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IGNOU MTE-09 Solved Question Paper PDF

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IGNOU MTE-09 Previous Year Solved Question Paper in Hindi
Q1. (क) f(x) =|x-2|+ [8x], x ∈ [1/8, 3] द्वारा परिभाषित फलन f का आलेख खींचिए। (ख) मान लीजिए f कोई फलन है, जो f(x) = x sin(1/x), x ∈ (0, 10] द्वारा परिभाषित है। जाँच कीजिए कि क्या यह फलन f अंतराल [0, 10] पर एकसमानतः संतत है या नहीं। (ग) मान लीजिए f: [0, 1] → R, f(x) = x² – 2 द्वारा परिभाषित एक फलन है। यह भी मान लीजिए कि P₁ = {0, 1/4, 1/2, 3/4, 1} और P₂ = {0, 1/3, 1/2, 2/3, 1} अंतराल [0, 1] के दो विभाजन हैं। L(P₁, f) और U(P₂, f) ज्ञात कीजिए।
Ans.
(क) दिया गया फलन है f(x) = |x-2| + [8x], जहाँ x ∈ [1/8, 3] है।
हम फलन को उसके घटकों में तोड़कर आलेख बना सकते हैं: निरपेक्ष मान फलन |x-2| और महत्तम पूर्णांक फलन [8x]। महत्तम पूर्णांक फलन [8x] अंतराल [1/8, 3] में पूर्णांक मानों पर बदलता है। हमें उन बिंदुओं को ज्ञात करना होगा जहाँ 8x एक पूर्णांक है।
- जब 1/8 ≤ x < 2/8, [8x] = 1
- जब 2/8 ≤ x < 3/8, [8x] = 2
- …
- जब 23/8 ≤ x < 24/8 = 3, [8x] = 23
- जब x = 3, [8x] = 24
फलन |x-2| x=2 पर अपना व्यवहार बदलता है। x ∈ [1/8, 2) के लिए, |x-2| = -(x-2) = 2-x. x ∈ [2, 3] के लिए, |x-2| = x-2. अब हम विभिन्न उप-अंतरालों में फलन को परिभाषित कर सकते हैं:
- x ∈ [1/8, 1/4): f(x) = (2-x) + 1 = 3-x
- x ∈ [1/4, 2): f(x) = (2-x) + [8x]
- x = 2: f(2) = |2-2| + [16] = 0 + 16 = 16
- x ∈ (2, 3]: f(x) = (x-2) + [8x]
आलेख में सीधी रेखाओं के खंड होंगे, जिनकी ढलान महत्तम पूर्णांक फलन में प्रत्येक उछाल पर बदलती है। x=1/4, 2/4, 3/4, …, 3 पर असंततता होगी। उदाहरण के लिए:
- [1/8, 1/4) पर, आलेख 3-x है।
- [1/4, 3/8) पर, आलेख (2-x) + 2 = 4-x है।
आलेख में प्रत्येक अंतराल k/8 ≤ x < (k+1)/8 पर एक रेखा खंड होता है, जिसमें पूर्णांक k पर असंततता होती है। x=2 पर भी व्यवहार बदलता है। आलेख एक “स्टेप” फलन और एक “V-आकार” फलन का संयोजन है, जिसके परिणामस्वरूप कई खंडों वाला एक जटिल आलेख बनता है। (ख) दिया गया फलन f(x) = x sin(1/x), x ∈ (0, 10] है। हम इसे अंतराल [0, 10] पर एकसमान संततता के लिए जाँच करना चाहते हैं। एक फलन एक बंद और परिबद्ध अंतराल पर एकसमानतः संतत होता है यदि वह उस अंतराल पर संतत हो। दिया गया अंतराल (0, 10] बंद नहीं है। हम फलन को x=0 पर संतत रूप से विस्तारित कर सकते हैं या नहीं, यह जाँचने के लिए x → 0 पर सीमा की गणना करते हैं। lim (x→0⁺) f(x) = lim (x→0⁺) x sin(1/x) चूंकि -1 ≤ sin(1/x) ≤ 1 है, इसलिए -x ≤ x sin(1/x) ≤ x (x > 0 के लिए)। सैंडविच प्रमेय (Squeeze Theorem) द्वारा, lim (x→0⁺) (-x) = 0 और lim (x→0⁺) x = 0, इसलिए: lim (x→0⁺) x sin(1/x) = 0. चूंकि सीमा मौजूद है और परिमित है, हम फलन F को [0, 10] पर इस प्रकार परिभाषित कर सकते हैं: F(x) = { x sin(1/x) यदि x ∈ (0, 10], 0 यदि x=0 } अब, F(x) अंतराल (0, 10] पर संतत है क्योंकि यह संतत फलनों का गुणनफल/समिश्रण है। F(x) x=0 पर भी संतत है क्योंकि lim (x→0⁺) F(x) = 0 = F(0)। अतः, F(x) बंद और परिबद्ध अंतराल [0, 10] पर संतत है। एक प्रमेय के अनुसार, यदि कोई फलन एक बंद और परिबद्ध अंतराल पर संतत है, तो वह उस अंतराल पर एकसमानतः संतत होता है। इसलिए, F(x) [0, 10] पर एकसमानतः संतत है, जिसका अर्थ है कि मूल फलन f(x) भी अंतराल (0, 10] पर एकसमानतः संतत है। (ग) दिया गया फलन f(x) = x² – 2 और अंतराल [0, 1] है। f'(x) = 2x > 0, x ∈ [0, 1] के लिए। अतः, f एक निरंतर वर्धमान फलन है। इसलिए, किसी भी उप-अंतराल [xᵢ₋₁, xᵢ] पर, infimum mᵢ = f(xᵢ₋₁) और supremum Mᵢ = f(xᵢ) होगा। विभाजन P₁ = {0, 1/4, 1/2, 3/4, 1} के लिए: उप-अंतराल हैं: [0, 1/4], [1/4, 1/2], [1/2, 3/4], [3/4, 1]। L(P₁, f) = Σ mᵢ Δxᵢ = f(0)(1/4 – 0) + f(1/4)(1/2 – 1/4) + f(1/2)(3/4 – 1/2) + f(3/4)(1 – 3/4) = (-2)(1/4) + (1/16 – 2)(1/4) + (1/4 – 2)(1/4) + (9/16 – 2)(1/4) = (1/4) * [-2 + (1/16 – 2) + (1/4 – 2) + (9/16 – 2)] = (1/4) * [-8 + 1/16 + 4/16 + 9/16] = (1/4) [-8 + 14/16] = (1/4) [-8 + 7/8] = (1/4) * [(-64+7)/8] = -57/32. अतः, L(P₁, f) = -57/32 । विभाजन P₂ = {0, 1/3, 1/2, 2/3, 1} के लिए: हमसे U(P₂, f) ज्ञात करने को कहा गया है। उप-अंतराल हैं: [0, 1/3], [1/3, 1/2], [1/2, 2/3], [2/3, 1]। Δx₁ = 1/3, Δx₂ = 1/6, Δx₃ = 1/6, Δx₄ = 1/3। U(P₂, f) = Σ Mᵢ Δxᵢ = f(1/3)(1/3) + f(1/2)(1/6) + f(2/3)(1/6) + f(1)(1/3) = (1/9 – 2)(1/3) + (1/4 – 2)(1/6) + (4/9 – 2)(1/6) + (1 – 2)(1/3) = (-17/9)(1/3) + (-7/4)(1/6) + (-14/9)(1/6) + (-1)(1/3) = -17/27 – 7/24 – 14/54 – 1/3 = -17/27 – 7/24 – 7/27 – 9/27 = (-17 – 7 – 9)/27 – 7/24 = -33/27 – 7/24 = -11/9 – 7/24 = (-11 8 – 7 3)/72 = (-88 – 21)/72 = -109/72. अतः, U(P₂, f) = -109/72 ।
Q2. (क) ज्ञात कीजिए कि अनुक्रम aₙ = (3n + 4n²) / (5n² – n) अभिसारी है या नहीं। (ख) संख्या 2 + i√5 को वास्तविक समतल पर निरूपित कीजिए। (ग) मान निकालिए : lim (n→∞) Σ (r=1 to 5n) [n² / (8n+r)³]
Ans.
