ + x₂)

उत्तर. किसी फलन y = f(x₁, x₂, …, xₙ) का सकल अवकलन (total differential), dy, चरों में छोटे परिवर्तनों के कारण फलन के मान में कुल परिवर्तन का अनुमान लगाता है। इसका सूत्र है:

dy = (∂y/∂x₁)dx₁ + (∂y/∂x₂)dx₂ + … + (∂y/∂xₙ)dxₙ

(क) y = x₁² / (x₂x₃)

हमें y के आंशिक अवकलज (partial derivatives) x₁, x₂, और x₃ के सापेक्ष ज्ञात करने होंगे।

1. x₁ के सापेक्ष आंशिक अवकलज:

∂y/∂x₁ = (2x₁)/(x₂x₃)

2. x₂ के सापेक्ष आंशिक अवकलज:

y = x₁²x₂⁻¹x₃⁻¹

∂y/∂x₂ = x₁²(-1)x₂⁻²x₃⁻¹ = -x₁² / (x₂²x₃)

3. x₃ के सापेक्ष आंशिक अवकलज:

∂y/∂x₃ = x₁²x₂⁻¹(-1)x₃⁻² = -x₁² / (x₂x₃²)

अब, इन आंशिक अवकलजों को सकल अवकलन के सूत्र में रखें:

dy = (∂y/∂x₁)dx₁ + (∂y/∂x₂)dx₂ + (∂y/∂x₃)dx₃

dy = [2x₁ / (x₂x₃)] dx₁ – [x₁² / (x₂²x₃)] dx₂ – [x₁² / (x₂x₃²)] dx₃

(ख) y = x₁ / (x₁ + x₂)

हमें y के आंशिक अवकलज x₁ और x₂ के सापेक्ष ज्ञात करने होंगे। हम भागफल नियम (quotient rule) का उपयोग करेंगे: d(u/v) = (v(du) – u(dv)) / v²

1. x₁ के सापेक्ष आंशिक अवकलज:

u = x₁, v = x₁ + x₂

∂y/∂x₁ = [(x₁ + x₂)(1) – x₁(1)] / (x₁ + x₂)²

∂y/∂x₁ = [x₁ + x₂ – x₁] / (x₁ + x₂)²

∂y/∂x₁ = x₂ / (x₁ + x₂)²

2. x₂ के सापेक्ष आंशिक अवकलज:

u = x₁, v = x₁ + x₂

∂y/∂x₂ = [(x₁ + x₂)(0) – x₁(1)] / (x₁ + x₂)²

∂y/∂x₂ = -x₁ / (x₁ + x₂)²

अब, इन आंशिक अवकलजों को सकल अवकलन के सूत्र में रखें:

dy = (∂y/∂x₁)dx₁ + (∂y/∂x₂)dx₂

dy = [x₂ / (x₁ + x₂)²] dx₁ – [x₁ / (x₁ + x₂)²] dx₂

इसे इस रूप में भी लिखा जा सकता है:

dy = (1 / (x₁ + x₂)²) * (x₂dx₁ – x₁dx₂)

प्रश्न 7. निम्नलिखित संकल्पनाओं की व्याख्या कीजिए : (क) प्रतिपूरित माँग फलन (Compensated Demand Function) (ख) शेफर्ड का उपप्रमेय (Shephard’s Lemma)

उत्तर.

(क) प्रतिपूरित माँग फलन (Compensated Demand Function)

प्रतिपूरित माँग फलन, जिसे हिक्सियन माँग फलन (Hicksian Demand Function) भी कहा जाता है, सूक्ष्मअर्थशास्त्र में एक महत्वपूर्ण अवधारणा है। यह दर्शाता है कि एक उपभोक्ता किसी वस्तु की कितनी मात्रा की माँग करेगा, यदि वस्तु की कीमत में परिवर्तन के बाद उसे इस तरह से “प्रतिपूरित” (compensated) किया जाता है कि वह अपनी मूल उपयोगिता (utility) के स्तर पर बना रहे।

मुख्य विशेषताएँ:

  • उपयोगिता को स्थिर रखना: साधारण (मार्शलियन) मांग फलन के विपरीत, जो आय को स्थिर रखता है, प्रतिपूरित मांग फलन उपयोगिता को स्थिर रखता है।
  • व्यय न्यूनीकरण से व्युत्पन्न: यह उपभोक्ता की व्यय न्यूनीकरण समस्या (expenditure minimization problem) का हल है। उपभोक्ता एक निश्चित उपयोगिता स्तर (U) को प्राप्त करने के लिए न्यूनतम संभव व्यय (E) करना चाहता है। Minimize E = PₓX + PᵧY Subject to U(X, Y) = U* (एक स्थिर उपयोगिता स्तर)
  • केवल प्रतिस्थापन प्रभाव: चूंकि कीमत परिवर्तन के बाद उपभोक्ता की वास्तविक आय (उपयोगिता के रूप में) स्थिर रहती है, प्रतिपूरित मांग वक्र केवल प्रतिस्थापन प्रभाव (substitution effect) को दर्शाता है। इसमें आय प्रभाव (income effect) शामिल नहीं होता है।
  • ढलान: इसके परिणामस्वरूप, प्रतिपूरित मांग वक्र हमेशा नीचे की ओर झुका हुआ होता है (कीमत और मात्रा के बीच एक ऋणात्मक संबंध), यहां तक कि गिफेन वस्तुओं (Giffen goods) के लिए भी, क्योंकि प्रतिस्थापन प्रभाव हमेशा ऋणात्मक होता है।
  • गणितीय रूप: इसे hᵢ(P, U) के रूप में दर्शाया जाता है, जिसका अर्थ है कि वस्तु i की प्रतिपूरित मांग सभी कीमतों (P) और एक निश्चित उपयोगिता स्तर (U) का एक फलन है।

संक्षेप में, प्रतिपूरित मांग फलन एक सैद्धांतिक निर्माण है जो कीमत परिवर्तन के शुद्ध प्रतिस्थापन प्रभाव को अलग करने में मदद करता है।

(ख) शेफर्ड का उपप्रमेय (Shephard’s Lemma)

शेफर्ड का उपप्रमेय व्यय फलन और प्रतिपूरित मांग फलन के बीच एक शक्तिशाली और सीधा संबंध स्थापित करता है। यह द्वैत सिद्धांत (duality theory) का एक प्रमुख परिणाम है, जो उपयोगिता अधिकतमीकरण और व्यय न्यूनीकरण समस्याओं को जोड़ता है।

उपप्रमेय का कथन:

शेफर्ड का उपप्रमेय कहता है कि यदि एक उपभोक्ता का व्यय फलन e(P, U) कीमतों (P) के संबंध में अवकलनीय (differentiable) है, तो वस्तु i के लिए प्रतिपूरित (हिक्सियन) मांग फलन उस व्यय फलन का वस्तु i की कीमत (Pᵢ) के सापेक्ष आंशिक अवकलज (partial derivative) होता है।

गणितीय रूप से:

hᵢ(P, U) = ∂e(P, U) / ∂Pᵢ

जहाँ:

  • hᵢ(P, U) वस्तु i के लिए प्रतिपूरित मांग फलन है।
  • e(P, U) एक निश्चित उपयोगिता स्तर U और कीमतों P के दिए गए सेट पर उस उपयोगिता को प्राप्त करने के लिए आवश्यक न्यूनतम व्यय है।
  • ∂e(P, U) / ∂Pᵢ कीमतों के सदिश P में i-वें घटक के संबंध में व्यय फलन का आंशिक अवकलज है।

