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CLASS 12 MATHS · CHAPTER 9

Differential Equationsअवकल समीकरणDifferential Equations

Order and degree of a differential equation, general and particular solutions, and three ways to solve first order, first degree equations — variables separable, homogeneous and linear — NCERT Chapter 9, in easy words.अवकल समीकरण की कोटि और घात, व्यापक और विशिष्ट हल, और प्रथम कोटि एवं प्रथम घात के अवकल समीकरण हल करने की तीन विधियाँ — पृथक्करणीय चर, समघातीय और रैखिक — NCERT अध्याय 9, आसान शब्दों में।Differential equation ka order aur degree, general aur particular solution, aur first order first degree equations solve karne ke teen tareeke — variables separable, homogeneous aur linear — NCERT Chapter 9, aasaan shabdon mein.

In this chapterइस अध्याय मेंIs chapter mein

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All sections (NCERT order)सभी खंड (NCERT क्रम)Saare sections (NCERT order)
  1. 9.1IntroductionपरिचयIntroduction
  2. 9.2Basic Conceptsआधारभूत संकल्पनाएँBasic concepts
  3. 9.2.1Order of a differential equationअवकल समीकरण की कोटिDifferential equation ka order
  4. 9.2.2Degree of a differential equationअवकल समीकरण की घातDifferential equation ki degree
  5. 9.3General and Particular Solutions of a Differential Equationअवकल समीकरण का व्यापक एवं विशिष्ट हलDifferential equation ka general aur particular solution
  6. 9.4Methods of Solving First Order, First Degree Differential Equationsप्रथम कोटि एवं प्रथम घात के अवकल समीकरणों को हल करने की विधियाँFirst order, first degree differential equations solve karne ke methods
  7. 9.4.1Differential equations with variables separableपृथक्करणीय चर वाले अवकल समीकरणVariables separable wale differential equations
  8. 9.4.2Homogeneous differential equationsसमघातीय अवकल समीकरणHomogeneous differential equations
  9. 9.4.3Linear differential equationsरैखिक अवकल समीकरणLinear differential equations
  10. Miscellaneous Examplesविविध उदाहरणMiscellaneous Examples
  11. Formula sheetसूत्र-पत्रFormula sheet
  12. Quick revisionत्वरित पुनरावृत्तिQuick revision

9.1IntroductionपरिचयIntroduction

🌱 Start here🌱 यहाँ से शुरू कीजिए🌱 Yahan se shuru kijiyeThink of money growing in a bank, or the number of bacteria in a dish. Often we do not know the quantity itself — we only know how fast it is changing, i.e. its derivative. An equation that contains such a derivative is a differential equation. Solving it means getting the quantity back from its rate of change.बैंक में बढ़ते धन या किसी पात्र में बढ़ते जीवाणुओं के बारे में सोचिए। अक्सर हमें राशि स्वयं नहीं पता होती — केवल यह पता होता है कि वह कितनी तेज़ी से बदल रही है, अर्थात् उसका अवकलज। जिस समीकरण में ऐसा अवकलज हो, वह अवकल समीकरण है। इसे हल करने का अर्थ है परिवर्तन की दर से मूल राशि वापस प्राप्त करना।Bank mein badhte paise ya kisi dish mein badhte bacteria ke baare mein sochiye. Aksar humein quantity khud nahi pata hoti — sirf ye pata hota hai ki wo kitni tezi se badal rahi hai, yaani uska derivative. Jis equation mein aisa derivative ho, wo differential equation hai. Use solve karne ka matlab hai rate of change se asli quantity wapas nikaalna.

In Chapter 5 we found f'(x) for a given f. In the chapter on integrals we did the reverse: for a given function g, find f such that \dfrac{dy}{dx} = g(x), where y = f(x). An equation of this form is known as a differential equation.अध्याय 5 में हमने दिए गए f के लिए f'(x) ज्ञात किया था। समाकलन वाले अध्याय में हमने उल्टा किया: दिए गए फलन g के लिए ऐसा f ज्ञात करना कि \dfrac{dy}{dx} = g(x), जहाँ y = f(x)। इस रूप का समीकरण अवकल समीकरण कहलाता है।Chapter 5 mein humne diye gaye f ke liye f'(x) nikala tha. Integrals wale chapter mein ulta kiya: diye gaye function g ke liye aisa f dhoondhna ki \dfrac{dy}{dx} = g(x), jahan y = f(x). Is form ki equation differential equation kehlaati hai.