(क) दिए गए अनुक्रम aₙ = (3n + 4n²) / (5n² – n) की अभिसारिता की जाँच करने के लिए, हम n → ∞ पर इसकी सीमा ज्ञात करते हैं। हम अंश और हर दोनों को n की उच्चतम घात, जो कि n² है, से विभाजित करते हैं: aₙ = (3n/n² + 4n²/n²) / (5n²/n² – n/n²) aₙ = (3/n + 4) / (5 – 1/n) अब, हम n → ∞ पर सीमा लेते हैं: lim (n→∞) aₙ = lim (n→∞) [ (3/n + 4) / (5 – 1/n) ] चूंकि lim (n→∞) 1/n = 0, हमें मिलता है: lim (n→∞) aₙ = (0 + 4) / (5 – 0) = 4/5 चूंकि सीमा एक परिमित और अद्वितीय वास्तविक संख्या (4/5) है, दिया गया अनुक्रम अभिसारी है और यह 4/5 पर अभिसरण करता है।
(ख) प्रश्न में दी गयी संख्या संभवतः एक सम्मिश्र संख्या है, 2 + √(-5) = 2 + i√5। इसे आर्गंड तल (सम्मिश्र तल) पर निरूपित किया जाता है, जिसे कभी-कभी वास्तविक समतल (R²) के रूप में भी संदर्भित किया जाता है। एक सम्मिश्र संख्या z = x + iy को कार्तीय तल में बिंदु (x, y) द्वारा दर्शाया जाता है। यहाँ, हमारे पास z = 2 + i√5 है। इसलिए, x (वास्तविक भाग) = 2 और y (काल्पनिक भाग) = √5। √5 का मान लगभग 2.236 है। अतः, हमें तल पर बिंदु (2, √5) ≈ (2, 2.236) को अंकित करना है। निरूपण: 1. एक कार्तीय समन्वय प्रणाली (x-अक्ष और y-अक्ष) बनाएं। x-अक्ष को ‘वास्तविक अक्ष’ और y-अक्ष को ‘काल्पनिक अक्ष’ के रूप में लेबल करें। 2. वास्तविक अक्ष पर x = 2 पर एक चिह्न लगाएं। 3. काल्पनिक अक्ष पर y = √5 (लगभग 2.24) पर एक चिह्न लगाएं। 4. इन निर्देशांकों के संगत बिंदु (2, √5) को तल पर अंकित करें। यह बिंदु सम्मिश्र संख्या 2 + i√5 को निरूपित करता है। (ग) हमें निम्नलिखित सीमा का मान निकालना है: L = lim (n→∞) Σ (r=1 to 5n) [n² / (8n+r)³] यह एक निश्चित समाकल के रूप में एक सीमा है। हम इसे रीमान योग (Riemann sum) के रूप में व्यक्त करने का प्रयास करते हैं। L = lim (n→∞) Σ (r=1 to 5n) n² / [n³(8 + r/n)³] L = lim (n→∞) Σ (r=1 to 5n) (1/n) * [1 / (8 + r/n)³] आइए हम x = r/n और dx = 1/n प्रतिस्थापित करें। जब n → ∞, तो योग एक समाकल बन जाता है। हमें समाकलन की सीमाओं को निर्धारित करने की आवश्यकता है: निचली सीमा: जब r = 1, x = 1/n। जैसे n → ∞, x → 0। ऊपरी सीमा: जब r = 5n, x = 5n/n = 5। इसलिए, सीमा को निम्नलिखित निश्चित समाकल के रूप में लिखा जा सकता है: L = ∫ (from 0 to 5) [1 / (8+x)³] dx L = ∫ (from 0 to 5) (8+x)⁻³ dx अब हम समाकलन करते हैं: L = [ (8+x)⁻² / -2 ] (from 0 to 5) L = -1/2 * [ 1/(8+x)² ] (from 0 to 5) L = -1/2 * [ (1/(8+5)²) – (1/(8+0)²) ] L = -1/2 * [ 1/13² – 1/8² ] L = -1/2 * [ 1/169 – 1/64 ] L = -1/2 [ (64 – 169) / (169 64) ] L = -1/2 * [ -105 / 10816 ] L = 105 / (2 * 10816) = 105 / 21632 .
Q3. (क) श्रेणी 1/3 + 4/9 + 9/27 + … की अभिसारिता की जाँच कीजिए। (ख) निम्नलिखित सीमा का मान निकालिए, यदि उसका अस्तित्व है : lim (x→0) [x³ / (tan³x + tanx – x)] (ग) सिद्ध कीजिए कि प्रत्येक अपरिमित समुच्चय में एक प्रगणनीय समुच्चय अंतर्विष्ट होता है।
Ans.
(क) दी गई श्रेणी है: 1/3 + 4/9 + 9/27 + … हम श्रेणी का n-वाँ पद (aₙ) ज्ञात कर सकते हैं। अंश 1, 4, 9, … हैं, जो n² हैं। हर 3, 9, 27, … हैं, जो 3ⁿ हैं। तो, n-वाँ पद aₙ = n² / 3ⁿ है। इस श्रेणी की अभिसारिता की जाँच के लिए हम अनुपात परीक्षण (Ratio Test) का उपयोग करेंगे। aₙ₊₁ = (n+1)² / 3ⁿ⁺¹ अब हम सीमा की गणना करते हैं L = lim (n→∞) |aₙ₊₁ / aₙ| L = lim (n→∞) | ( (n+1)² / 3ⁿ⁺¹ ) / ( n² / 3ⁿ ) | L = lim (n→∞) | ( (n+1)² / (3 3ⁿ) ) ( 3ⁿ / n² ) | L = lim (n→∞) | (1/3) * ( (n+1)² / n² ) | L = (1/3) * lim (n→∞) | ((n+1)/n)² | L = (1/3) * lim (n→∞) | (1 + 1/n)² | L = (1/3) (1 + 0)² = (1/3) 1 = 1/3 अनुपात परीक्षण के अनुसार, यदि L < 1 है, तो श्रेणी अभिसरण करती है। यहाँ, L = 1/3 < 1 है। अतः, दी गई श्रेणी अभिसारी है।
(ख) हमें सीमा lim (x→0) [x³ / (tan³x + tanx – x)] का मान निकालना है। जब x → 0, तो अंश x³ → 0। हर tan³x + tanx – x → tan³(0) + tan(0) – 0 = 0 + 0 – 0 = 0। यह 0/0 का एक अनिर्धारित रूप है। हम x=0 के निकट tanx के लिए मैक्लॉरिन श्रेणी प्रसार का उपयोग कर सकते हैं: tan(x) = x + x³/3 + 2x⁵/15 + … अब हम इसे हर में प्रतिस्थापित करते हैं: हर = (x + x³/3 + …)³ + (x + x³/3 + …) – x = (x³ + …) + (x³/3 + …) जब x → 0, तो x की निम्नतम घात वाले पद प्रभावी होते हैं। (x + x³/3 + …)³ का प्रमुख पद x³ है। तो, हर ≈ x³ + (x + x³/3 – x) = x³ + x³/3 = 4x³/3 अब हम सीमा की गणना करते हैं: L = lim (x→0) [ x³ / (4x³/3) ] L = lim (x→0) [ 3/4 ] = 3/4 . वैकल्पिक रूप से, ल’हॉपिटल नियम का तीन बार उपयोग करने से भी यही परिणाम मिलेगा, लेकिन यह अधिक लंबा होगा। (ग) यह सिद्ध करने के लिए कि प्रत्येक अपरिमित समुच्चय में एक प्रगणनीय समुच्चय अंतर्विष्ट होता है। प्रमेय: प्रत्येक अपरिमित समुच्चय S का एक प्रगणनीय उपसमुच्चय होता है। साध्य: मान लीजिए S एक अपरिमित समुच्चय है। एक समुच्चय अपरिमित होता है यदि वह रिक्त न हो और परिमित न हो। चूंकि S अपरिमित है, यह अरिक्त (non-empty) है। इसलिए, इसमें कम से कम एक अवयव मौजूद है। 1. चूंकि S अरिक्त है, हम एक अवयव a₁ ∈ S चुन सकते हैं। 2. समुच्चय S₁ = S – {a₁} पर विचार करें। चूंकि S अपरिमित है, S से एक अवयव को हटाने पर यह अभी भी अपरिमित रहेगा। अतः S₁ अपरिमित है और विशेष रूप से अरिक्त है। इसलिए, हम एक अवयव a₂ ∈ S₁ चुन सकते हैं। ध्यान दें कि a₂ ≠ a₁। 3. इसी प्रकार, समुच्चय S₂ = S₁ – {a₂} = S – {a₁, a₂} पर विचार करें। यह समुच्चय भी अपरिमित और अरिक्त है। इसलिए, हम एक अवयव a₃ ∈ S₂ चुन सकते हैं, जहाँ a₃ ≠ a₁ और a₃ ≠ a₂। 4. हम इस प्रक्रिया को अनिश्चित काल तक जारी रख सकते हैं। nवें चरण में, हमने n भिन्न-भिन्न अवयवों {a₁, a₂, …, aₙ} का एक समुच्चय बनाया है। समुच्चय Sₙ = S – {a₁, a₂, …, aₙ} अभी भी अपरिमित है, इसलिए हम एक अवयव aₙ₊₁ ∈ Sₙ चुन सकते हैं। यह प्रक्रिया कभी समाप्त नहीं होती क्योंकि S अपरिमित है। इस प्रक्रिया द्वारा, हम अवयवों का एक अनुक्रम a₁, a₂, a₃, …, aₙ, … बनाते हैं, जहाँ सभी aᵢ भिन्न-भिन्न हैं। समुच्चय A = {a₁, a₂, a₃, …} पर विचार करें। यह समुच्चय निर्माण द्वारा S का एक उपसमुच्चय है। समुच्चय A और प्राकृतिक संख्याओं के समुच्चय N के बीच एक आच्छादक फलन (bijection) f: N → A को f(n) = aₙ द्वारा परिभाषित किया जा सकता है। यह फलन एक-एक (one-to-one) है क्योंकि सभी aₙ भिन्न हैं, और यह आच्छादी (onto) है क्योंकि A के प्रत्येक अवयव के लिए एक संगत n है। एक समुच्चय जो N के साथ आच्छादक होता है, वह प्रगणनीय (denumerable) होता है। अतः, A, S का एक प्रगणनीय उपसमुच्चय है। इस प्रकार, हमने सिद्ध कर दिया है कि प्रत्येक अपरिमित समुच्चय में एक प्रगणनीय समुच्चय अंतर्विष्ट होता है। (यह प्रमाण चयन के अभिगृहीत (Axiom of Choice) पर निर्भर करता है)।
Q4. (क) f(x) = [x] / (4x – 3) द्वारा परिभाषित फलन f: [2, 5] → R के सांतत्य की जाँच कीजिए, जहाँ [x] अधिकतम पूर्णांक ≤ x को व्यक्त करता है। (ख) दर्शाइए कि cos(3x) के मैक्लॉरिन श्रेणी प्रसार में, शेषफल का लैग्रांज रूप Rₙ(x) शून्य की ओर प्रवृत्त होता है, जब n→∞ है। इससे cos(3x) का मैक्लॉरिन अपरिमित प्रसार प्राप्त कीजिए।
Ans.
