Gujarati
5. Continuity and Differentiation
hard

मान लीजिए कि $\psi_1:[0, \infty) \rightarrow R , \psi_2:[0, \infty) \rightarrow R , f:[0, \infty) \rightarrow R$ और $g :[0, \infty) \rightarrow R$ ऐसे फलन हैं कि

$f(0)=g(0)=0,$

$\psi_1( x )= e ^{- x }+ x , \quad x \geq 0,$

$\psi_2( x )= x ^2-2 x -2 e ^{- x }+2, x \geq 0,$

$f( x )=\int_{- x }^{ x }\left(|t|- t ^2\right) e ^{- t ^2} dt , x >0$

और

$g(x)=\int_0^{x^2} \sqrt{t} e^{-t} d t, x>0$

($1$) निम्न कथनों में से कौन सा सत्य है ?

$(A)$ $f(\sqrt{\ln 3})+g(\sqrt{\ln 3})=\frac{1}{3}$

$(B)$ प्रत्येक $x >1$ के लिए, एक ऐसा $\alpha \in(1, x )$ विद्यमान है जिसके लिए $\psi_1( x )=1+\alpha x$ है।

$(C)$ प्रत्येक $x >0$ के लिए, एक ऐसा $\beta \in(0, x )$ विद्यमान है जिसके लिए $\psi_2( x )=2 x \left(\psi_1(\beta)-1\right)$ है।

$(D)$ अंतराल $\left[0, \frac{3}{2}\right]$ में $f$ एक वर्धमान फलन (increasing function) है।

($2$) निम्न कथनों में से कौन सा सत्य है?

$(A)$ सभी $x >0$ के लिए, $\psi_1( x ) \leq 1$ है।

$(B)$ सभी $x >0$ के लिए, $\Psi_2( x ) \leq 0$ है।

$(C)$ सभी $x \in\left(0, \frac{1}{2}\right)$ के लिए, $f( x ) \geq 1- e ^{- x ^2}-\frac{2}{3} x ^3+\frac{2}{5} x ^5$ है।

$(D)$ सभी $x \in\left(0, \frac{1}{2}\right)$ के लिए, $g ( x ) \leq \frac{2}{3} x ^3-\frac{2}{5} x ^5+\frac{1}{7} x ^7$ है।

A

$C,D$

B

$C,A$

C

$C,B$

D

$A,B,C$

(IIT-2021)

Solution

$f^{\prime}(x)=\left(|x|-x^2\right) e^{-x^2}+\left(|x|-x^2\right) e^{-x^2}, x \geq 0$

$f^{\prime}=2\left(x-x^2\right) e^{-x^2}$

hence option $(D)$ is wrong

$g^{\prime}(x)=x^{-x^2} 2 x$

$f^{\prime}(x)+g^{\prime}(x)=2 \times e^{-x^2}$

$f(x)+g(x)=-e^{-x^2}+c$

$f(x)+g(x)=-e^{-x^2}+1$

$F (\ell n 3)+ g (\sqrt{\ell n 3})=1-\frac{1}{3}=\frac{2}{3} \text { (option (A) is wrong) }$

$H ( x )=\psi_1( x )-1-\alpha x = e ^{- x }+ x -1-\alpha x , \quad x \geq 1 \& \alpha \in(1, x )$

$H(1)= e ^{-1}+1-1-\alpha<0$

$H^{\prime}(x)=-e^{-x}+1-\alpha>0 \quad \Rightarrow H(x) \text { is } \downarrow\Rightarrow \text { option (B) is wrong }$

$\text { (C) } \psi_2(x)=2\left(\psi_1(\beta)-1\right)$

$\text { Applying L.M.V.T to } \Psi_2( x ) \text { in }[0, x ]$

$\psi_2^{\prime}(\beta)=\frac{\psi_2(x)-\psi_2(0)}{x}$

$2 \beta-2+2 e ^{-\beta}=\frac{\Psi_2( x )-0}{ x }$

$\Rightarrow \psi_2(x)=2 x\left(\psi_1(\beta-1)\right) \text { has one solution }$

$\text { option }( C ) \text { is correct. }$

$\text { (A) } \psi_1( x )= e ^{- x }+ x , \quad x \geq, 0$

$\psi_1^{\prime}( x )=1- e ^{- x }>0 \Rightarrow \psi_1( x ) \text { is } \uparrow$

$\psi_1( x ) \geq \psi_1(0) \quad \forall x \geq 0 \Rightarrow \psi_1( x ) \geq 1$

$\text { (B) } \psi_2( x )= x ^2-2 x +2-2 e ^{- x } \quad x \geq 0$

$\psi_2^{\prime}( x )=2 x -2+2 e ^{- x }=2 \psi_1( x )-2 \geq 0 \quad \forall x \geq 0$

$\Rightarrow \psi_2( x ) \text { is } \uparrow \Rightarrow \psi_2( x ) \geq \psi_2(0)$ $\Rightarrow \psi_2( x ) \geq 0$

$\text { (C) } f ( x )=2 \int_0^x\left( t – t ^2\right) e ^{- t ^2} dt \quad \& \quad x \in\left(0, \frac{1}{2}\right)$

$=\int_0^{ x } 2 te ^{- t ^2} dt -\int_0^x 2 t ^2 e ^{- t ^2} dl$

$=-\left. e ^{- x ^2}\right|_0 ^{ x }-$

Let $H ( x )= f ( x )-1+ e ^{- x ^2}+\frac{2}{3} x ^3-\frac{2}{5} x ^5, \quad x \in\left(0, \frac{1}{2}\right)$

$H(0)=0$

$H^{\prime}(x)=2\left(x-x^2\right) e^{-x^2}-2 x e^{-x^2}+2 x^2-2 x^4$

$=-2 x^2 e^{-x^2}+2 x^2-2 x^4$

$=2 x^2\left(1-x^2-e^{-x^2}\right)$

$\because e ^{-x} \geq 1-x \quad \forall x \geq 0$

$\Rightarrow H^{\prime}(x) \leq 0$

$\Rightarrow H(x) \text { is } \downarrow \Rightarrow 1-1(x)<0 \forall x \in\left(0, \frac{1}{2}\right)$

$\text { Let } P(x)=g(x)-\frac{2}{3} x^3+\frac{2}{5} x^5-\frac{1}{7} x^7 x \in\left(0, \frac{1}{2}\right)$

$P^{\prime}(x)=2 x^2 e^{-x^2}-2 x^2+2 x^4-x^6$

$\quad=2 x^2\left(1-\frac{x^2}{1}+\frac{x^4}{2}-\frac{x^6}{3}+\ldots\right)-2 x^2+2 x^4-x^6$

$\quad=-\frac{x^8}{3}+\frac{x^{10}}{12} \ldots \ldots \ldots . .$

$\Rightarrow P^{\prime}(x) \leq 0$

$\Rightarrow P(x) \text { is } \downarrow$

$\Rightarrow P(x) \leq 0$

option $(D)$ is correct

Standard 12
Mathematics

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