महत्व और उपयोग:

  • मांग फलनों की व्युत्पत्ति: यदि हम किसी उपभोक्ता के व्यय फलन को जानते हैं, तो हम शेफर्ड के उपप्रमेय का उपयोग करके सीधे उनके प्रतिपूरित मांग फलनों को प्राप्त कर सकते हैं। यह एक बहुत ही सुविधाजनक तरीका है।
  • द्वैत संबंध: यह प्रमेय उपयोगिता और व्यय के बीच द्वैत संबंध को उजागर करता है। जिस तरह रॉय की प्रमेय (Roy’s Identity) अप्रत्यक्ष उपयोगिता फलन से मार्शलियन मांग को प्राप्त करती है, उसी तरह शेफर्ड का उपप्रमेय व्यय फलन से हिक्सियन मांग को प्राप्त करता है।
  • कल्याणकारी अर्थशास्त्र में अनुप्रयोग: चूंकि प्रतिपूरित मांग वक्र कल्याणकारी परिवर्तनों (जैसे समतुल्य भिन्नता और प्रतिपूरक भिन्नता) को मापने के लिए आधार प्रदान करते हैं, शेफर्ड का उपप्रमेय इन मापों की गणना के लिए एक महत्वपूर्ण उपकरण है।

प्रश्न 8. यदि उपयोगिता फलन u = ax + by + cxy हो, तो दो वस्तुओं x और y की सीमांत उपयोगिताओं का अनुपात ज्ञात कीजिए।

उत्तर. दिया गया उपयोगिता फलन है:

u(x, y) = ax + by + cxy

जहाँ a, b, और c स्थिरांक हैं।

किसी वस्तु की सीमांत उपयोगिता (Marginal Utility – MU) उस वस्तु की एक अतिरिक्त इकाई के उपभोग से कुल उपयोगिता में होने वाला परिवर्तन है, जबकि दूसरी वस्तु की मात्रा स्थिर रहती है। इसकी गणना उपयोगिता फलन के आंशिक अवकलज द्वारा की जाती है।

1. वस्तु x की सीमांत उपयोगिता (MUₓ) ज्ञात करना:

MUₓ की गणना u को x के सापेक्ष आंशिक रूप से अवकलित करके की जाती है, जबकि y को एक स्थिरांक माना जाता है।

MUₓ = ∂u/∂x = ∂(ax + by + cxy)/∂x

MUₓ = ∂(ax)/∂x + ∂(by)/∂x + ∂(cxy)/∂x

MUₓ = a 1 + 0 + cy 1

MUₓ = a + cy

2. वस्तु y की सीमांत उपयोगिता (MUᵧ) ज्ञात करना:

MUᵧ की गणना u को y के सापेक्ष आंशिक रूप से अवकलित करके की जाती है, जबकि x को एक स्थिरांक माना जाता है।

MUᵧ = ∂u/∂y = ∂(ax + by + cxy)/∂y

MUᵧ = ∂(ax)/∂y + ∂(by)/∂y + ∂(cxy)/∂y

MUᵧ = 0 + b 1 + cx 1

MUᵧ = b + cx

3. सीमांत उपयोगिताओं का अनुपात ज्ञात करना:

दो वस्तुओं x और y की सीमांत उपयोगिताओं का अनुपात MUₓ / MUᵧ है। यह प्रतिस्थापन की सीमांत दर (Marginal Rate of Substitution – MRS) के बराबर भी है।

अनुपात = MUₓ / MUᵧ

MUₓ और MUᵧ के लिए प्राप्त व्यंजकों को प्रतिस्थापित करने पर:

अनुपात (MRSₓᵧ) = (a + cy) / (b + cx)

अतः, दो वस्तुओं x और y की सीमांत उपयोगिताओं का अनुपात (a + cy) / (b + cx) है। यह अनुपात x और y की उपभोग की गई मात्रा पर निर्भर करता है, जिसका अर्थ है कि प्रतिस्थापन की सीमांत दर स्थिर नहीं है और उदासीनता वक्र (indifference curve) के साथ बदलती है। प्रश्न 9. यदि: u’ = [5, 1, 3] v’ = [3, 1, -1] w’ = [7, 5, 8] x = [x₁, x₂, x₃] तो आकलन कीजिए : (क) u’v (ख) w’x

उत्तर. दिए गए प्रश्न में, u’, v’, और w’ को पंक्ति सदिश (row vectors) के रूप में दर्शाया गया है। x को भी एक सदिश के रूप में दर्शाया गया है। संकेतन ‘u’v’ का अर्थ आमतौर पर दो सदिशों u और v का अदिश गुणनफल (dot product or inner product) होता है। हम यह मान लेंगे कि ‘v’ और ‘x’ यहाँ स्तंभ सदिश (column vectors) हैं, क्योंकि एक पंक्ति सदिश और एक स्तंभ सदिश का गुणनफल एक अदिश राशि (scalar) होता है, जो अदिश गुणनफल के समान है।

यदि u’=[u₁, u₂, u₃] एक पंक्ति सदिश है और v= एक स्तंभ सदिश है, तो उनका गुणनफल u’v = u₁v₁ + u₂v₂ + u₃v₃ होता है।

दिए गए सदिश:

u’ = [5, 1, 3]

v = (v’=[3,1,-1] का परिवर्त)

w’ = [7, 5, 8]

x = ([x₁, x₂, x₃] का परिवर्त)

(क) u’v की गणना

u’v दो सदिशों u और v के अदिश गुणनफल के बराबर है।

u’v = [5, 1, 3] *

u’v = (5 3) + (1 1) + (3 * -1)

u’v = 15 + 1 – 3

u’v = 13

(ख) w’x की गणना

w’x दो सदिशों w और x के अदिश गुणनफल के बराबर है।

w’x = [7, 5, 8] *

w’x = (7 x₁) + (5 x₂) + (8 * x₃)

w’x = 7x₁ + 5x₂ + 8x₃

यह परिणाम एक रैखिक व्यंजक (linear expression) है क्योंकि सदिश x में चर (variables) हैं। अर्थशास्त्र में, इस तरह की गणना का उपयोग अक्सर बजट बाधा (जैसे p’x = M) या एक रैखिक फलन के मान की गणना करने के लिए किया जाता है। प्रश्न 10. निम्नलिखित अवकल समीकरण को हल कीजिए : (d²/dt²) + (dy/dt) + y = 0

उत्तर. दिया गया समीकरण एक द्वितीय-कोटि, रैखिक, समरूप अवकल समीकरण है जिसके गुणांक स्थिर हैं।

y” + y’ + y = 0

इस प्रकार के समीकरण को हल करने के लिए, हम अभिलाक्षणिक समीकरण (characteristic equation) का उपयोग करते हैं। हम y = eʳᵗ को एक संभावित हल मानते हैं, जिससे y’ = reʳᵗ और y” = r²eʳᵗ प्राप्त होता है। इन मानों को मूल समीकरण में प्रतिस्थापित करने पर:

r²eʳᵗ + reʳᵗ + eʳᵗ = 0

eʳᵗ(r² + r + 1) = 0

चूंकि eʳᵗ कभी भी शून्य नहीं हो सकता, हमें अभिलाक्षणिक समीकरण को हल करना होगा:

r² + r + 1 = 0

यह एक द्विघात समीकरण है जिसे हम द्विघात सूत्र का उपयोग करके हल कर सकते हैं:

r = [-b ± √(b² – 4ac)] / 2a

जहाँ a = 1, b = 1, और c = 1 है।

r = [-1 ± √(1² – 4 1 1)] / (2*1)

r = [-1 ± √(1 – 4)] / 2

r = [-1 ± √(-3)] / 2

r = [-1 ± i√3] / 2

हमें दो सम्मिश्र (complex) संयुग्मी मूल (conjugate roots) प्राप्त होते हैं:

r₁ = -1/2 + i(√3/2)

r₂ = -1/2 – i(√3/2)