(क) दिया गया फलन f(x) = [x] / (4x – 3) है जो अंतराल [2, 5] पर परिभाषित है। फलन में असंततता के संभावित बिंदु वे हैं जहाँ या तो हर शून्य हो जाता है या महत्तम पूर्णांक फलन [x] का मान बदलता है (यानी, पूर्णांकों पर)। 1. हर की जाँच: हर 4x – 3 = 0 जब x = 3/4। चूंकि 3/4 अंतराल [2, 5] में नहीं है, इसलिए इस कारण से कोई असंततता नहीं है। 2. महत्तम पूर्णांक फलन [x] की जाँच: अंतराल [2, 5] में, [x] का मान x = 3, x = 4, और x = 5 पर बदलता है। हमें इन पूर्णांक बिंदुओं पर सांतत्य की जाँच करनी होगी।
x = 3 पर सांतत्य:
- बाईं ओर की सीमा (LHL): lim (x→3⁻) f(x) = lim (x→3⁻) [x] / (4x – 3)। जब x, 3 के थोड़ा सा कम होता है (जैसे 2.99), तो [x] = 2। LHL = 2 / (4(3) – 3) = 2 / (12 – 3) = 2/9 ।
- दाईं ओर की सीमा (RHL): lim (x→3⁺) f(x) = lim (x→3⁺) [x] / (4x – 3)। जब x, 3 से थोड़ा सा अधिक होता है (जैसे 3.01), तो [x] = 3। RHL = 3 / (4(3) – 3) = 3 / 9 = 1/3 ।
- फलन का मान: f(3) = [3] / (4(3) – 3) = 3 / 9 = 1/3 ।
चूंकि LHL ≠ RHL, फलन x = 3 पर असंतत है। x = 4 पर सांतत्य:
- LHL: lim (x→4⁻) f(x) = lim (x→4⁻) [x] / (4x – 3)। जब x → 4⁻, [x] = 3। LHL = 3 / (4(4) – 3) = 3 / (16 – 3) = 3/13 ।
- RHL: lim (x→4⁺) f(x) = lim (x→4⁺) [x] / (4x – 3)। जब x → 4⁺, [x] = 4। RHL = 4 / (4(4) – 3) = 4 / 13 = 4/13 ।
चूंकि LHL ≠ RHL, फलन x = 4 पर असंतत है। x = 5 पर सांतत्य: चूंकि 5 अंतराल का अंतिम बिंदु है, हम केवल बाईं ओर की सीमा और f(5) की तुलना करते हैं।
- LHL: lim (x→5⁻) f(x) = lim (x→5⁻) [x] / (4x – 3)। जब x → 5⁻, [x] = 4। LHL = 4 / (4(5) – 3) = 4 / (20 – 3) = 4/17 ।
- फलन का मान: f(5) = [5] / (4(5) – 3) = 5 / 17 = 5/17 ।
चूंकि LHL ≠ f(5), फलन x = 5 पर असंतत है। किसी भी गैर-पूर्णांक बिंदु c ∈ (2, 5) के लिए, c के एक छोटे से प्रतिवेश में [x] स्थिर रहता है, और 4x-3 एक संतत और गैर-शून्य फलन है। इसलिए, फलन f(x) सभी गैर-पूर्णांक बिंदुओं पर संतत है। निष्कर्ष: फलन f(x) अंतराल [2, 5] में x = 3, 4, 5 को छोड़कर सभी बिंदुओं पर संतत है। (ख) मान लीजिए f(x) = cos(3x)। मैक्लॉरिन श्रेणी के लिए शेषफल का लैग्रांज रूप इस प्रकार दिया गया है: Rₙ(x) = [ fⁿ⁺¹(c) / (n+1)! ] * xⁿ⁺¹ , जहाँ c, 0 और x के बीच में है। पहले, हम f(x) = cos(3x) के अवकलज ज्ञात करते हैं: f'(x) = -3sin(3x) f”(x) = -3²cos(3x) f”'(x) = 3³sin(3x) सामान्य तौर पर, k-वाँ अवकलज fᵏ(x) का रूप ±3ᵏcos(3x) या ±3ᵏsin(3x) होता है। किसी भी स्थिति में, हम जानते हैं कि |sin(u)| ≤ 1 और |cos(u)| ≤ 1। इसलिए, k-वें अवकलज का परिमाण परिबद्ध है: |fᵏ(x)| ≤ 3ᵏ यह fⁿ⁺¹(c) के लिए भी सत्य है: |fⁿ⁺¹(c)| ≤ 3ⁿ⁺¹। अब हम Rₙ(x) के परिमाण पर विचार करते हैं: |Rₙ(x)| = | [ fⁿ⁺¹(c) / (n+1)! ] * xⁿ⁺¹ | |Rₙ(x)| ≤ [ |fⁿ⁺¹(c)| / (n+1)! ] * |x|ⁿ⁺¹ |Rₙ(x)| ≤ [ 3ⁿ⁺¹ / (n+1)! ] * |x|ⁿ⁺¹ = (3|x|)ⁿ⁺¹ / (n+1)! हमें यह दिखाना है कि lim (n→∞) |Rₙ(x)| = 0। यह lim (n→∞) (3|x|)ⁿ⁺¹ / (n+1)! = 0 दिखाने के बराबर है। मान लीजिए a = 3|x|। हमें यह दिखाना है कि lim (n→∞) aⁿ⁺¹ / (n+1)! = 0। यह एक मानक सीमा है। किसी भी निश्चित वास्तविक संख्या a के लिए, फैक्टोरियल (n+1)! घातांक aⁿ⁺¹ की तुलना में बहुत तेजी से बढ़ता है। अनुपात परीक्षण का उपयोग करके इसे औपचारिक रूप से दिखाया जा सकता है। मान लीजिए uₙ = aⁿ/n!। तब lim (n→∞) uₙ₊₁/uₙ = lim (n→∞) (a/(n+1)) = 0 < 1, इसलिए श्रेणी Σuₙ अभिसरण करती है, जिसका अर्थ है कि lim (n→∞) uₙ = 0। अतः, lim (n→∞) Rₙ(x) = 0। अब, cos(3x) का मैक्लॉरिन अपरिमित प्रसार प्राप्त करने के लिए, हम x=0 पर अवकलजों का मूल्यांकन करते हैं: f(0) = cos(0) = 1 f'(0) = -3sin(0) = 0 f”(0) = -9cos(0) = -9 f”'(0) = 27sin(0) = 0 f⁴(0) = 81cos(0) = 81 … मैक्लॉरिन श्रेणी है: f(x) = Σ (from n=0 to ∞) [fⁿ(0)/n!] * xⁿ cos(3x) = f(0) + f'(0)x + [f”(0)/2!]x² + [f”'(0)/3!]x³ + [f⁴(0)/4!]x⁴ + … cos(3x) = 1 + 0 x + (-9/2!)x² + 0 x³ + (81/4!)x⁴ + … cos(3x) = 1 – 9/2! x² + 81/4! x⁴ – … cos(3x) = 1 – (3x)²/2! + (3x)⁴/4! – (3x)⁶/6! + … अतः, cos(3x) का मैक्लॉरिन अपरिमित प्रसार है: cos(3x) = Σ (from n=0 to ∞) (-1)ⁿ * (3x)²ⁿ / (2n)!
Q5. (क) श्रेणी Σ (n=1 to ∞) [((n+1)/(3n-2))ⁿ] की अभिसारिता के लिए जाँच कीजिए। (ख) सिद्ध कीजिए कि प्रत्येक निरंतर वर्धमान आच्छादक फलन व्युत्क्रमणीय होता है। (ग) फलन f(x) = (x+2)³(x-5)² की चरम मानों के लिए जाँच कीजिए।
Ans.