Such equations arise in Physics, Chemistry, Biology, Anthropology, Geology, Economics and more. In this chapter we study the basic concepts, general and particular solutions, some methods to solve a first order, first degree differential equation, and some applications.ऐसे समीकरण भौतिकी, रसायन, जीव विज्ञान, नृविज्ञान, भूविज्ञान, अर्थशास्त्र आदि में आते हैं। इस अध्याय में हम मूलभूत संकल्पनाएँ, व्यापक और विशिष्ट हल, प्रथम कोटि एवं प्रथम घात के अवकल समीकरण को हल करने की कुछ विधियाँ और कुछ अनुप्रयोग पढ़ेंगे।Aise equations Physics, Chemistry, Biology, Anthropology, Geology, Economics wagairah mein aate hain. Is chapter mein hum basic concepts, general aur particular solutions, first order first degree differential equation solve karne ke kuch methods aur kuch applications padhenge.

Before you startYou need differentiation (Chapter 5) and the standard integrals and methods of the Integrals chapter (substitution, partial fractions, by parts). Every method in this chapter ends with "integrate both sides".शुरू करने से पहलेआपको अवकलन (अध्याय 5) और समाकलन अध्याय के मानक समाकल और विधियाँ (प्रतिस्थापन, आंशिक भिन्न, खंडशः) आनी चाहिए। इस अध्याय की हर विधि "दोनों पक्षों का समाकलन कीजिए" पर ख़त्म होती है।Shuru karne se pehleAapko differentiation (Chapter 5) aur Integrals chapter ke standard integrals aur methods (substitution, partial fractions, by parts) aane chahiye. Is chapter ka har method "dono sides integrate kijiye" par khatam hota hai.

9.2Basic Conceptsआधारभूत संकल्पनाएँBasic concepts

We already know equations like x^2 - 3x + 3 = 0, \sin x + \cos x = 0 and x + y = 7. They contain only variables. Now look at x\dfrac{dy}{dx} + y = 0: it contains the variables and the derivative of the dependent variable y with respect to the independent variable x. Such an equation is called a differential equation.हम x^2 - 3x + 3 = 0, \sin x + \cos x = 0 और x + y = 7 जैसे समीकरण जानते हैं। इनमें केवल चर हैं। अब x\dfrac{dy}{dx} + y = 0 को देखिए: इसमें चरों के साथ स्वतंत्र चर x के सापेक्ष आश्रित चर y का अवकलज भी है। ऐसा समीकरण अवकल समीकरण कहलाता है।Hum x^2 - 3x + 3 = 0, \sin x + \cos x = 0 aur x + y = 7 jaise equations jaante hain. Inmein sirf variables hain. Ab x\dfrac{dy}{dx} + y = 0 dekhiye: isme variables ke saath independent variable x ke respect mein dependent variable y ka derivative bhi hai. Aisi equation differential equation kehlaati hai.

📘 Definition (NCERT)📘 परिभाषा (NCERT)📘 Definition (NCERT)Differential equationAn equation involving derivative (derivatives) of the dependent variable with respect to independent variable (variables) is called a differential equation.अवकल समीकरणएक ऐसा समीकरण जिसमें स्वतंत्र चर (चरों) के सापेक्ष आश्रित चर के अवकलज (अवकलजों) सम्मिलित हों, अवकल समीकरण कहलाता है।Differential equationAisi equation jismein independent variable (variables) ke respect mein dependent variable ka derivative (derivatives) ho, differential equation kehlaati hai.
📘 Definition (NCERT)📘 परिभाषा (NCERT)📘 Definition (NCERT)Ordinary differential equationA differential equation involving derivatives of the dependent variable with respect to only one independent variable is called an ordinary differential equation, e.g. 2\dfrac{d^2y}{dx^2} + \left(\dfrac{dy}{dx}\right)^3 = 0.साधारण अवकल समीकरणऐसा अवकल समीकरण जिसमें आश्रित चर के अवकलज केवल एक स्वतंत्र चर के सापेक्ष हों, साधारण अवकल समीकरण कहलाता है, जैसे 2\dfrac{d^2y}{dx^2} + \left(\dfrac{dy}{dx}\right)^3 = 0।Ordinary differential equationJis differential equation mein dependent variable ke derivatives sirf ek independent variable ke respect mein hon, wo ordinary differential equation hai, jaise 2\dfrac{d^2y}{dx^2} + \left(\dfrac{dy}{dx}\right)^3 = 0.

Equations with derivatives with respect to more than one independent variable are called partial differential equations; at this stage we study only ordinary ones. From now on, "differential equation" means "ordinary differential equation".एक से अधिक स्वतंत्र चरों के सापेक्ष अवकलज वाले समीकरण आंशिक अवकल समीकरण कहलाते हैं; इस स्तर पर हम केवल साधारण अवकल समीकरण पढ़ेंगे। आगे "अवकल समीकरण" का अर्थ "साधारण अवकल समीकरण" होगा।Ek se zyada independent variables ke respect mein derivatives wale equations partial differential equations kehlaate hain; is level par hum sirf ordinary wale padhenge. Aage "differential equation" ka matlab "ordinary differential equation" hoga.