जब अभिलाक्षणिक समीकरण के मूल सम्मिश्र होते हैं और α ± iβ के रूप में होते हैं, तो अवकल समीकरण का सामान्य हल (general solution) इस प्रकार दिया जाता है:

y(t) = e^(αt) * (A cos(βt) + B sin(βt))

हमारे मामले में, α = -1/2 और β = √3/2।

इन मानों को सामान्य हल के सूत्र में रखने पर, हमें प्राप्त होता है:

y(t) = e^(-t/2) [A cos(√3/2 t) + B sin(√3/2 * t)]

जहाँ A और B दो मनमाने स्थिरांक (arbitrary constants) हैं। इन स्थिरांकों का मान प्रारंभिक स्थितियों (initial conditions) के आधार पर निर्धारित किया जा सकता है, यदि वे दी गई हों। यह हल एक अवमंदित दोलन (damped oscillation) का प्रतिनिधित्व करता है, जहाँ e^(-t/2) पद के कारण दोलनों का आयाम समय के साथ घटता जाता है। प्रश्न 11. जाँच कीजिए कि क्या निम्नलिखित फलन समघात हैं-यदि हाँ, तो किस कोटि के? (क) f(x, y) = x³ – xy⁵/² (ख) f(x, y, w) = x⁴ – 5yw³

उत्तर. एक फलन f(x₁, x₂, …) को कोटि k का समघात (homogeneous of degree k) कहा जाता है यदि किसी भी अदिश राशि λ > 0 के लिए, निम्नलिखित शर्त पूरी होती है:

f(λx₁, λx₂, …) = λᵏ * f(x₁, x₂, …)

(क) f(x, y) = x³ – xy⁵/²

इस फलन की समरूपता की जांच करने के लिए, हम x को λx और y को λy से प्रतिस्थापित करते हैं:

f(λx, λy) = (λx)³ – (λx)(λy)⁵/²

f(λx, λy) = λ³x³ – λ x λ⁵/² * y⁵/²

f(λx, λy) = λ³x³ – λ¹⁺⁵/² * xy⁵/²

f(λx, λy) = λ³x³ – λ⁷/² * xy⁵/²

इस व्यंजक से λ की कोई एक घात (power) को पूरी तरह से बाहर नहीं निकाला जा सकता है ताकि यह λᵏ * f(x, y) के रूप में हो।

λ³x³ – λ⁷/²xy⁵/² ≠ λᵏ (x³ – xy⁵/²) किसी भी k के लिए।

इसका कारण यह है कि पहले पद (x³) की घात 3 है, जबकि दूसरे पद (xy⁵/²) की घात 1 + 5/2 = 7/2 है। चूंकि पदों की घात अलग-अलग हैं, इसलिए फलन समघात नहीं है।

निष्कर्ष: फलन f(x, y) = x³ – xy⁵/² समघात नहीं है।

(ख) f(x, y, w) = x⁴ – 5yw³

इस फलन की समरूपता की जांच करने के लिए, हम x को λx, y को λy, और w को λw से प्रतिस्थापित करते हैं:

f(λx, λy, λw) = (λx)⁴ – 5(λy)(λw)³

f(λx, λy, λw) = λ⁴x⁴ – 5(λy)(λ³w³)

f(λx, λy, λw) = λ⁴x⁴ – 5λ¹⁺³yw³

f(λx, λy, λw) = λ⁴x⁴ – 5λ⁴yw³

अब हम व्यंजक से λ⁴ को कॉमन ले सकते हैं:

f(λx, λy, λw) = λ⁴(x⁴ – 5yw³)

चूंकि f(x, y, w) = x⁴ – 5yw³, हम लिख सकते हैं:

f(λx, λy, λw) = λ⁴ * f(x, y, w)

यह समघात फलन की परिभाषा को संतुष्ट करता है, जहाँ k = 4 है। यह इसलिए संभव हुआ क्योंकि फलन के प्रत्येक पद की घात समान है:

  • पहले पद (x⁴) की घात 4 है।
  • दूसरे पद (-5yw³) की घात y की घात (1) और w की घात (3) का योग है, अर्थात 1 + 3 = 4।

निष्कर्ष: फलन f(x, y, w) = x⁴ – 5yw³ कोटि 4 का एक समघात फलन है।

प्रश्न 12. निम्नलिखित पर संक्षिप्त टिप्पणियाँ लिखिए : (क) सदिश वितान (Vector Space) (ख) समस्थित फलन (Homothetic Functions)

उत्तर.

(क) सदिश वितान (Vector Space)

एक सदिश वितान (या रैखिक वितान) एक गणितीय संरचना है जो सदिशों (vectors) के एक समुच्चय (set) V, एक क्षेत्र (field) F के अदिशों (scalars) के समुच्चय, और दो संक्रियाओं – सदिश योग और अदिश गुणन – से मिलकर बनती है। यह संरचना रैखिक बीजगणित का आधार है और इसके गुण कई गणितीय और भौतिक अवधारणाओं को सामान्य बनाने की अनुमति देते हैं।

एक समुच्चय V को एक क्षेत्र F पर एक सदिश वितान कहा जाता है यदि यह निम्नलिखित दस अभिगृहीतों (axioms) को संतुष्ट करता है:

सदिश योग के लिए अभिगृहीत (u, v, w ∈ V):

  1. योग के तहत संवरक (Closure under addition): यदि u और v, V में हैं, तो u + v भी V में है।
  2. योग की सहचारिता (Associativity of addition): (u + v) + w = u + (v + w).
  3. योग की क्रमविनिमेयता (Commutativity of addition): u + v = v + u.
  4. योगात्मक तत्समक का अस्तित्व (Existence of additive identity): V में एक शून्य सदिश 0 होता है जैसे कि सभी u ∈ V के लिए u + 0 = u.
  5. योगात्मक प्रतिलोम का अस्तित्व (Existence of additive inverse): प्रत्येक u ∈ V के लिए, V में एक सदिश -u होता है जैसे कि u + (-u) = 0 .

अदिश गुणन के लिए अभिगृहीत (a, b ∈ F और u, v ∈ V):

  1. अदिश गुणन के तहत संवरक (Closure under scalar multiplication): यदि a एक अदिश है और u, V में एक सदिश है, तो au भी V में है।
  2. अदिशों पर सदिश योग का वितरण (Distributivity): a(u + v) = au + av.
  3. सदिशों पर अदिश योग का वितरण (Distributivity): (a + b)u = au + bu.
  4. अदिश गुणन की सहचारिता (Associativity of scalar multiplication): a(bu) = (ab)u.
  5. अदिश गुणन तत्समक (Scalar multiplication identity): क्षेत्र F के गुणात्मक तत्समक 1 के लिए, 1u = u.