(क) दी गई श्रेणी Σ aₙ है जहाँ aₙ = ((n+1)/(3n-2))ⁿ है। चूंकि पद की घात n है, इसलिए मूल परीक्षण (Root Test) का उपयोग करना सबसे उपयुक्त है। मूल परीक्षण के अनुसार, हम निम्नलिखित सीमा की गणना करते हैं: L = lim (n→∞) |aₙ|¹/ⁿ L = lim (n→∞) | ((n+1)/(3n-2))ⁿ |¹/ⁿ L = lim (n→∞) | (n+1)/(3n-2) | सीमा का मूल्यांकन करने के लिए, हम अंश और हर को n से विभाजित करते हैं: L = lim (n→∞) | (1 + 1/n) / (3 – 2/n) | जैसे n → ∞, 1/n → 0 और 2/n → 0। L = | (1 + 0) / (3 – 0) | = 1/3 मूल परीक्षण कहता है कि यदि L < 1 है, तो श्रेणी अभिसरण करती है। चूंकि L = 1/3 < 1, दी गई श्रेणी अभिसारी है।
(ख) मान लीजिए f: A → B एक निरंतर वर्धमान आच्छादक फलन है। एक फलन को व्युत्क्रमणीय (invertible) होने के लिए, उसे एकैकी (one-to-one) और आच्छादक (onto) दोनों होना चाहिए, अर्थात उसे एक आच्छादक फलन (bijection) होना चाहिए। हमें दिया गया है कि फलन f आच्छादक है। अब हमें यह सिद्ध करना है कि f एकैकी है। एक फलन f को एकैकी कहा जाता है यदि डोमेन में किन्हीं दो भिन्न-भिन्न अवयवों x₁ और x₂ के लिए, f(x₁) ≠ f(x₂) होता है। मान लीजिए x₁, x₂ ∈ A और x₁ ≠ x₂। चूंकि A एक क्रमित समुच्चय (जैसे R का उपसमुच्चय) है, हम यह मान सकते हैं कि x₁ < x₂ या x₂ < x₁। मान लीजिए x₁ < x₂। चूंकि f एक निरंतर वर्धमान (strictly increasing) फलन है, परिभाषा के अनुसार, यदि x₁ < x₂ है, तो f(x₁) < f(x₂) होता है। चूंकि f(x₁) < f(x₂), यह स्पष्ट है कि f(x₁) ≠ f(x₂)। यह दर्शाता है कि डोमेन में भिन्न-भिन्न अवयव हमेशा कोडोमेन में भिन्न-भिन्न अवयवों पर मैप होते हैं। अतः, फलन f एकैकी है। चूंकि f एकैकी और आच्छादक दोनों है, यह एक आच्छादक फलन है। प्रत्येक आच्छादक फलन व्युत्क्रमणीय होता है। अतः, प्रत्येक निरंतर वर्धमान आच्छादक फलन व्युत्क्रमणीय होता है। (ग) दिए गए फलन f(x) = (x+2)³(x-5)² की चरम मानों के लिए जाँच करने के लिए, हमें इसके क्रांतिक बिंदु (critical points) खोजने होंगे। क्रांतिक बिंदु वे होते हैं जहाँ f'(x) = 0 या f'(x) अपरिभाषित होता है। सबसे पहले, f'(x) की गणना करें। गुणन नियम (product rule) का उपयोग करके: f'(x) = d/dx[(x+2)³] (x-5)² + (x+2)³ d/dx[(x-5)²] f'(x) = 3(x+2)²(1) (x-5)² + (x+2)³ 2(x-5)(1) अब, उभयनिष्ठ गुणनखंडों को बाहर निकालें, जो (x+2)² और (x-5) हैं: f'(x) = (x+2)²(x-5) [ 3(x-5) + 2(x+2) ] f'(x) = (x+2)²(x-5) [ 3x – 15 + 2x + 4 ] f'(x) = (x+2)²(x-5) (5x – 11) क्रांतिक बिंदुओं के लिए f'(x) = 0 सेट करें: (x+2)²(x-5)(5x – 11) = 0 इससे हमें क्रांतिक बिंदु मिलते हैं: x = -2, x = 5, x = 11/5 = 2.2। अब हम चरम मानों के प्रकार को निर्धारित करने के लिए प्रथम अवकलज परीक्षण (First Derivative Test) का उपयोग करते हैं। हम f'(x) के चिह्न की जाँच करते हैं:
- x < -2 के लिए: (जैसे x = -3) f'(-3) = (-1)²(-8)(-26) > 0. (वर्धमान)
- -2 < x < 11/5 के लिए: (जैसे x = 0) f'(0) = (2)²(-5)(-11) > 0. (वर्धमान)
- 11/5 < x < 5 के लिए: (जैसे x = 3) f'(3) = (5)²(-2)(4) < 0. (ह्रासमान)
- x > 5 के लिए: (जैसे x = 6) f'(6) = (8)²(1)(19) > 0. (वर्धमान)
निष्कर्ष:
- x = 11/5 पर: f'(x) का चिह्न + से – में बदलता है। इसलिए, f का स्थानीय उच्चिष्ठ (local maximum) x = 11/5 पर है।
- x = 5 पर: f'(x) का चिह्न – से + में बदलता है। इसलिए, f का स्थानीय निम्निष्ठ (local minimum) x = 5 पर है।
- x = -2 पर: f'(x) का चिह्न नहीं बदलता (यह + से + रहता है)। इसलिए, x = -2 न तो स्थानीय उच्चिष्ठ है और न ही निम्निष्ठ। यह एक स्थिर नति परिवर्तन बिंदु (stationary point of inflection) है।
Q6. (क) सिद्ध कीजिए कि R का एक अरिक्त उपसमुच्चय संवृत होता है, यदि उसका पूरक विवृत होता है। (ख) दर्शाइए कि समीकरण 2x³ – 3x² + x – 4 = 0 का अंतराल [1, 2] में एक वास्तविक मूल है। (ग) सांतत्य की अनुक्रमिक परिभाषा का उपयोग करते हुए सिद्ध कीजिए कि f(x) = {2 यदि x परिमेय है, -2 यदि x अपरिमेय है} द्वारा परिभाषित फलन f प्रत्येक वास्तविक संख्या पर असंतत है।
Ans.
(क) हम यह सिद्ध करेंगे कि R का एक उपसमुच्चय S संवृत है यदि और केवल यदि उसका पूरक Sᶜ विवृत है। प्रश्न केवल एक दिशा सिद्ध करने के लिए कहता है। साध्य: मान लीजिए S, R का एक अरिक्त उपसमुच्चय है और इसका पूरक Sᶜ = R \ S विवृत है। हमें सिद्ध करना है कि S संवृत है। एक समुच्चय को संवृत (closed) कहा जाता है यदि वह अपने सभी सीमा बिंदुओं (limit points) को समाहित करता है। मान लीजिए x, समुच्चय S का कोई सीमा बिंदु है। हमें यह दिखाना है कि x ∈ S। हम विरोधाभास द्वारा सिद्ध करेंगे। मान लीजिए कि x ∉ S। यदि x ∉ S, तो परिभाषा के अनुसार, x ∈ Sᶜ। हमें दिया गया है कि Sᶜ एक विवृत (open) समुच्चय है। एक विवृत समुच्चय की परिभाषा के अनुसार, इसके प्रत्येक बिंदु के लिए, एक ε > 0 मौजूद होता है जैसे कि बिंदु का ε-प्रतिवेश (ε-neighborhood) पूरी तरह से समुच्चय के भीतर समाहित होता है। इसलिए, एक ε > 0 मौजूद है जिसके लिए (x – ε, x + ε) ⊂ Sᶜ। इसका मतलब है कि विवृत अंतराल (x – ε, x + ε) में S का कोई भी बिंदु नहीं है। लेकिन यह इस तथ्य का खंडन करता है कि x, S का एक सीमा बिंदु है, क्योंकि एक सीमा बिंदु की परिभाषा यह है कि इसके प्रत्येक प्रतिवेश में स्वयं x के अलावा S का कम से-कम एक बिंदु होना चाहिए। यह विरोधाभास हमारी प्रारंभिक धारणा से उत्पन्न हुआ कि x ∉ S। इसलिए, हमारी धारणा गलत होनी चाहिए। अतः, x ∈ S। चूंकि x, S का एक यादृच्छिक सीमा बिंदु था, इसका मतलब है कि S अपने सभी सीमा बिंदुओं को समाहित करता है। अतः, S एक संवृत समुच्चय है।
(ख) हमें यह दिखाना है कि समीकरण 2x³ – 3x² + x – 4 = 0 का अंतराल [1, 2] में एक वास्तविक मूल है। हम माध्यमान प्रमेय (Intermediate Value Theorem – IVT) का उपयोग करेंगे। मान लीजिए f(x) = 2x³ – 3x² + x – 4। 1. चूंकि f(x) एक बहुपद फलन है, यह सभी वास्तविक संख्याओं के लिए संतत है। इसलिए, यह बंद अंतराल [1, 2] पर भी संतत है। 2. अब, हम अंतराल के अंत बिंदुओं पर फलन के मानों की गणना करते हैं: f(1) = 2(1)³ – 3(1)² + 1 – 4 = 2 – 3 + 1 – 4 = -4 f(2) = 2(2)³ – 3(2)² + 2 – 4 = 2(8) – 3(4) + 2 – 4 = 16 – 12 – 2 = 2 3. हम देखते हैं कि f(1) = -4 < 0 और f(2) = 2 > 0। माध्यमान प्रमेय के अनुसार, यदि एक फलन f एक बंद अंतराल [a, b] पर संतत है, और k, f(a) और f(b) के बीच कोई संख्या है, तो अंतराल (a, b) में कम से कम एक संख्या c मौजूद है जिसके लिए f(c) = k। हमारे मामले में, a=1, b=2, f(1) = -4, f(2) = 2, और हम k=0 चुनते हैं। चूंकि f(1) < 0 < f(2), प्रमेय गारंटी देता है कि अंतराल (1, 2) में कम से कम एक संख्या c मौजूद है जिसके लिए f(c) = 0। यह c समीकरण 2x³ – 3x² + x – 4 = 0 का एक वास्तविक मूल है। अतः, समीकरण का अंतराल [1, 2] में एक वास्तविक मूल है। (ग) दिया गया फलन है: f(x) = { 2, यदि x परिमेय है; -2, यदि x अपरिमेय है } हमें सांतत्य की अनुक्रमिक परिभाषा का उपयोग करके सिद्ध करना है कि f प्रत्येक वास्तविक संख्या c पर असंतत है। एक फलन f, c पर संतत होता है यदि प्रत्येक अनुक्रम (xₙ) के लिए जो c पर अभिसरण करता है, अनुक्रम (f(xₙ)) भी f(c) पर अभिसरण करता है। मान लीजिए c कोई वास्तविक संख्या है। हम दो मामले मानते हैं। केस 1: c एक परिमेय संख्या है। इस मामले में, परिभाषा के अनुसार f(c) = 2। f को c पर असंतत दिखाने के लिए, हमें एक अनुक्रम (xₙ) खोजना होगा जो c पर अभिसरण करता है, लेकिन lim (n→∞) f(xₙ) ≠ 2। हम जानते हैं कि अपरिमेय संख्याएं वास्तविक रेखा पर सघन होती हैं। इसका मतलब है कि किन्हीं दो भिन्न वास्तविक संख्याओं के बीच एक अपरिमेय संख्या होती है। इसलिए, हम अपरिमेय संख्याओं का एक अनुक्रम (xₙ) बना सकते हैं जो c पर अभिसरण करता है। उदाहरण के लिए, प्रत्येक n ∈ N के लिए, एक अपरिमेय xn चुनें जैसे कि c < xₙ < c + 1/n। सैंडविच प्रमेय द्वारा, lim (n→∞) xₙ = c। चूंकि अनुक्रम (xₙ) में प्रत्येक पद अपरिमेय है, f(xₙ) = -2 सभी n के लिए। इसलिए, lim (n→∞) f(xₙ) = lim (n→∞) -2 = -2। लेकिन f(c) = 2। चूंकि lim (n→∞) f(xₙ) ≠ f(c), फलन f बिंदु c पर असंतत है। केस 2: c एक अपरिमेय संख्या है। इस मामले में, परिभाषा के अनुसार f(c) = -2। अब हम एक अनुक्रम (yₙ) बनाएंगे जो c पर अभिसरण करता है, लेकिन lim (n→∞) f(yₙ) ≠ -2। हम जानते हैं कि परिमेय संख्याएं भी वास्तविक रेखा पर सघन होती हैं। इसलिए, हम परिमेय संख्याओं का एक अनुक्रम (yₙ) बना सकते हैं जो c पर अभिसरण करता है। (उदाहरण के लिए, c के दशमलव प्रसार को n वें स्थान पर छोटा करके)। चूंकि अनुक्रम (yₙ) में प्रत्येक पद परिमेय है, f(yₙ) = 2 सभी n के लिए। इसलिए, lim (n→∞) f(yₙ) = lim (n→∞) 2 = 2। लेकिन f(c) = -2। चूंकि lim (n→∞) f(yₙ) ≠ f(c), फलन f बिंदु c पर असंतत है। चूंकि c एक यादृच्छिक वास्तविक संख्या थी, और हमने दोनों मामलों (परिमेय और अपरिमेय) में असंततता दिखाई है, हम यह निष्कर्ष निकालते हैं कि फलन f प्रत्येक वास्तविक संख्या पर असंतत है।
Q7. निम्नलिखित में से कौन-से कथन सत्य हैं ? अपने उत्तरों के लिए कारण दीजिए : (क) प्रत्येक परिबद्ध अनुक्रम अपसारी होता है। (ख) परिमेय संख्याओं का समुच्चय Q, R का एक विवृत उपसमुच्चय है। (ग) फलन f(x) = 8x² + |x+3| बिन्दु x=-2 पर अवकलनीय है। (घ) f(x) = {(2ˣ – 2⁻ˣ)/x यदि x≠0, 3 यदि x=0} द्वारा दिया जाने वाला फलन f बिन्दु x=0 पर संतत है। (ङ) किसी फलन f के समाकलनीय होने के लिए आवश्यक प्रतिबंध है कि वह संतत होगा।
Ans.