Notation used in the book: \dfrac{dy}{dx} = y', \dfrac{d^2y}{dx^2} = y'', \dfrac{d^3y}{dx^3} = y''', and for higher orders \dfrac{d^ny}{dx^n} = y_n (too many dashes would be inconvenient).पुस्तक का संकेतन: \dfrac{dy}{dx} = y', \dfrac{d^2y}{dx^2} = y'', \dfrac{d^3y}{dx^3} = y''', और उच्च कोटि के लिए \dfrac{d^ny}{dx^n} = y_n (बहुत सारे डैश असुविधाजनक होते)।Book ka notation: \dfrac{dy}{dx} = y', \dfrac{d^2y}{dx^2} = y'', \dfrac{d^3y}{dx^3} = y''', aur higher order ke liye \dfrac{d^ny}{dx^n} = y_n (bahut saare dash inconvenient hote).

9.2.1Order of a differential equationअवकल समीकरण की कोटिDifferential equation ka order

📘 Definition (NCERT)📘 परिभाषा (NCERT)📘 Definition (NCERT)OrderOrder of a differential equation is defined as the order of the highest order derivative of the dependent variable with respect to the independent variable involved in the given differential equation.कोटिकिसी अवकल समीकरण की कोटि उस अवकल समीकरण में सम्मिलित स्वतंत्र चर के सापेक्ष आश्रित चर के उच्चतम कोटि अवकलज की कोटि द्वारा परिभाषित होती है।OrderKisi differential equation ka order us equation mein aane wale (independent variable ke respect mein) dependent variable ke sabse oonche order ke derivative ka order hota hai.

For \dfrac{dy}{dx} = e^x … (6), \dfrac{d^2y}{dx^2} + y = 0 … (7) and \dfrac{d^3y}{dx^3} + x^2\left(\dfrac{d^2y}{dx^2}\right)^3 = 0 … (8), the highest derivatives are of first, second and third order, so their orders are 1, 2 and 3.\dfrac{dy}{dx} = e^x … (6), \dfrac{d^2y}{dx^2} + y = 0 … (7) और \dfrac{d^3y}{dx^3} + x^2\left(\dfrac{d^2y}{dx^2}\right)^3 = 0 … (8) में उच्चतम अवकलज क्रमशः प्रथम, द्वितीय और तृतीय कोटि के हैं, इसलिए इनकी कोटियाँ 1, 2 और 3 हैं।\dfrac{dy}{dx} = e^x … (6), \dfrac{d^2y}{dx^2} + y = 0 … (7) aur \dfrac{d^3y}{dx^3} + x^2\left(\dfrac{d^2y}{dx^2}\right)^3 = 0 … (8) mein sabse oonche derivatives first, second aur third order ke hain, isliye inke order 1, 2 aur 3 hain.

9.2.2Degree of a differential equationअवकल समीकरण की घातDifferential equation ki degree

The key point: to talk about degree, the differential equation must be a polynomial equation in derivatives y', y'', y''', … Look at \dfrac{d^3y}{dx^3} + 2\left(\dfrac{d^2y}{dx^2}\right)^2 - \dfrac{dy}{dx} + y = 0 … (9), \left(\dfrac{dy}{dx}\right)^2 + \left(\dfrac{dy}{dx}\right) - \sin^2 y = 0 … (10) and \dfrac{dy}{dx} + \sin\left(\dfrac{dy}{dx}\right) = 0 … (11). Equation (9) is a polynomial in y''', y'', y'; equation (10) is a polynomial in y' (not in y, but that does not matter). Equation (11) is not a polynomial in y', so its degree cannot be defined.मुख्य बात: घात की बात करने के लिए अवकल समीकरण अवकलजों y', y'', y''', … में बहुपद समीकरण होना चाहिए। \dfrac{d^3y}{dx^3} + 2\left(\dfrac{d^2y}{dx^2}\right)^2 - \dfrac{dy}{dx} + y = 0 … (9), \left(\dfrac{dy}{dx}\right)^2 + \left(\dfrac{dy}{dx}\right) - \sin^2 y = 0 … (10) और \dfrac{dy}{dx} + \sin\left(\dfrac{dy}{dx}\right) = 0 … (11) को देखिए। समीकरण (9), y''', y'', y' में बहुपद है; समीकरण (10), y' में बहुपद है (y में नहीं, पर इससे फ़र्क नहीं पड़ता)। समीकरण (11), y' में बहुपद नहीं है, इसलिए इसकी घात परिभाषित नहीं की जा सकती।Main baat: degree ki baat karne ke liye differential equation derivatives y', y'', y''', … mein polynomial equation honi chahiye. \dfrac{d^3y}{dx^3} + 2\left(\dfrac{d^2y}{dx^2}\right)^2 - \dfrac{dy}{dx} + y = 0 … (9), \left(\dfrac{dy}{dx}\right)^2 + \left(\dfrac{dy}{dx}\right) - \sin^2 y = 0 … (10) aur \dfrac{dy}{dx} + \sin\left(\dfrac{dy}{dx}\right) = 0 … (11) dekhiye. Equation (9), y''', y'', y' mein polynomial hai; equation (10), y' mein polynomial hai (y mein nahi, par usse farak nahi padta). Equation (11), y' mein polynomial nahi hai, isliye iski degree define nahi ho sakti.