सबसे सामान्य उदाहरण ℝⁿ है, जो n-टपल के सभी वास्तविक सदिशों का समुच्चय है, जो वास्तविक संख्याओं के क्षेत्र पर एक सदिश वितान बनाता है। अर्थशास्त्र में, वस्तु बंडलों का समुच्चय, मूल्य सदिशों का समुच्चय आदि अक्सर सदिश वितान के रूप में माने जाते हैं।

(ख) समस्थित फलन (Homothetic Functions)

एक समस्थित फलन एक समघात फलन (homogeneous function) का एक सामान्यीकरण है। एक फलन को समस्थित कहा जाता है यदि यह एक समघात फलन का एक धनात्मक एकदिष्ट रूपांतरण (positive monotonic transformation) है।

परिभाषा:

एक फलन H(x) समस्थित है यदि इसे H(x) = g(f(x)) के रूप में लिखा जा सकता है, जहाँ:

  • f(x) एक समघात फलन है।
  • g(z) एक धनात्मक, निरंतर अवकलनीय, और सख्ती से बढ़ती हुई (strictly increasing) फलन है, अर्थात g'(z) > 0।

मुख्य गुण और आर्थिक महत्व:

समस्थित फलनों का सबसे महत्वपूर्ण गुण, विशेष रूप से उपयोगिता और उत्पादन सिद्धांत में, यह है कि उनका प्रतिस्थापन की सीमांत दर (Marginal Rate of Substitution – MRS) या तकनीकी प्रतिस्थापन की सीमांत दर (Marginal Rate of Technical Substitution – MRTS) केवल आगतों के अनुपात पर निर्भर करता है, न कि उनके निरपेक्ष स्तर पर।

यदि उपयोगिता फलन U(x₁, x₂) समस्थित है, तो:

MRS = MU₁/MU₂ = h(x₁/x₂)

इसका मतलब यह है कि मूल-बिंदु से निकलने वाली किसी भी किरण (ray) के साथ (जहाँ x₁/x₂ स्थिर है), उदासीनता वक्रों (indifference curves) का ढलान समान होता है।

आर्थिक निहितार्थ:

  1. रैखिक विस्तार पथ (Linear Expansion Paths): समस्थित प्राथमिकताओं वाले उपभोक्ता के लिए या समस्थित उत्पादन फलन वाली फर्म के लिए, विस्तार पथ (आय-उपभोग वक्र या उत्पादन विस्तार पथ) मूल-बिंदु से एक सीधी रेखा होती है। इसका मतलब है कि जैसे-जैसे आय या बजट बढ़ता है, उपभोक्ता सभी वस्तुओं का उपभोग उसी अनुपात में बढ़ाता है।
  2. उदासीनता वक्रों का आकार: एक समस्थित फलन के सभी उदासीनता वक्र एक दूसरे के “रेडियल ब्लो-अप” (radial blow-ups) होते हैं। वे मूल-बिंदु से बाहर की ओर जाने पर आकार बदलते हैं, लेकिन उनका आकार (ढलान का पैटर्न) समान रहता है।
  3. मांग पर प्रभाव: समस्थित उपयोगिता फलन के लिए, प्रत्येक वस्तु पर खर्च किया गया आय का अंश केवल कीमतों पर निर्भर करता है, आय पर नहीं।

उदाहरण: यदि f(L, K) = L⁰.⁵K⁰.⁵ एक समघात उत्पादन फलन है, तो H(L, K) = [ln(L⁰.⁵K⁰.⁵) + 5]³ एक समस्थित फलन है, क्योंकि यह f का एकदिष्ट रूपांतरण है।

IGNOU BECC-104 Previous Year Solved Question Paper in English

Q1. (a) Find the solution of the following equation system using Cramer’s rule : 7x₁ − x₂ − x₃ = 0 10x₁ − 2x₂ + x₃ = 8 6x₁ + 3x₂ − 2x₃ = 7 (b) Define the concept of orthogonality of vectors.

Ans. (a) To solve the given system of equations using Cramer’s rule, we first need to find the determinant of the coefficient matrix. The given system of equations is: 7x₁ − x₂ − x₃ = 0 10x₁ − 2x₂ + x₃ = 8 6x₁ + 3x₂ − 2x₃ = 7 This can be written in matrix form AX = B, where: A = Coefficient Matrix A , X = Variable Matrix X , B = Constant Matrix B Step 1: Calculate the determinant of the coefficient matrix A, denoted as |A|. |A| = 7((-2)(-2) – (1)(3)) – (-1)( (10)(-2) – (1)(6) ) + (-1)( (10)(3) – (-2)(6) ) |A| = 7(4 – 3) + 1(-20 – 6) – 1(30 + 12) |A| = 7(1) + (-26) – 42 |A| = 7 – 26 – 42 = -61 Since |A| ≠ 0, a unique solution exists. Step 2: Calculate the determinants |A₁|, |A₂|, and |A₃|. To find |A₁|, replace the first column of A with B: |A₁| = Determinant A1 = 0 – (-1)((8)(-2) – (1)(7)) + (-1)((8)(3) – (-2)(7)) |A₁| = 1(-16 – 7) – 1(24 + 14) = -23 – 38 = -61 To find |A₂|, replace the second column of A with B: |A₂| = Determinant A2 = 7((8)(-2) – (1)(7)) – 0 + (-1)((10)(7) – (8)(6)) |A₂| = 7(-16 – 7) – (70 – 48) = 7(-23) – 22 = -161 – 22 = -183 To find |A₃|, replace the third column of A with B: |A₃| = Determinant A3 = 7((-2)(7) – (8)(3)) – (-1)((10)(7) – (8)(6)) + 0 |A₃| = 7(-14 – 24) + 1(70 – 48) = 7(-38) + 22 = -266 + 22 = -244 Step 3: Find the values of the variables. According to Cramer’s rule: x₁ = |A₁| / |A| = -61 / -61 = 1 x₂ = |A₂| / |A| = -183 / -61 = 3 x₃ = |A₃| / |A| = -244 / -61 = 4 Thus, the solution to the system is x₁ = 1, x₂ = 3, and x₃ = 4 . (b) Concept of Orthogonality of Vectors The orthogonality of vectors is a fundamental concept in linear algebra. Two vectors are said to be orthogonal if they are perpendicular to each other, i.e., the angle between them is 90 degrees. Mathematically, the orthogonality of two non-zero vectors is defined through their dot product (or scalar product) . Definition: Let u and v be two vectors in an n-dimensional Euclidean space ℝⁿ. u = (u₁, u₂, …, uₙ) v = (v₁, v₂, …, vₙ) These two vectors u and v are said to be orthogonal if and only if their dot product is zero. u ⋅ v = 0 The dot product is calculated as: u ⋅ v = u₁v₁ + u₂v₂ + … + uₙvₙ = Summation formula Thus, u and v are orthogonal if Summation equals zero Geometric Interpretation: Geometrically, the dot product is related to the angle (θ) between the two vectors: u ⋅ v = ||u|| ||v|| cos(θ) Where ||u|| and ||v|| are the magnitudes (or lengths) of the vectors u and v, respectively. If u ⋅ v = 0, and both u and v are non-zero vectors, then: ||u|| ||v|| cos(θ) = 0 cos(θ) = 0 This implies that θ = 90° or π/2 radians. This means the vectors are perpendicular to each other. Example: Consider two vectors in ℝ³: u = (2, 3, -1) v = (4, -2, 2) Their dot product is: u ⋅ v = (2)(4) + (3)(-2) + (-1)(2) = 8 – 6 – 2 = 0 Since u ⋅ v = 0, the vectors u and v are orthogonal.