(क) प्रत्येक परिबद्ध अनुक्रम अपसारी होता है।
असत्य। यह कथन गलत है। एक परिबद्ध अनुक्रम अभिसारी या अपसारी हो सकता है। कारण: एक प्रतिउदाहरण पर विचार करें: अनुक्रम aₙ = 1/n। यह अनुक्रम परिबद्ध है क्योंकि 0 < 1/n ≤ 1 सभी n ∈ N के लिए। यह अनुक्रम 0 पर अभिसरण करता है। एक अन्य उदाहरण स्थिर अनुक्रम aₙ = c है, जो परिबद्ध है और c पर अभिसरण करता है। बोल्ज़ानो-वाइरस्ट्रास प्रमेय के अनुसार, प्रत्येक परिबद्ध अनुक्रम का एक अभिसारी उपानुक्रम होता है, लेकिन स्वयं अनुक्रम का अभिसारी होना आवश्यक नहीं है (जैसे aₙ = (-1)ⁿ)। लेकिन यह कहना कि प्रत्येक परिबद्ध अनुक्रम अपसारी है, स्पष्ट रूप से गलत है।
(ख) परिमेय संख्याओं का समुच्चय Q, R का एक विवृत उपसमुच्चय है।
असत्य।
कारण: एक समुच्चय U को R में विवृत कहा जाता है यदि प्रत्येक बिंदु x ∈ U के लिए, एक ε > 0 मौजूद होता है जैसे कि विवृत अंतराल (x – ε, x + ε) पूरी तरह से U में निहित होता है। मान लीजिए q ∈ Q कोई परिमेय संख्या है। q के चारों ओर कोई भी विवृत अंतराल (q – ε, q + ε), चाहे ε कितना भी छोटा क्यों न हो, हमेशा अपरिमेय संख्याएं भी समाहित करेगा (वास्तविक संख्याओं में अपरिमेय संख्याओं के घनत्व के गुण के कारण)। इसलिए, q के चारों ओर कोई भी प्रतिवेश पूरी तरह से Q में निहित नहीं हो सकता। अतः, Q एक विवृत समुच्चय नहीं है। (ग) फलन f(x) = 8x² + |x+3| बिन्दु x=-2 पर अवकलनीय है।
सत्य।
कारण: एक फलन की अवकलनीयता की जाँच एक बिंदु पर उसके व्यवहार पर निर्भर करती है। मॉडुलस फलन |g(x)| आमतौर पर उन बिंदुओं पर गैर-अवकलनीय होता है जहाँ g(x) = 0 होता है। यहाँ, |x+3| के लिए महत्वपूर्ण बिंदु x = -3 है। हम x = -2 पर अवकलनीयता की जाँच कर रहे हैं। x = -2 के एक प्रतिवेश में, उदाहरण के लिए अंतराल (-2.5, -1.5) में, x+3 हमेशा धनात्मक होता है। (उदाहरण के लिए, x = -2 पर, x+3 = 1 > 0)। जब x+3 > 0, तो |x+3| = x+3। इसलिए, x = -2 के प्रतिवेश में, फलन को इस प्रकार लिखा जा सकता है: f(x) = 8x² + x + 3 यह एक बहुपद फलन है, जो सभी वास्तविक संख्याओं के लिए अवकलनीय है। इसका अवकलज है: f'(x) = 16x + 1 x = -2 पर, अवकलज का मान है f'(-2) = 16(-2) + 1 = -32 + 1 = -31। चूंकि अवकलज x = -2 पर मौजूद है, फलन इस बिंदु पर अवकलनीय है। (घ) f(x) = {(2ˣ – 2⁻ˣ)/x यदि x≠0, 3 यदि x=0} द्वारा दिया जाने वाला फलन f बिन्दु x=0 पर संतत है।
असत्य।
कारण: एक फलन f को x = 0 पर संतत होने के लिए, lim (x→0) f(x) = f(0) होना चाहिए। हमें f(0) = 3 दिया गया है। अब हम सीमा की गणना करते हैं: lim (x→0) (2ˣ – 2⁻ˣ)/x यह 0/0 का एक अनिर्धारित रूप है (क्योंकि 2⁰ – 2⁰ = 1-1=0)। हम ल’हॉपिटल के नियम (L’Hôpital’s Rule) का उपयोग कर सकते हैं: lim (x→0) [ d/dx(2ˣ – 2⁻ˣ) / d/dx(x) ] = lim (x→0) [ 2ˣln(2) – 2⁻ˣ(-ln(2)) ] / 1 = [ 2⁰ln(2) + 2⁰ln(2) ] / 1 = ln(2) + ln(2) = 2ln(2) = ln(2²) = ln(4) तो, lim (x→0) f(x) = ln(4)। चूंकि lim (x→0) f(x) = ln(4) ≠ 3 = f(0), फलन f, x=0 पर संतत नहीं है। (ङ) किसी फलन f के समाकलनीय होने के लिए आवश्यक प्रतिबंध है कि वह संतत होगा।
असत्य।
कारण: यह कथन आवश्यक (necessary) और पर्याप्त (sufficient) शर्तों को भ्रमित करता है। एक बंद अंतराल पर एक फलन का संतत होना उसके रीमान-समाकलनीय (Riemann-integrable) होने के लिए एक पर्याप्त शर्त है, लेकिन आवश्यक नहीं है। एक आवश्यक शर्त वह होती है जो सभी समाकलनीय फलनों के लिए सत्य होनी चाहिए। हालांकि, कई ऐसे फलन हैं जो समाकलनीय हैं पर संतत नहीं हैं। प्रतिउदाहरण: पद फलन (step function) f(x) = { 0 यदि -1 ≤ x < 0, 1 यदि 0 ≤ x ≤ 1 } पर विचार करें। यह फलन x=0 पर असंतत है, लेकिन यह अंतराल [-1, 1] पर पूरी तरह से समाकलनीय है। इसका समाकल 1 है। वास्तव में, रीमान-समाकलनीयता के लिए आवश्यक और पर्याप्त शर्त यह है कि फलन के असंततता के बिंदुओं का समुच्चय शून्य माप (measure zero) का हो।
IGNOU MTE-09 Previous Year Solved Question Paper in English
Q1. (a) Draw the graph of the function f, defined by: f(x) = |x-2| + [8x], x ∈ [1/8, 3]. (b) Let f be a function defined by: f(x) = x sin(1/x), x ∈ (0, 10]. Check, whether or not, f is uniformly continuous on the interval (0, 10]. (c) Let f:[0, 1]→R be defined by f(x) = x² – 2. Let P₁ = {0, 1/4, 1/2, 3/4, 1} and P₂ = {0, 1/3, 1/2, 2/3, 1} be two partitions of the interval [0, 1]. Find L(P₁, f) and U(P₂, f).
Ans. (a) The given function is f(x) = |x-2| + [8x] for x ∈ [1/8, 3]. To draw the graph, we analyze the two component functions: the absolute value function |x-2| and the greatest integer function [8x]. The greatest integer function [8x] changes its value whenever 8x is an integer.
- For 1/8 ≤ x < 2/8, [8x] = 1
- For 2/8 ≤ x < 3/8, [8x] = 2
- …
- For 23/8 ≤ x < 24/8 = 3, [8x] = 23
- For x = 3, [8x] = 24
The absolute value function |x-2| changes its definition at x=2.
For x ∈ [1/8, 2), |x-2| = -(x-2) = 2-x.
For x ∈ [2, 3], |x-2| = x-2.
Now we can define the function on different sub-intervals:
- For x ∈ [1/8, 1/4): f(x) = (2-x) + 1 = 3-x
- For x ∈ [1/4, 2): f(x) = (2-x) + [8x]
- At x = 2: f(2) = |2-2| + [16] = 0 + 16 = 16
- For x ∈ (2, 3]: f(x) = (x-2) + [8x]
The graph will consist of segments of straight lines, with jumps in value wherever the greatest integer function jumps. There will be discontinuities at x = k/8 for integer k.
For example:
- On [1/8, 1/4), the graph is y = 3-x.
- On [1/4, 3/8), the graph is y = (2-x) + 2 = 4-x.
The graph consists of line segments on each interval [k/8, (k+1)/8) with jump discontinuities. The behavior also changes at x=2. The final graph is a combination of a “V-shape” and a “step” function, resulting in a piecewise linear graph with many jumps.