📘 Definition (NCERT)📘 परिभाषा (NCERT)📘 Definition (NCERT)DegreeBy the degree of a differential equation, when it is a polynomial equation in derivatives, we mean the highest power (positive integral index) of the highest order derivative involved in the given differential equation.घातजब कोई अवकल समीकरण अवकलजों में बहुपद समीकरण हो, तो उसकी घात से हमारा अभिप्राय उस समीकरण में सम्मिलित उच्चतम कोटि अवकलज की उच्चतम घात (केवल धनात्मक पूर्णांक घातांक) से है।DegreeJab differential equation derivatives mein polynomial equation ho, tab uski degree ka matlab hai us equation mein aane wale sabse oonche order ke derivative ki sabse badi power (positive integer index).

So equations (6), (7), (8) and (9) each have degree one, equation (10) has degree two, and the degree of equation (11) is not defined. Tap the parts of the picture below.इसलिए समीकरण (6), (7), (8) और (9) प्रत्येक की घात एक है, समीकरण (10) की घात दो है, और समीकरण (11) की घात परिभाषित नहीं है। नीचे चित्र के भागों पर टैप कीजिए।Isliye equations (6), (7), (8) aur (9) har ek ki degree ek hai, equation (10) ki degree do hai, aur equation (11) ki degree define nahi hai. Neeche picture ke parts par tap kijiye.

Order and degree — read the highest derivativeकोटि और घात — उच्चतम अवकलज को पढ़िएOrder aur degree — sabse oonche derivative ko padhiyeNCERT 9.2.2 · 14 tappable partsOpen
Order and degree (if defined) of a differential equation are always positive integers.अवकल समीकरण की कोटि और घात (यदि परिभाषित हो) सदैव धनात्मक पूर्णांक होती हैं।Differential equation ka order aur degree (agar defined ho) hamesha positive integers hote hain.
Example 1Find the order and degree, if defined, of each of the following differential equations: (i) \dfrac{dy}{dx} - \cos x = 0 (ii) xy\dfrac{d^2y}{dx^2} + x\left(\dfrac{dy}{dx}\right)^2 - y\dfrac{dy}{dx} = 0 (iii) y'''+ y^2 + e^{y'} = 0उदाहरण 1निम्नलिखित अवकल समीकरणों में से प्रत्येक की कोटि एवं घात (यदि परिभाषित हो) ज्ञात कीजिए: (i) \dfrac{dy}{dx} - \cos x = 0 (ii) xy\dfrac{d^2y}{dx^2} + x\left(\dfrac{dy}{dx}\right)^2 - y\dfrac{dy}{dx} = 0 (iii) y'''+ y^2 + e^{y'} = 0Example 1Neeche diye har differential equation ka order aur degree (agar defined ho) nikaaliye: (i) \dfrac{dy}{dx} - \cos x = 0 (ii) xy\dfrac{d^2y}{dx^2} + x\left(\dfrac{dy}{dx}\right)^2 - y\dfrac{dy}{dx} = 0 (iii) y'''+ y^2 + e^{y'} = 0
Solution — step by step (6)हल — चरण दर चरण (6)Hal — step by step (6)
  1. Only the first derivative appears.केवल प्रथम अवकलज है।Sirf first derivative hai.
    \text{(i) highest derivative } \dfrac{dy}{dx} \Rightarrow \text{order } 1
  2. It is a polynomial equation in y' and the highest power of y' is one.यह y' में बहुपद समीकरण है और y' की उच्चतम घात एक है।Ye y' mein polynomial equation hai aur y' ki highest power ek hai.
    \text{(i) power of } \dfrac{dy}{dx} \text{ is } 1 \Rightarrow \text{degree } 1
  3. \frac{dy}{dx} also appears, but the second derivative is higher.\frac{dy}{dx} भी है, पर द्वितीय अवकलज ऊँचा है।\frac{dy}{dx} bhi hai, par second derivative ooncha hai.
    \text{(ii) highest derivative } \dfrac{d^2y}{dx^2} \Rightarrow \text{order } 2
  4. It is a polynomial in y'' and y'; the square is on y', not on the highest derivative.यह y'' और y' में बहुपद है; वर्ग y' पर है, उच्चतम अवकलज पर नहीं।Ye y'' aur y' mein polynomial hai; square y' par hai, highest derivative par nahi.
    \text{(ii) power of } \dfrac{d^2y}{dx^2} \text{ is } 1 \Rightarrow \text{degree } 1
  5. The third derivative is the highest present.तृतीय अवकलज सबसे ऊँचा है।Third derivative sabse ooncha hai.
    \text{(iii) highest derivative } y''' \Rightarrow \text{order } 3
  6. y' is in an exponent, so the degree is not defined.y' घातांक में है, इसलिए घात परिभाषित नहीं है।y' exponent mein hai, isliye degree defined nahi hai.
    e^{y'} \Rightarrow \text{not a polynomial in derivatives}