Q2. Given production function Q = 2L¹ᐟ²K¹ᐟ², where L stands for labour and K stands for capital. Find : (a) Marginal product of two factors (b) Nature of returns to scale (c) If total production is exhausted or not

Ans. The given production function is of the Cobb-Douglas type: Q = 2L¹ᐟ²K¹ᐟ². (a) Marginal product of two factors The marginal product of a factor is the change in total output resulting from employing one additional unit of that factor, holding other factors constant. It is calculated by taking the partial derivative of the production function. 1. Marginal Product of Labour (MPL): MPL is found by partially differentiating Q with respect to L, holding K constant. MPL = ∂Q/∂L = ∂(2L¹ᐟ²K¹ᐟ²)/∂L MPL = 2 (1/2) L⁽¹ᐟ²⁻¹⁾ * K¹ᐟ² MPL = L⁻¹ᐟ²K¹ᐟ² MPL = K¹ᐟ²/L¹ᐟ² = (K/L)¹ᐟ² 2. Marginal Product of Capital (MPK): MPK is found by partially differentiating Q with respect to K, holding L constant. MPK = ∂Q/∂K = ∂(2L¹ᐟ²K¹ᐟ²)/∂K MPK = 2 L¹ᐟ² (1/2) * K⁽¹ᐟ²⁻¹⁾ MPK = L¹ᐟ²K⁻¹ᐟ² MPK = L¹ᐟ²/K¹ᐟ² = (L/K)¹ᐟ² (b) Nature of returns to scale Returns to scale describe what happens to output when all inputs are increased by the same proportion. To check this, we multiply all inputs (L and K) by a constant factor λ (where λ > 1). New output, Q’ = f(λL, λK) Q’ = 2(λL)¹ᐟ²(λK)¹ᐟ² Q’ = 2 λ¹ᐟ² L¹ᐟ² λ¹ᐟ² K¹ᐟ² Q’ = λ⁽¹ᐟ²⁺¹ᐟ²⁾ * (2L¹ᐟ²K¹ᐟ²) Q’ = λ¹ * Q Since Q’ = λQ, the output increases by exactly the same proportion (λ) as the inputs were increased. This is a homogeneous function of degree 1. When a production function is homogeneous of degree 1, it exhibits Constant Returns to Scale (CRS) . This means if you double all your inputs, your output will also exactly double. (c) If total production is exhausted or not (Product Exhaustion Theorem) The product exhaustion theorem, also known as the economic application of Euler’s Theorem, addresses whether the total output is fully distributed when factors are paid their marginal products. According to Euler’s theorem, if a function f(x₁, x₂) is homogeneous of degree k, then: x₁ (∂f/∂x₁) + x₂ (∂f/∂x₂) = k * f(x₁, x₂) In our case, the production function Q(L, K) is homogeneous of degree 1 (k=1). Therefore, according to Euler’s theorem: L (∂Q/∂L) + K (∂Q/∂K) = 1 * Q L MPL + K MPK = Q Let’s verify this with our calculated marginal products: LHS = L (K¹ᐟ²/L¹ᐟ²) + K (L¹ᐟ²/K¹ᐟ²) LHS = L¹⁻¹ᐟ² K¹ᐟ² + K¹⁻¹ᐟ² L¹ᐟ² LHS = L¹ᐟ²K¹ᐟ² + K¹ᐟ²L¹ᐟ² LHS = 2L¹ᐟ²K¹ᐟ² And since the original production function is Q = 2L¹ᐟ²K¹ᐟ², we see that: LHS = Q = RHS This means that if labor is paid a wage equal to its marginal product (MPL) and capital is paid a return equal to its marginal product (MPK), the sum of these payments will be exactly equal to the total output (Q). Therefore, yes, the total product is exhausted . This is known as the product exhaustion theorem and it holds under constant returns to scale.

Q3. If a two-product firm faces the demand and cost functions given below : Q₁ = 40 – 2P₁ + P₂ Q₂ = 15 + P₁ – P₂ C = Q₁² + Q₁Q₂ + Q₂² (a) Find the output levels that satisfy first order condition for maximum profit. (b) Check the second order sufficient condition. (c) Find the maximum profit level.

Ans. To maximize profit, the firm needs to express the profit function (π) as a function of Q₁ and Q₂ and then find the values of Q₁ and Q₂ that maximize it. Profit (π) = Total Revenue (TR) – Total Cost (TC) π = (P₁Q₁ + P₂Q₂) – (Q₁² + Q₁Q₂ + Q₂²) Step 1: Express P₁ and P₂ in terms of Q₁ and Q₂ (Inverse Demand Functions). We have: 1) Q₁ = 40 – 2P₁ + P₂ 2) Q₂ = 15 + P₁ – P₂ From equation (2), express P₁: P₁ = Q₂ + P₂ – 15 Substitute this into equation (1): Q₁ = 40 – 2(Q₂ + P₂ – 15) + P₂ Q₁ = 40 – 2Q₂ – 2P₂ + 30 + P₂ Q₁ = 70 – 2Q₂ – P₂ => P₂ = 70 – Q₁ – 2Q₂ Now substitute this expression for P₂ back into the expression for P₁: P₁ = Q₂ + (70 – Q₁ – 2Q₂) – 15 => P₁ = 55 – Q₁ – Q₂ Step 2: Write the profit function in terms of Q₁ and Q₂. TR = P₁Q₁ + P₂Q₂ TR = (55 – Q₁ – Q₂)Q₁ + (70 – Q₁ – 2Q₂)Q₂ TR = 55Q₁ – Q₁² – Q₁Q₂ + 70Q₂ – Q₁Q₂ – 2Q₂² TR = 55Q₁ + 70Q₂ – Q₁² – 2Q₁Q₂ – 2Q₂² Now the profit function: π(Q₁, Q₂) = TR – C π = (55Q₁ + 70Q₂ – Q₁² – 2Q₁Q₂ – 2Q₂²) – (Q₁² + Q₁Q₂ + Q₂²) π = 55Q₁ + 70Q₂ – 2Q₁² – 3Q₁Q₂ – 3Q₂² (a) First-Order Condition (FOC) For maximum profit, the partial derivatives of the profit function with respect to Q₁ and Q₂ must be zero. ∂π/∂Q₁ = 55 – 4Q₁ – 3Q₂ = 0 — (i) ∂π/∂Q₂ = 70 – 3Q₁ – 6Q₂ = 0 — (ii) Now we solve this system of two linear equations for Q₁ and Q₂. Multiply equation (i) by 2: 110 – 8Q₁ – 6Q₂ = 0 — (iii) Subtract equation (ii) from equation (iii): (110 – 8Q₁ – 6Q₂) – (70 – 3Q₁ – 6Q₂) = 0 40 – 5Q₁ = 0 5Q₁ = 40 => Q₁ = 8 Substitute Q₁ = 8 into equation (i): 55 – 4(8) – 3Q₂ = 0 55 – 32 – 3Q₂ = 0 23 – 3Q₂ = 0 3Q₂ = 23 => Q₂ = 23/3 ≈ 7.67 Thus, the output levels satisfying the first-order condition are Q₁ = 8 and Q₂ = 23/3 . (b) Second-Order Sufficient Condition (SOC) For a maximum, we must check that the Hessian matrix is negative definite. π₁₁ = ∂²π/∂Q₁² = -4 π₂₂ = ∂²π/∂Q₂² = -6 π₁₂ = ∂²π/(∂Q₁∂Q₂) = -3 The conditions are: 1) π₁₁ < 0 2) |H| = π₁₁π₂₂ – (π₁₂)² > 0 Checking: 1) π₁₁ = -4 < 0 (Condition met) 2) |H| = (-4)(-6) – (-3)² = 24 – 9 = 15 > 0 (Condition met) Since both conditions are met, the second-order sufficient condition is satisfied, and the profit is maximized at Q₁ = 8, Q₂ = 23/3. (c) Find the maximum profit level Substitute Q₁ = 8 and Q₂ = 23/3 into the profit function to calculate the maximum profit. π = 55Q₁ + 70Q₂ – 2Q₁² – 3Q₁Q₂ – 3Q₂² π = 55(8) + 70(23/3) – 2(8)² – 3(8)(23/3) – 3(23/3)² π = 440 + 1610/3 – 2(64) – 8(23) – 3(529/9) π = 440 + 1610/3 – 128 – 184 – 529/3 π = (440 – 128 – 184) + (1610/3 – 529/3) π = 128 + 1081/3 π = 384/3 + 1081/3 π = 1465/3 ≈ 488.33 Thus, the maximum profit is 1465/3 or approximately 488.33 .