(b) The given function is f(x) = x sin(1/x) for x ∈ (0, 10]. We want to check for uniform continuity on this interval. A key theorem states that a function that is continuous on a closed and bounded interval is uniformly continuous on that interval. Our interval (0, 10] is not closed. Let’s check if the function can be extended continuously to the closed interval [0, 10]. This requires calculating the limit as x → 0⁺. lim (x→0⁺) f(x) = lim (x→0⁺) x sin(1/x) We know that the sine function is bounded: -1 ≤ sin(1/x) ≤ 1. For x > 0, we can multiply by x: -x ≤ x sin(1/x) ≤ x. By the Squeeze Theorem, since lim (x→0⁺) (-x) = 0 and lim (x→0⁺) x = 0, we have: lim (x→0⁺) x sin(1/x) = 0. Since the limit exists and is finite, we can define a new function F on the closed interval [0, 10] as: F(x) = { x sin(1/x) if x ∈ (0, 10], 0 if x=0 } Now, F(x) is continuous on (0, 10] as it is a product/composition of continuous functions. F(x) is also continuous at x=0 because lim (x→0⁺) F(x) = 0 = F(0). Therefore, F(x) is continuous on the closed and bounded interval [0, 10]. By the theorem mentioned earlier, F(x) is uniformly continuous on [0, 10]. A function that is uniformly continuous on a set is also uniformly continuous on any subset. Therefore, the original function f(x) is uniformly continuous on (0, 10].
(c) Given function f(x) = x² – 2 on the interval [0, 1]. First, let’s find the derivative: f'(x) = 2x. For x ∈ [0, 1], f'(x) ≥ 0, which means f is a monotonically increasing function . For an increasing function on any sub-interval [xᵢ₋₁, xᵢ], the infimum mᵢ is f(xᵢ₋₁) and the supremum Mᵢ is f(xᵢ).
For partition P₁ = {0, 1/4, 1/2, 3/4, 1}: The sub-intervals are [0, 1/4], [1/4, 1/2], [1/2, 3/4], [3/4, 1]. All have length Δx = 1/4. L(P₁, f) = Σ mᵢ Δxᵢ = f(0)(1/4) + f(1/4)(1/4) + f(1/2)(1/4) + f(3/4)(1/4) = (1/4) * [f(0) + f(1/4) + f(1/2) + f(3/4)] = (1/4) * [(0² – 2) + ((1/4)² – 2) + ((1/2)² – 2) + ((3/4)² – 2)] = (1/4) * [-2 + (1/16 – 2) + (1/4 – 2) + (9/16 – 2)] = (1/4) * [-8 + 1/16 + 4/16 + 9/16] = (1/4) [-8 + 14/16] = (1/4) [-8 + 7/8] = (1/4) * [(-64+7)/8] = -57/32. So, L(P₁, f) = -57/32 .
For partition P₂ = {0, 1/3, 1/2, 2/3, 1}: We need to find U(P₂, f). The sub-intervals are [0, 1/3], [1/3, 1/2], [1/2, 2/3], [2/3, 1]. The lengths are Δx₁ = 1/3, Δx₂ = 1/6, Δx₃ = 1/6, Δx₄ = 1/3. U(P₂, f) = Σ Mᵢ Δxᵢ = f(1/3)Δx₁ + f(1/2)Δx₂ + f(2/3)Δx₃ + f(1)Δx₄ = ((1/3)² – 2)(1/3) + ((1/2)² – 2)(1/6) + ((2/3)² – 2)(1/6) + (1² – 2)(1/3) = (1/9 – 2)(1/3) + (1/4 – 2)(1/6) + (4/9 – 2)(1/6) + (-1)(1/3) = (-17/9)(1/3) + (-7/4)(1/6) + (-14/9)(1/6) – 1/3 = -17/27 – 7/24 – 14/54 – 1/3 = -17/27 – 7/24 – 7/27 – 9/27 = (-17 – 7 – 9)/27 – 7/24 = -33/27 – 7/24 = -11/9 – 7/24 = [(-11 8) – (7 3)] / 72 = (-88 – 21) / 72 = -109/72. So, U(P₂, f) = -109/72 .
Q2. (a) Find whether or not the following sequence is convergent: aₙ = (3n + 4n²) / (5n² – n). (b) Represent the number 2 + i√5 on the real plane. (c) Evaluate: lim (n→∞) Σ (r=1 to 5n) [n² / (8n+r)³]
Ans. (a) To check the convergence of the sequence aₙ = (3n + 4n²) / (5n² – n), we find its limit as n → ∞. We can divide both the numerator and the denominator by the highest power of n, which is n²: aₙ = (3n/n² + 4n²/n²) / (5n²/n² – n/n²) aₙ = (3/n + 4) / (5 – 1/n) Now, we take the limit as n → ∞: lim (n→∞) aₙ = lim (n→∞) [ (3/n + 4) / (5 – 1/n) ] Since lim (n→∞) 1/n = 0, we get: lim (n→∞) aₙ = (0 + 4) / (5 – 0) = 4/5 Since the limit is a finite and unique real number (4/5), the given sequence is convergent and converges to 4/5.
(b) The question asks to represent a number on the “real plane”. Assuming the number is the complex number z = 2 + √(-5) = 2 + i√5, it is represented on the Argand plane (complex plane), which is isomorphic to the real plane R². A complex number z = x + iy is represented by the point (x, y) in the Cartesian plane. Here, we have z = 2 + i√5. So, the real part is x = 2 and the imaginary part is y = √5. The value of √5 is approximately 2.236. Thus, we need to plot the point (2, √5) ≈ (2, 2.236) on the plane. To represent it: 1. Draw a Cartesian coordinate system (x-axis and y-axis). Label the x-axis as the ‘Real Axis’ and the y-axis as the ‘Imaginary Axis’. 2. Move 2 units along the positive Real Axis. 3. Move √5 (approx. 2.24) units up, parallel to the Imaginary Axis. 4. The point (2, √5) in the first quadrant represents the complex number 2 + i√5.
(c) We need to evaluate the limit: L = lim (n→∞) Σ (r=1 to 5n) [n² / (8n+r)³] This is a limit of a sum in the form of a definite integral. We aim to express it as a Riemann sum. L = lim (n→∞) Σ (r=1 to 5n) n² / [n³(8 + r/n)³] L = lim (n→∞) Σ (r=1 to 5n) (1/n) * [1 / (8 + r/n)³] Let us substitute x = r/n and dx = 1/n. As n → ∞, the sum becomes an integral. We need to determine the limits of integration: Lower limit: When r = 1, x = 1/n. As n → ∞, x → 0. Upper limit: When r = 5n, x = 5n/n = 5. So, the limit can be written as the definite integral: L = ∫ (from 0 to 5) [1 / (8+x)³] dx L = ∫ (from 0 to 5) (8+x)⁻³ dx Now we integrate: L = [ (8+x)⁻² / -2 ] (from 0 to 5) L = -1/2 * [ 1/(8+x)² ] (from 0 to 5) L = -1/2 * [ (1/(8+5)²) – (1/(8+0)²) ] L = -1/2 * [ 1/13² – 1/8² ] L = -1/2 * [ 1/169 – 1/64 ] L = -1/2 [ (64 – 169) / (169 64) ] L = -1/2 * [ -105 / 10816 ] L = 105 / 21632 .
Q3. (a) Test the convergence of the series: 1/3 + 4/9 + 9/27 + … (b) Evaluate the following limit, if it exists: lim (x→0) [x³ / (tan³x + tanx – x)] (c) Prove that every infinite set contains a denumerable set.
Ans. (a) The given series is 1/3 + 4/9 + 9/27 + … Let’s find the n-th term (aₙ) of the series. The numerators are 1, 4, 9, …, which are n². The denominators are 3, 9, 27, …, which are 3ⁿ. So, the n-th term is aₙ = n² / 3ⁿ. To test the convergence of this series, we will use the Ratio Test . aₙ₊₁ = (n+1)² / 3ⁿ⁺¹ Now we compute the limit L = lim (n→∞) |aₙ₊₁ / aₙ| L = lim (n→∞) | ( (n+1)² / 3ⁿ⁺¹ ) / ( n² / 3ⁿ ) | L = lim (n→∞) | ( (n+1)² / (3 3ⁿ) ) ( 3ⁿ / n² ) | L = lim (n→∞) | (1/3) * ( (n+1)² / n² ) | L = (1/3) * lim (n→∞) | ((n+1)/n)² | L = (1/3) * lim (n→∞) | (1 + 1/n)² | L = (1/3) (1 + 0)² = (1/3) 1 = 1/3 According to the Ratio Test, if L < 1, the series converges. Here, L = 1/3 < 1. Therefore, the given series is convergent .
(b) We need to evaluate the limit L = lim (x→0) [x³ / (tan³x + tanx – x)]. As x → 0, the numerator x³ → 0. The denominator tan³x + tanx – x → tan³(0) + tan(0) – 0 = 0. This is an indeterminate form 0/0. We can use the Maclaurin series expansion for tan(x) near x=0: tan(x) = x + x³/3 + 2x⁵/15 + O(x⁷) Substitute this into the denominator: Denominator = (x + x³/3 + …)³ + (x + x³/3 + …) – x For x→0, the lowest order terms dominate. The leading term of (x + x³/3 + …)³ is x³. So, the denominator is approximately x³ + (x + x³/3 – x) = x³ + x³/3 = 4x³/3 for small x. Now compute the limit: L = lim (x→0) [ x³ / (4x³/3) ] L = lim (x→0) [ 3/4 ] = 3/4 . Alternatively, applying L’Hôpital’s Rule three times would yield the same result but would be more tedious.