✔ (i) order 1, degree 1; (ii) order 2, degree 1; (iii) order 3, degree not defined.(i) कोटि 1, घात 1; (ii) कोटि 2, घात 1; (iii) कोटि 3, घात परिभाषित नहीं।(i) order 1, degree 1; (ii) order 2, degree 1; (iii) order 3, degree defined nahi.

⚠️ Mistakes that cost marks⚠️ ग़लतियाँ जिनसे अंक कटते हैं⚠️ Galtiyan jinse marks katte hain(1) Taking the biggest power anywhere in the equation as the degree — in (9) the power 2 is on y'', but the degree is the power of the highest derivative y''', i.e. 1. (2) Saying "degree 1" for y' + \sin(y') = 0 — a derivative inside sin, log or e^{(\;)} means degree not defined. (3) Thinking \sin y or e^{y} spoils the degree — only derivatives must be in polynomial form.(1) समीकरण में कहीं भी सबसे बड़ी घात को घात मान लेना — (9) में घात 2, y'' पर है, पर घात उच्चतम अवकलज y''' की घात यानी 1 है। (2) y' + \sin(y') = 0 के लिए "घात 1" कहना — sin, log या e^{(\;)} के अंदर अवकलज हो तो घात परिभाषित नहीं। (3) यह सोचना कि \sin y या e^{y} घात बिगाड़ देते हैं — केवल अवकलजों का बहुपद रूप में होना ज़रूरी है।(1) Equation mein kahin bhi sabse badi power ko degree maan lena — (9) mein power 2, y'' par hai, par degree highest derivative y''' ki power yaani 1 hai. (2) y' + \sin(y') = 0 ke liye "degree 1" kehna — sin, log ya e^{(\;)} ke andar derivative ho to degree defined nahi. (3) Ye sochna ki \sin y ya e^{y} degree bigaad dete hain — sirf derivatives ka polynomial form mein hona zaroori hai.
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(Exercise 9.1, Q1) Order and degree of \dfrac{d^4y}{dx^4} + \sin(y''') = 0?(प्रश्नावली 9.1, प्र. 1) \dfrac{d^4y}{dx^4} + \sin(y''') = 0 की कोटि और घात?(Exercise 9.1, Q1) \dfrac{d^4y}{dx^4} + \sin(y''') = 0 ka order aur degree?

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Order 4; degree not defined.कोटि 4; घात परिभाषित नहीं।Order 4; degree defined nahi.

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(Exercise 9.1, Q4) Order and degree of \left(\dfrac{d^2y}{dx^2}\right)^2 + \cos\left(\dfrac{dy}{dx}\right) = 0?(प्रश्नावली 9.1, प्र. 4) \left(\dfrac{d^2y}{dx^2}\right)^2 + \cos\left(\dfrac{dy}{dx}\right) = 0 की कोटि और घात?(Exercise 9.1, Q4) \left(\dfrac{d^2y}{dx^2}\right)^2 + \cos\left(\dfrac{dy}{dx}\right) = 0 ka order aur degree?

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Order 2; degree not defined.कोटि 2; घात परिभाषित नहीं।Order 2; degree defined nahi.

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(Exercise 9.1, Q6) Order and degree of (y''')^2 + (y'')^3 + (y')^4 + y^5 = 0?(प्रश्नावली 9.1, प्र. 6) (y''')^2 + (y'')^3 + (y')^4 + y^5 = 0 की कोटि और घात?(Exercise 9.1, Q6) (y''')^2 + (y'')^3 + (y')^4 + y^5 = 0 ka order aur degree?

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Order 3; degree 2.कोटि 3; घात 2।Order 3; degree 2.

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(Exercise 9.1, Q9) Order and degree of y'' + (y')^2 + 2y = 0?(प्रश्नावली 9.1, प्र. 9) y'' + (y')^2 + 2y = 0 की कोटि और घात?(Exercise 9.1, Q9) y'' + (y')^2 + 2y = 0 ka order aur degree?

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Order 2; degree 1.कोटि 2; घात 1।Order 2; degree 1.