Q4. Explain the chain rule in the case of multivariate functions using a suitable example.

Ans. Chain Rule for Multivariate Functions The chain rule is a fundamental rule in calculus used for finding the derivative of composite functions. In the multivariate case, the rule applies when we have a function that depends on several variables, and those variables are themselves functions of one or more other variables. Explanation of the Rule: Let z = f(x, y) be a function where x and y are both differentiable. Furthermore, let x and y themselves be functions of another variable t , i.e., x = g(t) and y = h(t) . Then z becomes a composite function of t. The chain rule states that the total derivative of z with respect to t is given by: Chain Rule Formula This formula can be interpreted as follows:

  • The total change in z resulting from a small change in t is the sum of two parts.
  • First part First part : This is the rate of change of z transmitted through x due to the change in t. partial z/x measures the sensitivity of z to x, and dx/dt measures the sensitivity of x to t.
  • Second part Second part : This is the rate of change of z transmitted through y due to the change in t. partial z/y measures the sensitivity of z to y, and dy/dt measures the sensitivity of y to t.


Economic Example: Change in Utility over Time

A suitable economic example involves considering a consumer’s utility, which depends on the consumption of two goods, x and y. Suppose the consumer’s income changes over time, causing the consumption of the goods to also be a function of time.


1. Utility Function:

Let the consumer’s utility function be:

U = f(x, y) = x⁰.⁵y⁰.⁵


2. Consumption over Time:

Suppose the consumer’s income and preferences change over time (t), resulting in a consumption pattern as follows:

x(t) = 4t² (Consumption of good x increases with time)

y(t) = 100 – t² (Consumption of good y decreases with time)


Question:

What is the rate of change of utility (dU/dt) at time t = 2?


Solution:

We will use the chain rule:

Chain Rule for Utility
Step A: Find the partial derivatives:

∂U/∂x = 0.5x⁻⁰.⁵y⁰.⁵

∂U/∂y = 0.5x⁰.⁵y⁻⁰.⁵


Step B: Find the derivatives with respect to time:

dx/dt = d(4t²)/dt = 8t

dy/dt = d(100 – t²)/dt = -2t


Step C: Substitute into the chain rule formula:

dU/dt = (0.5x⁻⁰.⁵y⁰.⁵)(8t) + (0.5x⁰.⁵y⁻⁰.⁵)(-2t)


Step D: Evaluate at t = 2:

First, find the values of x and y at t=2:

x(2) = 4(2)² = 16

y(2) = 100 – (2)² = 96

Now substitute t=2, x=16, y=96 into the expression for dU/dt:

dU/dt|ₜ=₂ = [0.5

(16)⁻⁰.⁵

(96)⁰.⁵]
(8

2) + [0.5

(16)⁰.⁵

(96)⁻⁰.⁵]
(-2

2)

dU/dt|ₜ=₂ = [0.5

(1/4)

√96]
(16) + [0.5

4

(1/√96)]

(-4)

dU/dt|ₜ=₂ = [0.125

4√6]

16 – [2

(1/4√6)]

(4)

dU/dt|ₜ=₂ = (0.5√6) * 16 – (2 / √6)

dU/dt|ₜ=₂ = 8√6 – 2/√6

dU/dt|ₜ=₂ = 8√6 – (2√6 / 6)

dU/dt|ₜ=₂ = 8√6 – √6/3

dU/dt|ₜ=₂ = (24√6 – √6)/3 = 23√6 / 3 ≈ 18.78


Conclusion:

In this example, the chain rule helps us understand how the consumer’s total satisfaction (utility) changes as underlying economic conditions (like income or preferences, represented here by t) evolve. At t=2, utility is increasing at a rate of approximately 18.78 units per unit of time.

Q5. Find the inverse of : B = Matrix B

Ans. The inverse of a matrix B, denoted B⁻¹, is given by the formula: B⁻¹ = (1/|B|) * adj(B) where |B| is the determinant of matrix B and adj(B) is the adjugate matrix of B. Given matrix: B = Matrix B Step 1: Calculate the determinant |B|. We expand along the first row: |B| = 4 det – 1 det + (-1) * det |B| = 4 ((3)(7) – (2)(0)) – 1 ((0)(7) – (2)(3)) – 1 * ((0)(0) – (3)(3)) |B| = 4 (21 – 0) – 1 (0 – 6) – 1 * (0 – 9) |B| = 4(21) – 1(-6) – 1(-9) |B| = 84 + 6 + 9 |B| = 99 Since |B| ≠ 0, the inverse exists. Step 2: Find the matrix of cofactors. The cofactor Cᵢⱼ = (-1)ⁱ⁺ʲ * Mᵢⱼ, where Mᵢⱼ is the minor. C₁₁ = (-1)¹⁺¹ minor = 1 * (21 – 0) = 21 C₁₂ = (-1)¹⁺² minor = -1 * (0 – 6) = 6 C₁₃ = (-1)¹⁺³ minor = 1 * (0 – 9) = -9 C₂₁ = (-1)²⁺¹ minor = -1 * (7 – 0) = -7 C₂₂ = (-1)²⁺² minor = 1 * (28 – (-3)) = 31 C₂₃ = (-1)²⁺³ minor = -1 * (0 – 3) = 3 C₃₁ = (-1)³⁺¹ minor = 1 * (2 – (-3)) = 5 C₃₂ = (-1)³⁺² minor = -1 * (8 – 0) = -8 C₃₃ = (-1)³⁺³ minor = 1 * (12 – 0) = 12 The matrix of cofactors is: C = Cofactor Matrix Step 3: Find the adjugate matrix adj(B). The adj(B) is the transpose of the cofactor matrix C. adj(B) = Cᵀ = Adjugate Matrix Step 4: Calculate the inverse matrix B⁻¹. B⁻¹ = (1/|B|) * adj(B) B⁻¹ = (1/99) * Adjugate Matrix Thus, the inverse of B is: B⁻¹ = Inverse Matrix B^-1 = Simplified Inverse Matrix

Q6. Find total differential of the following functions : (a) y = x₁² / (x₂x₃) (b) y = x₁ / (x₁ + x₂)