(c) To prove that every infinite set contains a denumerable set. Theorem: Every infinite set S has a denumerable subset. Proof: Let S be an infinite set. A set is infinite if it is not empty and not finite. Since S is infinite, it is non-empty. Therefore, an element exists in it. 1. Since S is non-empty, we can choose an element a₁ ∈ S. 2. Consider the set S₁ = S – {a₁}. Since S is infinite, removing one element leaves it infinite. Thus S₁ is infinite, and in particular, non-empty. So we can choose an element a₂ ∈ S₁. Note that a₂ ≠ a₁. 3. Similarly, consider the set S₂ = S₁ – {a₂} = S – {a₁, a₂}. This set is also infinite and non-empty. We can therefore choose an element a₃ ∈ S₂, where a₃ ≠ a₁ and a₃ ≠ a₂. 4. We can continue this process indefinitely. At the n-th step, we have constructed a set of n distinct elements {a₁, a₂, …, aₙ}. The set Sₙ = S – {a₁, a₂, …, aₙ} is still infinite, so we can choose an element aₙ₊₁ ∈ Sₙ. This process never terminates because S is infinite. By this process, we construct a sequence of elements a₁, a₂, a₃, …, aₙ, … where all the aᵢ are distinct. Consider the set A = {a₁, a₂, a₃, …}. This set is a subset of S by construction. There exists a bijection f: N → A between the set of natural numbers N and the set A, defined by f(n) = aₙ. This function is one-to-one because all aₙ are distinct, and it is onto because every element in A corresponds to some n. A set that is in bijection with N is denumerable . Therefore, A is a denumerable subset of S. Thus, we have proved that every infinite set contains a denumerable subset. (This proof relies on the Axiom of Choice).
Q4. (a) Examine the continuity of the function f:[2, 5]→R defined by f(x) = [x] / (4x-3) where [x] denotes the greatest integer ≤x. (b) Show that Rₙ(x), the Lagrange’s form of remainder in the Maclaurin’s series expansion of cos(3x), tends to zero as n→∞. Hence obtain the Maclaurin’s infinite expansion of cos(3x).
Ans. (a) The function is f(x) = [x] / (4x – 3) defined on the interval [2, 5]. Potential points of discontinuity are where the denominator is zero or where the greatest integer function [x] jumps (i.e., at integers). 1. Denominator Check: The denominator 4x – 3 = 0 when x = 3/4. Since 3/4 is not in the interval [2, 5], there is no discontinuity from this cause. 2. Greatest Integer Function Check: In the interval [2, 5], the value of [x] jumps at x = 3, x = 4, and x = 5. We must check continuity at these integer points.
Continuity at x = 3:
- Left-Hand Limit (LHL): lim (x→3⁻) f(x) = lim (x→3⁻) [x] / (4x – 3). As x approaches 3 from the left (e.g., 2.99), [x] = 2. LHL = 2 / (4(3) – 3) = 2 / (12 – 3) = 2/9 .
- Right-Hand Limit (RHL): lim (x→3⁺) f(x) = lim (x→3⁺) [x] / (4x – 3). As x approaches 3 from the right (e.g., 3.01), [x] = 3. RHL = 3 / (4(3) – 3) = 3 / 9 = 1/3 .
- Function Value: f(3) = [3] / (4(3) – 3) = 3 / 9 = 1/3 .
Since LHL ≠ RHL, the function is
discontinuous at x = 3
.
Continuity at x = 4:
- LHL: lim (x→4⁻) f(x) = lim (x→4⁻) [x] / (4x – 3). As x → 4⁻, [x] = 3. LHL = 3 / (4(4) – 3) = 3 / (16 – 3) = 3/13 .
- RHL: lim (x→4⁺) f(x) = lim (x→4⁺) [x] / (4x – 3). As x → 4⁺, [x] = 4. RHL = 4 / (4(4) – 3) = 4 / 13 = 4/13 .
Since LHL ≠ RHL, the function is
discontinuous at x = 4
.
Continuity at x = 5: Since 5 is the endpoint of the interval, we only check the left-hand limit and compare it to f(5).
- LHL: lim (x→5⁻) f(x) = lim (x→5⁻) [x] / (4x – 3). As x → 5⁻, [x] = 4. LHL = 4 / (4(5) – 3) = 4 / (20 – 3) = 4/17 .
- Function Value: f(5) = [5] / (4(5) – 3) = 5 / 17 = 5/17 .
Since LHL ≠ f(5), the function is
discontinuous at x = 5
.
For any non-integer point c ∈ (2, 5), [x] is constant in a small neighborhood of c, and 4x-3 is a continuous and non-zero function. Thus, f(x) is continuous at all non-integer points. Conclusion: The function f(x) is continuous on [2, 5] except at x = 3, 4, and 5.
(b) Let f(x) = cos(3x). The Lagrange form of the remainder for the Maclaurin series is given by: Rₙ(x) = [ fⁿ⁺¹(c) / (n+1)! ] * xⁿ⁺¹, for some c between 0 and x. First, we find the derivatives of f(x) = cos(3x): f'(x) = -3sin(3x) f”(x) = -3²cos(3x) f”'(x) = 3³sin(3x) In general, the k-th derivative fᵏ(x) is of the form ±3ᵏcos(3x) or ±3ᵏsin(3x). In any case, we know that |sin(u)| ≤ 1 and |cos(u)| ≤ 1. Therefore, the magnitude of the k-th derivative is bounded: |fᵏ(x)| ≤ 3ᵏ This is also true for fⁿ⁺¹(c): |fⁿ⁺¹(c)| ≤ 3ⁿ⁺¹. Now consider the magnitude of Rₙ(x): |Rₙ(x)| = | [ fⁿ⁺¹(c) / (n+1)! ] * xⁿ⁺¹ | |Rₙ(x)| ≤ [ |fⁿ⁺¹(c)| / (n+1)! ] * |x|ⁿ⁺¹ |Rₙ(x)| ≤ [ 3ⁿ⁺¹ / (n+1)! ] * |x|ⁿ⁺¹ = (3|x|)ⁿ⁺¹ / (n+1)! We need to show that lim (n→∞) |Rₙ(x)| = 0. This is equivalent to showing lim (n→∞) (3|x|)ⁿ⁺¹ / (n+1)! = 0. Let a = 3|x|. We need to show that for any fixed real number a, lim (n→∞) aⁿ⁺¹ / (n+1)! = 0. This is a standard limit. The factorial (n+1)! grows much faster than the exponential aⁿ⁺¹. For any fixed x, the term aⁿ/n! → 0 as n → ∞. This can be shown using the ratio test on the series Σaⁿ/n!, which shows the series converges, implying the term must go to zero. Thus, lim (n→∞) Rₙ(x) = 0.
Now, to obtain the Maclaurin infinite expansion of cos(3x), we evaluate the derivatives at x=0: f(0) = cos(0) = 1 f'(0) = -3sin(0) = 0 f”(0) = -9cos(0) = -9 f”'(0) = 27sin(0) = 0 f⁴(0) = 81cos(0) = 81 … The Maclaurin series is: f(x) = Σ (from n=0 to ∞) [fⁿ(0)/n!] * xⁿ cos(3x) = f(0) + f'(0)x + [f”(0)/2!]x² + [f”'(0)/3!]x³ + [f⁴(0)/4!]x⁴ + … cos(3x) = 1 + 0 x + (-9/2!)x² + 0 x³ + (81/4!)x⁴ + … cos(3x) = 1 – 9/2! x² + 81/4! x⁴ – … cos(3x) = 1 – (3x)²/2! + (3x)⁴/4! – (3x)⁶/6! + … So, the Maclaurin infinite expansion for cos(3x) is: cos(3x) = Σ (from n=0 to ∞) (-1)ⁿ * (3x)²ⁿ / (2n)!
Q5. (a) Examine the following series for convergence: Σ (n=1 to ∞) [((n+1)/(3n-2))ⁿ] (b) Prove that every strictly increasing onto function is invertible. (c) Examine the function: f(x) = (x+2)³(x-5)² for extreme values.
Ans. (a) The given series is Σ aₙ where aₙ = ((n+1)/(3n-2))ⁿ. Since the term is raised to the n-th power, the Root Test is the most suitable method. According to the Root Test, we compute the limit: L = lim (n→∞) |aₙ|¹/ⁿ L = lim (n→∞) | ((n+1)/(3n-2))ⁿ |¹/ⁿ L = lim (n→∞) | (n+1)/(3n-2) | To evaluate the limit, we divide the numerator and denominator by n: L = lim (n→∞) | (1 + 1/n) / (3 – 2/n) | As n → ∞, 1/n → 0 and 2/n → 0. L = | (1 + 0) / (3 – 0) | = 1/3 The Root Test states that if L < 1, the series converges. Since L = 1/3 < 1, the given series is convergent .
(b) Let f: A → B be a strictly increasing and onto function. For a function to be invertible, it must be both one-to-one (injective) and onto (surjective), i.e., it must be a bijection. We are given that the function f is onto . We need to prove that f is one-to-one . A function f is one-to-one if for any two distinct elements x₁ and x₂ in the domain, it follows that f(x₁) ≠ f(x₂). Let x₁, x₂ ∈ A with x₁ ≠ x₂. Since A is an ordered set (like a subset of R), we can assume either x₁ < x₂ or x₂ < x₁. Let’s assume x₁ < x₂. Since f is a strictly increasing function, by definition, if x₁ < x₂, then f(x₁) < f(x₂). Since f(x₁) < f(x₂), it is clear that f(x₁) ≠ f(x₂). This shows that distinct elements in the domain always map to distinct elements in the codomain. Therefore, the function f is one-to-one. Since f is both one-to-one and onto, it is a bijection. Every bijective function is invertible. Hence, every strictly increasing onto function is invertible.