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(Exercise 9.1, Q11) The degree of \left(\dfrac{d^2y}{dx^2}\right)^3 + \left(\dfrac{dy}{dx}\right)^2 + \sin\left(\dfrac{dy}{dx}\right) + 1 = 0 is (A) 3 (B) 2 (C) 1 (D) not defined(प्रश्नावली 9.1, प्र. 11) \left(\dfrac{d^2y}{dx^2}\right)^3 + \left(\dfrac{dy}{dx}\right)^2 + \sin\left(\dfrac{dy}{dx}\right) + 1 = 0 की घात है (A) 3 (B) 2 (C) 1 (D) परिभाषित नहीं(Exercise 9.1, Q11) \left(\dfrac{d^2y}{dx^2}\right)^3 + \left(\dfrac{dy}{dx}\right)^2 + \sin\left(\dfrac{dy}{dx}\right) + 1 = 0 ki degree hai (A) 3 (B) 2 (C) 1 (D) defined nahi

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(D) not defined — \sin\left(\frac{dy}{dx}\right) is not a polynomial in the derivative.(D) परिभाषित नहीं — \sin\left(\frac{dy}{dx}\right) अवकलज में बहुपद नहीं है।(D) defined nahi — \sin\left(\frac{dy}{dx}\right) derivative mein polynomial nahi hai.

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(Exercise 9.1, Q12) The order of 2x^2\dfrac{d^2y}{dx^2} - 3\dfrac{dy}{dx} + y = 0 is (A) 2 (B) 1 (C) 0 (D) not defined(प्रश्नावली 9.1, प्र. 12) 2x^2\dfrac{d^2y}{dx^2} - 3\dfrac{dy}{dx} + y = 0 की कोटि है (A) 2 (B) 1 (C) 0 (D) परिभाषित नहीं(Exercise 9.1, Q12) 2x^2\dfrac{d^2y}{dx^2} - 3\dfrac{dy}{dx} + y = 0 ka order hai (A) 2 (B) 1 (C) 0 (D) defined nahi

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(A) 2(A) 2(A) 2

9.3General and Particular Solutions of a Differential Equationअवकल समीकरण का व्यापक एवं विशिष्ट हलDifferential equation ka general aur particular solution

🌱 Start here🌱 यहाँ से शुरू कीजिए🌱 Yahan se shuru kijiyeThe solution of x^2 + 1 = 0 is a number. The solution of a differential equation is a function: when you put the function and its derivatives into the equation, L.H.S. becomes equal to R.H.S.x^2 + 1 = 0 का हल एक संख्या है। अवकल समीकरण का हल एक फलन होता है: जब फलन और उसके अवकलज समीकरण में रखे जाते हैं, तो बायाँ पक्ष दाएँ पक्ष के बराबर हो जाता है।x^2 + 1 = 0 ka solution ek number hai. Differential equation ka solution ek function hota hai: jab function aur uske derivatives equation mein rakhte hain, to L.H.S. = R.H.S. ho jaata hai.

Consider \dfrac{d^2y}{dx^2} + y = 0 … (3). The function y = \varphi(x) = a\sin(x + b), a, b \in \mathbf{R}, satisfies it: y'' = -a\sin(x + b), so y'' + y = 0. The curve y = \varphi(x) is called the solution curve (integral curve). Giving particular values a = 2, b = \dfrac{\pi}{4} we get y = \varphi_1(x) = 2\sin\left(x + \dfrac{\pi}{4}\right), which also satisfies (3).\dfrac{d^2y}{dx^2} + y = 0 … (3) लीजिए। फलन y = \varphi(x) = a\sin(x + b), a, b \in \mathbf{R} इसे संतुष्ट करता है: y'' = -a\sin(x + b), अतः y'' + y = 0। वक्र y = \varphi(x) को हल वक्र (समाकल वक्र) कहते हैं। विशेष मान a = 2, b = \dfrac{\pi}{4} देने पर y = \varphi_1(x) = 2\sin\left(x + \dfrac{\pi}{4}\right) मिलता है, जो भी (3) को संतुष्ट करता है।\dfrac{d^2y}{dx^2} + y = 0 … (3) lijiye. Function y = \varphi(x) = a\sin(x + b), a, b \in \mathbf{R} ise satisfy karta hai: y'' = -a\sin(x + b), isliye y'' + y = 0. Curve y = \varphi(x) ko solution curve (integral curve) kehte hain. Particular values a = 2, b = \dfrac{\pi}{4} dene par y = \varphi_1(x) = 2\sin\left(x + \dfrac{\pi}{4}\right) milta hai, jo bhi (3) ko satisfy karta hai.

📘 Definition (NCERT)📘 परिभाषा (NCERT)📘 Definition (NCERT)General solutionThe solution which contains arbitrary constants is called the general solution (primitive) of the differential equation.व्यापक हलवह हल जिसमें स्वेच्छ अचर हों, अवकल समीकरण का व्यापक हल (पूर्वग) कहलाता है।General solutionJis solution mein arbitrary constants hon, wo differential equation ka general solution (primitive) kehlaata hai.
📘 Definition (NCERT)📘 परिभाषा (NCERT)📘 Definition (NCERT)Particular solutionThe solution free from arbitrary constants i.e., the solution obtained from the general solution by giving particular values to the arbitrary constants is called a particular solution of the differential equation.विशिष्ट हलस्वेच्छ अचरों से मुक्त हल, अर्थात् व्यापक हल में स्वेच्छ अचरों को विशेष मान देकर प्राप्त हल, अवकल समीकरण का विशिष्ट हल कहलाता है।Particular solutionArbitrary constants se free solution, yaani general solution mein constants ko particular values dekar mila solution, particular solution kehlaata hai.