Ans. The total differential, dy, of a function y = f(x₁, x₂, …, xₙ) approximates the total change in the function’s value for small changes in the variables. Its formula is: dy = (∂y/∂x₁)dx₁ + (∂y/∂x₂)dx₂ + … + (∂y/∂xₙ)dxₙ (a) y = x₁² / (x₂x₃) We need to find the partial derivatives of y with respect to x₁, x₂, and x₃. 1. Partial derivative with respect to x₁: ∂y/∂x₁ = (2x₁)/(x₂x₃) 2. Partial derivative with respect to x₂: y = x₁²x₂⁻¹x₃⁻¹ ∂y/∂x₂ = x₁²(-1)x₂⁻²x₃⁻¹ = -x₁² / (x₂²x₃) 3. Partial derivative with respect to x₃: ∂y/∂x₃ = x₁²x₂⁻¹(-1)x₃⁻² = -x₁² / (x₂x₃²) Now, substitute these partial derivatives into the total differential formula: dy = (∂y/∂x₁)dx₁ + (∂y/∂x₂)dx₂ + (∂y/∂x₃)dx₃ dy = [2x₁ / (x₂x₃)] dx₁ – [x₁² / (x₂²x₃)] dx₂ – [x₁² / (x₂x₃²)] dx₃ (b) y = x₁ / (x₁ + x₂) We need to find the partial derivatives of y with respect to x₁ and x₂. We will use the quotient rule: d(u/v) = (v(du) – u(dv)) / v² 1. Partial derivative with respect to x₁: u = x₁, v = x₁ + x₂ ∂y/∂x₁ = [(x₁ + x₂)(1) – x₁(1)] / (x₁ + x₂)² ∂y/∂x₁ = [x₁ + x₂ – x₁] / (x₁ + x₂)² ∂y/∂x₁ = x₂ / (x₁ + x₂)² 2. Partial derivative with respect to x₂: u = x₁, v = x₁ + x₂ ∂y/∂x₂ = [(x₁ + x₂)(0) – x₁(1)] / (x₁ + x₂)² ∂y/∂x₂ = -x₁ / (x₁ + x₂)² Now, substitute these partial derivatives into the total differential formula: dy = (∂y/∂x₁)dx₁ + (∂y/∂x₂)dx₂ dy = [x₂ / (x₁ + x₂)²] dx₁ – [x₁ / (x₁ + x₂)²] dx₂ This can also be written as: dy = (1 / (x₁ + x₂)²) * (x₂dx₁ – x₁dx₂)

Q7. Explain the following concepts : (a) Compensated demand function (b) Shephard’s lemma

Ans. (a) Compensated Demand Function The compensated demand function, also known as the Hicksian Demand Function , is a crucial concept in microeconomics. It shows how much of a good a consumer would demand if, after a change in the price of the good, they were “compensated” in such a way that they remain on their original level of utility. Key Characteristics:

  • Holds Utility Constant: Unlike the ordinary (Marshallian) demand function, which holds income constant, the compensated demand function holds utility constant.
  • Derived from Expenditure Minimization: It is the solution to the consumer’s expenditure minimization problem. The consumer seeks to achieve a certain utility level (U) with the minimum possible expenditure (E). Minimize E = PₓX + PᵧY Subject to U(X, Y) = U* (a constant utility level)
  • Substitution Effect Only: Since the consumer’s real income (in the form of utility) is held constant after a price change, the compensated demand curve illustrates only the substitution effect . It does not include the income effect.
  • Slope: As a result, the compensated demand curve is always downward sloping (a negative relationship between price and quantity), even for Giffen goods, because the substitution effect is always negative.
  • Mathematical Form: It is represented as hᵢ(P, U), meaning the compensated demand for good i is a function of all prices (P) and a fixed utility level (U).

In essence, the compensated demand function is a theoretical construct that helps isolate the pure substitution effect of a price change.


(b) Shephard’s Lemma

Shephard’s Lemma establishes a powerful and direct relationship between the expenditure function and the compensated demand function. It is a key result of duality theory, which links the utility maximization and expenditure minimization problems.


Statement of the Lemma:

Shephard’s Lemma states that if a consumer’s expenditure function e(P, U) is differentiable with respect to prices (P), then the compensated (Hicksian) demand function for good

i

is the partial derivative of that expenditure function with respect to the price of good

i

(Pᵢ).

Mathematically:


hᵢ(P, U) = ∂e(P, U) / ∂Pᵢ

Where:

  • hᵢ(P, U) is the compensated demand function for good i.
  • e(P, U) is the minimum expenditure necessary to achieve a utility level U, given a set of prices P.
  • ∂e(P, U) / ∂Pᵢ is the partial derivative of the expenditure function with respect to the i-th component of the price vector P.


Significance and Use:

  • Derivation of Demand Functions: If we know a consumer’s expenditure function, we can directly derive their compensated demand functions using Shephard’s Lemma. This is a very convenient shortcut.
  • Duality Relationship: The lemma highlights the duality relationship between utility and expenditure. Just as Roy’s Identity derives Marshallian demand from the indirect utility function, Shephard’s Lemma derives Hicksian demand from the expenditure function.
  • Application in Welfare Economics: Since compensated demand curves provide the basis for measuring welfare changes (like equivalent variation and compensating variation), Shephard’s Lemma is a crucial tool for calculating these measures.

Q8. If the utility function is u = ax + by + cxy, find the ratio of marginal utilities of the two goods x and y.

Ans. The given utility function is: u(x, y) = ax + by + cxy where a, b, and c are constants. The Marginal Utility (MU) of a good is the change in total utility from consuming one additional unit of that good, holding the quantity of the other good constant. It is calculated by taking the partial derivative of the utility function. 1. Find the Marginal Utility of good x (MUₓ): MUₓ is calculated by partially differentiating u with respect to x, treating y as a constant. MUₓ = ∂u/∂x = ∂(ax + by + cxy)/∂x MUₓ = ∂(ax)/∂x + ∂(by)/∂x + ∂(cxy)/∂x MUₓ = a 1 + 0 + cy 1 MUₓ = a + cy 2. Find the Marginal Utility of good y (MUᵧ): MUᵧ is calculated by partially differentiating u with respect to y, treating x as a constant. MUᵧ = ∂u/∂y = ∂(ax + by + cxy)/∂y MUᵧ = ∂(ax)/∂y + ∂(by)/∂y + ∂(cxy)/∂y MUᵧ = 0 + b 1 + cx 1 MUᵧ = b + cx 3. Find the ratio of marginal utilities: The ratio of the marginal utilities of the two goods x and y is MUₓ / MUᵧ. This is also equal to the Marginal Rate of Substitution (MRS). Ratio = MUₓ / MUᵧ Substituting the expressions derived for MUₓ and MUᵧ: Ratio (MRSₓᵧ) = (a + cy) / (b + cx) Thus, the ratio of the marginal utilities of the two goods x and y is (a + cy) / (b + cx) . This ratio depends on the quantities of x and y consumed, which means the marginal rate of substitution is not constant and varies along an indifference curve.

Q9. If: u’ = [5, 1, 3] v’ = [3, 1, -1] w’ = [7, 5, 8] x = [x₁, x₂, x₃] Compute : (a) u’v (b) w’x

Ans. In the given question, u’, v’, and w’ are presented as row vectors. The vector x is also shown as a list of components. The notation ‘u’v’ typically means the dot product (or inner product) of the two vectors u and v. We will assume that ‘v’ and ‘x’ here represent column vectors, as the product of a row vector and a column vector yields a scalar, which is equivalent to the dot product. If u’=[u₁, u₂, u₃] is a row vector and v= column vector is a column vector, their product u’v = u₁v₁ + u₂v₂ + u₃v₃. Given vectors: u’ = [5, 1, 3] v = column vector v (as the transpose of v’=[3,1,-1]) w’ = [7, 5, 8] x = column vector x (as the transpose of [x₁, x₂, x₃]) (a) Compute u’v u’v is equivalent to the dot product of vectors u and v. u’v = [5, 1, 3] * column vector v u’v = (5 3) + (1 1) + (3 * -1) u’v = 15 + 1 – 3 u’v = 13 (b) Compute w’x w’x is equivalent to the dot product of vectors w and x. w’x = [7, 5, 8] * column vector x w’x = (7 x₁) + (5 x₂) + (8 * x₃) w’x = 7x₁ + 5x₂ + 8x₃ This result is a linear expression because the vector x contains variables. In economics, such a computation is often used to represent a budget constraint (e.g., p’x = M) or to evaluate a linear function.