(c) To examine the function f(x) = (x+2)³(x-5)² for extreme values, we need to find its critical points. Critical points occur where f'(x) = 0 or f'(x) is undefined. First, calculate f'(x) using the product rule: f'(x) = d/dx[(x+2)³] (x-5)² + (x+2)³ d/dx[(x-5)²] f'(x) = 3(x+2)²(1) (x-5)² + (x+2)³ 2(x-5)(1) Now, factor out the common terms, which are (x+2)² and (x-5): f'(x) = (x+2)²(x-5) [ 3(x-5) + 2(x+2) ] f'(x) = (x+2)²(x-5) [ 3x – 15 + 2x + 4 ] f'(x) = (x+2)²(x-5) (5x – 11) Set f'(x) = 0 to find the critical points: (x+2)²(x-5)(5x – 11) = 0 This gives us the critical points: x = -2, x = 5, x = 11/5 = 2.2. We now use the First Derivative Test to determine the nature of these points by checking the sign of f'(x):
- For x < 11/5 (but not x=-2): e.g., x=0. f'(0) = (2)²(-5)(-11) > 0. (Increasing)
- For 11/5 < x < 5: e.g., x=3. f'(3) = (5)²(-2)(4) < 0. (Decreasing)
- For x > 5: e.g., x=6. f'(6) = (8)²(1)(19) > 0. (Increasing)
Let’s analyze each critical point:
- At x = 11/5: The sign of f'(x) changes from + to -. Therefore, f has a local maximum at x = 11/5.
- At x = 5: The sign of f'(x) changes from – to +. Therefore, f has a local minimum at x = 5.
- At x = -2: Let’s check the sign of f’ around -2. For x < -2 (e.g., x=-3), f'(-3) = (-1)²(-8)(-26) > 0. For -2 < x < 11/5 (e.g., x=0), f'(0) > 0. The sign of f'(x) does not change at x = -2. Therefore, x = -2 is neither a local maximum nor minimum. It is a stationary point of inflection .
Q6. (a) Prove that a non-empty subset of R is closed if its complement is open. (b) Show that the equation: 2x³ – 3x² + x – 4 = 0 has a real root in the interval [1, 2]. (c) Prove that the function f defined by: f(x) = {2, if x is rational; -2, if x is irrational} is discontinuous at each real number, using sequential definition of the continuity.
Ans. (a) This statement is the standard definition of a closed set in topology. We will prove it starting from the limit point definition of a closed set. Proof: Let S be a non-empty subset of R and assume its complement, Sᶜ = R \ S, is open. We want to prove that S is closed. A set is closed if it contains all of its limit points. Let x be any limit point of S. We must show that x ∈ S. We will prove this by contradiction. Assume that x ∉ S. If x ∉ S, then by definition, x ∈ Sᶜ. We are given that Sᶜ is an open set. By the definition of an open set, for every point in it, there exists an ε > 0 such that the ε-neighborhood of the point is entirely contained within the set. Therefore, there exists an ε > 0 such that the open interval (x – ε, x + ε) ⊂ Sᶜ. This means that the neighborhood (x – ε, x + ε) contains no points of S. But this contradicts the fact that x is a limit point of S, because the definition of a limit point states that every neighborhood of it must contain at least one point of S other than x itself. This contradiction arose from our initial assumption that x ∉ S. Therefore, our assumption must be false. Hence, x ∈ S. Since x was an arbitrary limit point of S, this means S contains all its limit points. Therefore, S is a closed set.
(b) We want to show that the equation 2x³ – 3x² + x – 4 = 0 has a real root in the interval [1, 2]. We will use the Intermediate Value Theorem (IVT) . Let f(x) = 2x³ – 3x² + x – 4. 1. Since f(x) is a polynomial function, it is continuous for all real numbers. Therefore, it is continuous on the closed interval [1, 2]. 2. Now, we evaluate the function at the endpoints of the interval: f(1) = 2(1)³ – 3(1)² + 1 – 4 = 2 – 3 + 1 – 4 = -4 f(2) = 2(2)³ – 3(2)² + 2 – 4 = 2(8) – 3(4) + 2 – 4 = 16 – 12 – 2 = 2 3. We observe that f(1) is negative and f(2) is positive. So, f(1) < 0 < f(2). The IVT states that if a function f is continuous on a closed interval [a, b], and k is any number between f(a) and f(b), then there must exist at least one number c in the open interval (a, b) such that f(c) = k. In our case, a=1, b=2, and we choose k=0, which is between f(1)=-4 and f(2)=2. The theorem guarantees that there exists a number c ∈ (1, 2) such that f(c) = 0. This number c is a real root of the equation. Thus, the equation 2x³ – 3x² + x – 4 = 0 has a real root in the interval [1, 2].
(c) The given function is the Dirichlet function (modified): f(x) = { 2, if x is rational; -2, if x is irrational } We want to prove f is discontinuous at every real number c, using the sequential definition of continuity. A function f is continuous at c if for every sequence (xₙ) that converges to c, the sequence (f(xₙ)) converges to f(c). Let c be any real number. We consider two cases.
Case 1: c is a rational number. In this case, by definition, f(c) = 2. To show f is discontinuous at c, we need to find a sequence (xₙ) converging to c such that lim (n→∞) f(xₙ) ≠ 2. We know that the irrational numbers are dense in the real line. This means between any two distinct real numbers, there is an irrational number. Thus, we can construct a sequence of irrational numbers (xₙ) that converges to c. For example, for each n ∈ N, choose an irrational xₙ such that c < xₙ < c + 1/n. By the Squeeze Theorem, lim (n→∞) xₙ = c. Since every term in the sequence (xₙ) is irrational, f(xₙ) = -2 for all n. Therefore, lim (n→∞) f(xₙ) = lim (n→∞) -2 = -2. But f(c) = 2. Since lim (n→∞) f(xₙ) ≠ f(c), the function f is discontinuous at c.
Case 2: c is an irrational number. In this case, by definition, f(c) = -2. Now we will construct a sequence (yₙ) converging to c such that lim (n→∞) f(yₙ) ≠ -2. We know that the rational numbers are also dense in the real line. Thus, we can construct a sequence of rational numbers (yₙ) that converges to c. (For example, by taking the decimal expansion of c and truncating it at the n-th place). Since every term in the sequence (yₙ) is rational, f(yₙ) = 2 for all n. Therefore, lim (n→∞) f(yₙ) = lim (n→∞) 2 = 2. But f(c) = -2. Since lim (n→∞) f(yₙ) ≠ f(c), the function f is discontinuous at c. Since c was an arbitrary real number, and we have shown discontinuity in both cases (rational and irrational), we conclude that the function f is discontinuous at every real number .
Q7. Which of the following statements are true? Give reasons for your answers: (a) Every bounded sequence is divergent. (b) The set Q of rational numbers is an open subset of R. (c) The function f(x) = 8x² + |x+3| is differentiable at x=-2. (d) The function f given by: f(x) = {(2ˣ – 2⁻ˣ)/x if x≠0, 3 if x=0} is continuous at x=0. (e) The necessary condition for a function f to be integrable is that it is continuous.
Ans. (a) Every bounded sequence is divergent. False. Reason: This statement is incorrect. A bounded sequence can be either convergent or divergent. For example, the sequence aₙ = 1/n is bounded (since 0 < aₙ ≤ 1 for all n) and it converges to 0. Another example is the constant sequence aₙ = 5, which is bounded and converges to 5. The statement claims every bounded sequence is divergent, which is disproven by these counterexamples.
(b) The set Q of rational numbers is an open subset of R. False. Reason: A set U is open in R if for every point x ∈ U, there exists an ε > 0 such that the open interval (x – ε, x + ε) is entirely contained in U. Let q be any rational number in Q. Any open interval (q – ε, q + ε) around q, no matter how small ε is, will always contain irrational numbers (due to the density of irrationals in R). Therefore, no neighborhood of q can be entirely contained in Q. Thus, Q is not an open set.
(c) The function f(x) = 8x² + |x+3| is differentiable at x=-2. True. Reason: The differentiability of a function involving an absolute value |g(x)| is typically questioned at points where g(x) = 0. For |x+3|, this critical point is at x = -3. We are checking for differentiability at x = -2. In a neighborhood of x = -2 (for instance, the interval (-2.5, -1.5)), the term x+3 is always positive. (e.g., at x=-2, x+3 = 1 > 0). When x+3 > 0, we have |x+3| = x+3. So, in a neighborhood of x = -2, the function can be written as: f(x) = 8x² + x + 3 This is a polynomial function, which is differentiable everywhere. Its derivative is: f'(x) = 16x + 1 At x = -2, the derivative is f'(-2) = 16(-2) + 1 = -31. Since the derivative exists at x = -2, the function is differentiable at this point.
(d) The function f given by: f(x) = {(2ˣ – 2⁻ˣ)/x if x≠0, 3 if x=0} is continuous at x=0. False. Reason: For a function f to be continuous at x=0, we must have lim (x→0) f(x) = f(0). We are given f(0) = 3. Now let’s calculate the limit: lim (x→0) (2ˣ – 2⁻ˣ)/x This is an indeterminate form of type 0/0 (since 2⁰ – 2⁰ = 1-1=0). We can use L’Hôpital’s Rule: lim (x→0) [ d/dx(2ˣ – 2⁻ˣ) / d/dx(x) ] = lim (x→0) [ 2ˣln(2) – 2⁻ˣ(-ln(2)) ] / 1 = [ 2⁰ln(2) + 2⁰ln(2) ] / 1 = ln(2) + ln(2) = 2ln(2) = ln(4) So, the limit of the function as x approaches 0 is ln(4). Since lim (x→0) f(x) = ln(4) ≠ 3 = f(0), the function f is not continuous at x=0.
(e) The necessary condition for a function f to be integrable is that it is continuous. False. Reason: This statement confuses necessary and sufficient conditions. Continuity on a closed interval is a sufficient condition for a function to be Riemann-integrable, but it is not a necessary one. A necessary condition must be true for all integrable functions. However, there are many functions that are integrable but not continuous. Counterexample: Consider the step function f(x) defined on [-1, 1] by f(x) = { 0 if -1 ≤ x < 0, 1 if 0 ≤ x ≤ 1 }. This function is discontinuous at x=0, but it is integrable on [-1, 1]. Its integral is 1. The necessary and sufficient condition for Riemann integrability is that the set of discontinuities of the function has measure zero.
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