In the picture, every grey parabola y = Cx^2 solves x\dfrac{dy}{dx} = 2y (general solution, one arbitrary constant). The condition "passes through (1, 2)" fixes C = 2 and gives the particular solution y = 2x^2.चित्र में हर धूसर परवलय y = Cx^2, x\dfrac{dy}{dx} = 2y का हल है (व्यापक हल, एक स्वेच्छ अचर)। शर्त "(1, 2) से होकर जाता है" से C = 2 तय होता है और विशिष्ट हल y = 2x^2 मिलता है।Picture mein har grey parabola y = Cx^2, x\dfrac{dy}{dx} = 2y ka solution hai (general solution, ek arbitrary constant). Condition "(1, 2) se hokar jaata hai" se C = 2 fix hota hai aur particular solution y = 2x^2 milta hai.

A family of solution curves y = Cx² and one particular solutionहल वक्रों का कुल y = Cx² और एक विशिष्ट हलSolution curves ki family y = Cx² aur ek particular solutionNCERT 9.3 · 8 tappable partsOpen
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The general solution of an equation of order n contains n arbitrary constants (NCERT Summary: "as many arbitrary constants as the order"). A particular solution contains none.कोटि n वाले समीकरण के व्यापक हल में n स्वेच्छ अचर होते हैं (NCERT सारांश: "जितनी कोटि, उतने स्वेच्छ अचर")। विशिष्ट हल में कोई नहीं होता।Order n wali equation ke general solution mein n arbitrary constants hote hain (NCERT Summary: "jitna order, utne arbitrary constants"). Particular solution mein ek bhi nahi hota.
Example 2Verify that the function y = e^{-3x} is a solution of the differential equation \dfrac{d^2y}{dx^2} + \dfrac{dy}{dx} - 6y = 0.उदाहरण 2सत्यापित कीजिए कि फलन y = e^{-3x}, अवकल समीकरण \dfrac{d^2y}{dx^2} + \dfrac{dy}{dx} - 6y = 0 का एक हल है।Example 2Verify kijiye ki function y = e^{-3x}, differential equation \dfrac{d^2y}{dx^2} + \dfrac{dy}{dx} - 6y = 0 ka ek solution hai.
Solution — step by step (4)हल — चरण दर चरण (4)Hal — step by step (4)
  1. Differentiate y = e^{-3x} (chain rule).y = e^{-3x} का अवकलन कीजिए (श्रृंखला नियम)।y = e^{-3x} ko differentiate kijiye (chain rule).
    \dfrac{dy}{dx} = -3e^{-3x}
  2. Differentiate once more: (-3)(-3) = 9.एक बार और अवकलन: (-3)(-3) = 9।Ek baar aur differentiate: (-3)(-3) = 9.
    \dfrac{d^2y}{dx^2} = 9e^{-3x}
  3. Substitute y'', y' and y in the equation.y'', y' और y को समीकरण में रखिए।y'', y' aur y ko equation mein rakhiye.
    \text{L.H.S.} = 9e^{-3x} + (-3e^{-3x}) - 6e^{-3x}
  4. The terms cancel.पद कट जाते हैं।Terms cancel ho jaate hain.
    = 9e^{-3x} - 9e^{-3x} = 0 = \text{R.H.S.}

✔ y = e^{-3x} is a solution of the given differential equation.y = e^{-3x} दिए गए अवकल समीकरण का हल है।y = e^{-3x} diye gaye differential equation ka solution hai.

Example 3Verify that the function y = a\cos x + b\sin x, where a, b \in \mathbf{R}, is a solution of the differential equation \dfrac{d^2y}{dx^2} + y = 0.उदाहरण 3सत्यापित कीजिए कि फलन y = a\cos x + b\sin x, जहाँ a, b \in \mathbf{R}, अवकल समीकरण \dfrac{d^2y}{dx^2} + y = 0 का हल है।Example 3Verify kijiye ki function y = a\cos x + b\sin x, jahan a, b \in \mathbf{R}, differential equation \dfrac{d^2y}{dx^2} + y = 0 ka solution hai.
Solution — step by step (3)हल — चरण दर चरण (3)Hal — step by step (3)
  1. Differentiate term by term.पद-दर-पद अवकलन कीजिए।Term-by-term differentiate kijiye.
    \dfrac{dy}{dx} = -a\sin x + b\cos x
  2. Differentiate again.फिर से अवकलन कीजिए।Phir se differentiate kijiye.
    \dfrac{d^2y}{dx^2} = -a\cos x - b\sin x
  3. Substitute y'' and y.y'' और y रखिए।y'' aur y rakhiye.
    \text{L.H.S.} = (-a\cos x - b\sin x) + (a\cos x + b\sin x) = 0 = \text{R.H.S.}