Q10. Solve the following differential equation : (d²y/dt²) + (dy/dt) + y = 0

Ans. The given equation is a second-order, linear, homogeneous differential equation with constant coefficients. y” + y’ + y = 0 To solve this type of equation, we use the characteristic equation method. We assume a solution of the form y = eʳᵗ, which gives y’ = reʳᵗ and y” = r²eʳᵗ. Substituting these into the original equation: r²eʳᵗ + reʳᵗ + eʳᵗ = 0 eʳᵗ(r² + r + 1) = 0 Since eʳᵗ can never be zero, we must solve the characteristic equation: r² + r + 1 = 0 This is a quadratic equation which we can solve using the quadratic formula: r = [-b ± √(b² – 4ac)] / 2a Where a = 1, b = 1, and c = 1. r = [-1 ± √(1² – 4 1 1)] / (2*1) r = [-1 ± √(1 – 4)] / 2 r = [-1 ± √(-3)] / 2 r = [-1 ± i√3] / 2 We get two complex conjugate roots: r₁ = -1/2 + i(√3/2) r₂ = -1/2 – i(√3/2) When the roots of the characteristic equation are complex and of the form α ± iβ, the general solution to the differential equation is given by: y(t) = e^(αt) * (A cos(βt) + B sin(βt)) In our case, α = -1/2 and β = √3/2. Substituting these values into the general solution formula, we get: y(t) = e^(-t/2) [A cos(√3/2 t) + B sin(√3/2 * t)] where A and B are two arbitrary constants. The values of these constants could be determined if initial conditions were provided. This solution represents a damped oscillation, where the amplitude of the oscillations decreases over time due to the e^(-t/2) term.

Q11. Determine if the following functions are homogeneous and of what degree ? (a) f(x, y) = x³ – xy⁵/² (b) f(x, y, w) = x⁴ – 5yw³

Ans. A function f(x₁, x₂, …) is said to be homogeneous of degree k if for any scalar λ > 0, the following condition holds: f(λx₁, λx₂, …) = λᵏ * f(x₁, x₂, …) (a) f(x, y) = x³ – xy⁵/² To check for homogeneity, we replace x with λx and y with λy: f(λx, λy) = (λx)³ – (λx)(λy)⁵/² f(λx, λy) = λ³x³ – λ x λ⁵/² * y⁵/² f(λx, λy) = λ³x³ – λ¹⁺⁵/² * xy⁵/² f(λx, λy) = λ³x³ – λ⁷/² * xy⁵/² It is not possible to factor out a single power of λ from this expression to make it of the form λᵏ * f(x, y). λ³x³ – λ⁷/²xy⁵/² ≠ λᵏ (x³ – xy⁵/²) for any k. This is because the degree of the first term (x³) is 3, while the degree of the second term (xy⁵/²) is 1 + 5/2 = 7/2. Since the terms have different degrees, the function is not homogeneous. Conclusion: The function f(x, y) = x³ – xy⁵/² is not homogeneous. (b) f(x, y, w) = x⁴ – 5yw³ To check for homogeneity, we replace x with λx, y with λy, and w with λw: f(λx, λy, λw) = (λx)⁴ – 5(λy)(λw)³ f(λx, λy, λw) = λ⁴x⁴ – 5(λy)(λ³w³) f(λx, λy, λw) = λ⁴x⁴ – 5λ¹⁺³yw³ f(λx, λy, λw) = λ⁴x⁴ – 5λ⁴yw³ Now we can factor out λ⁴ from the expression: f(λx, λy, λw) = λ⁴(x⁴ – 5yw³) Since f(x, y, w) = x⁴ – 5yw³, we can write: f(λx, λy, λw) = λ⁴ * f(x, y, w) This satisfies the definition of a homogeneous function with k = 4. This is possible because each term in the function has the same degree:

  • The degree of the first term (x⁴) is 4.
  • The degree of the second term (-5yw³) is the sum of the power of y (1) and the power of w (3), which is 1 + 3 = 4.


Conclusion: The function f(x, y, w) = x⁴ – 5yw³ is homogeneous of degree 4.

Q12. Write short notes on the following : (a) Vector space (b) Homothetic functions

Ans. (a) Vector Space A vector space (or linear space) is a mathematical structure composed of a set of objects called vectors (V), a set of scalars from a field (F), and two operations—vector addition and scalar multiplication. This structure is the foundation of linear algebra and allows for the generalization of many mathematical and physical concepts. A set V is called a vector space over a field F if it satisfies the following ten axioms: Axioms for Vector Addition (for u, v, w ∈ V):

  1. Closure under addition: If u and v are in V, then u + v is also in V.
  2. Associativity of addition: (u + v) + w = u + (v + w).
  3. Commutativity of addition: u + v = v + u.
  4. Existence of additive identity: There exists a zero vector 0 in V such that for all u ∈ V, u + 0 = u.
  5. Existence of additive inverse: For each u ∈ V, there exists a vector -u in V such that u + (-u) = 0 .


Axioms for Scalar Multiplication (for a, b ∈ F and u, v ∈ V):

  1. Closure under scalar multiplication: If a is a scalar and u is a vector in V, then au is also in V.
  2. Distributivity over vector addition: a(u + v) = au + av.
  3. Distributivity over scalar addition: (a + b)u = au + bu.
  4. Associativity of scalar multiplication: a(bu) = (ab)u.
  5. Scalar multiplication identity: For the multiplicative identity 1 of the field F, 1u = u.

The most common example is ℝⁿ, the set of all real vectors of n-tuples, which forms a vector space over the field of real numbers. In economics, the set of commodity bundles, the set of price vectors, etc., are often treated as vector spaces.


(b) Homothetic Functions

A homothetic function is a generalization of a homogeneous function. A function is called homothetic if it is a positive monotonic transformation of a homogeneous function.


Definition:

A function H(x) is homothetic if it can be written in the form H(x) = g(f(x)), where:

  • f(x) is a homogeneous function.
  • g(z) is a positive, continuously differentiable, and strictly increasing function, i.e., g'(z) > 0.


Key Property and Economic Importance:

The most important property of homothetic functions, particularly in utility and production theory, is that their

Marginal Rate of Substitution (MRS)

or

Marginal Rate of Technical Substitution (MRTS)

depends only on the ratio of the inputs, not on their absolute levels.

If the utility function U(x₁, x₂) is homothetic, then:

MRS = MU₁/MU₂ = h(x₁/x₂)

This means that along any ray from the origin (where the ratio x₁/x₂ is constant), the slope of the indifference curves is the same.


Economic Implications:

  1. Linear Expansion Paths: For a consumer with homothetic preferences or a firm with a homothetic production function, the expansion path (income-consumption curve or output expansion path) is a straight line from the origin. This means that as income or budget increases, the consumer increases consumption of all goods in the same proportion.
  2. Shape of Indifference Curves: All indifference curves of a homothetic function are “radial blow-ups” of one another. They change in size as one moves away from the origin, but their shape (pattern of slopes) remains the same.
  3. Effect on Demand: For a homothetic utility function, the fraction of income spent on each good depends only on prices, not on income.

Example: If f(L, K) = L⁰.⁵K⁰.⁵ is a homogeneous production function, then H(L, K) = [ln(L⁰.⁵K⁰.⁵) + 5]³ is a homothetic function, as it is a monotonic transformation of f.


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