✔ y = a\cos x + b\sin x is a solution (for every a, b) — a general solution with two arbitrary constants for this second order equation.y = a\cos x + b\sin x हल है (हर a, b के लिए) — इस द्वितीय कोटि के समीकरण का दो स्वेच्छ अचरों वाला व्यापक हल।y = a\cos x + b\sin x solution hai (har a, b ke liye) — is second order equation ka do arbitrary constants wala general solution.

Extra picture (not in the NCERT text): a slope fieldA first order equation \dfrac{dy}{dx} = F(x, y) tells the slope at every point. Draw a tiny dash with that slope at many points: every solution curve follows the dashes. Below is the field of \dfrac{dy}{dx} = x + xy (NCERT Example 18, solved later in 9.4.3).अतिरिक्त चित्र (NCERT पाठ में नहीं): ढाल-क्षेत्रप्रथम कोटि का समीकरण \dfrac{dy}{dx} = F(x, y) हर बिंदु पर ढाल बताता है। अनेक बिंदुओं पर उस ढाल की एक छोटी रेखा खींचिए: हर हल वक्र इन रेखाओं के साथ चलता है। नीचे \dfrac{dy}{dx} = x + xy (NCERT उदाहरण 18, आगे 9.4.3 में हल) का ढाल-क्षेत्र है।Extra picture (NCERT text mein nahi): slope fieldFirst order equation \dfrac{dy}{dx} = F(x, y) har point par slope batati hai. Bahut saare points par us slope ki chhoti line kheechiye: har solution curve in lines ke saath chalta hai. Neeche \dfrac{dy}{dx} = x + xy (NCERT Example 18, aage 9.4.3 mein solve) ka slope field hai.
Slope field of dy/dx = x + xy and the curve through (0, 1)dy/dx = x + xy का ढाल-क्षेत्र और (0, 1) से जाने वाला वक्रdy/dx = x + xy ka slope field aur (0, 1) se jaane wala curveNCERT Example 18 · 9 tappable partsOpen
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(Exercise 9.2, Q2) Verify that y = x^2 + 2x + C is a solution of y' - 2x - 2 = 0.(प्रश्नावली 9.2, प्र. 2) सत्यापित कीजिए कि y = x^2 + 2x + C, y' - 2x - 2 = 0 का हल है।(Exercise 9.2, Q2) Verify kijiye ki y = x^2 + 2x + C, y' - 2x - 2 = 0 ka solution hai.

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y' = 2x + 2, so y' - 2x - 2 = 0. ✔y' = 2x + 2, अतः y' - 2x - 2 = 0। ✔y' = 2x + 2, isliye y' - 2x - 2 = 0. ✔

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(Exercise 9.2, Q5) Verify that y = Ax is a solution of xy' = y (x \ne 0).(प्रश्नावली 9.2, प्र. 5) सत्यापित कीजिए कि y = Ax, xy' = y (x \ne 0) का हल है।(Exercise 9.2, Q5) Verify kijiye ki y = Ax, xy' = y (x \ne 0) ka solution hai.

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y' = A, so xy' = Ax = y. ✔y' = A, अतः xy' = Ax = y। ✔y' = A, isliye xy' = Ax = y. ✔

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(Exercise 9.2, Q11) The number of arbitrary constants in the general solution of a differential equation of fourth order are: (A) 0 (B) 2 (C) 3 (D) 4(प्रश्नावली 9.2, प्र. 11) चार कोटि वाले अवकल समीकरण के व्यापक हल में उपस्थित स्वेच्छ अचरों की संख्या है: (A) 0 (B) 2 (C) 3 (D) 4(Exercise 9.2, Q11) Fourth order differential equation ke general solution mein arbitrary constants ki sankhya: (A) 0 (B) 2 (C) 3 (D) 4

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(D) 4(D) 4(D) 4

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(Exercise 9.2, Q12) The number of arbitrary constants in the particular solution of a differential equation of third order are: (A) 3 (B) 2 (C) 1 (D) 0(प्रश्नावली 9.2, प्र. 12) तीन कोटि वाले अवकल समीकरण के विशिष्ट हल में उपस्थित स्वेच्छ अचरों की संख्या है: (A) 3 (B) 2 (C) 1 (D) 0(Exercise 9.2, Q12) Third order differential equation ke particular solution mein arbitrary constants ki sankhya: (A) 3 (B) 2 (C) 1 (D) 0

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(D) 0(D) 0(D) 0

9.4Methods of Solving First Order, First Degree Differential Equationsप्रथम कोटि एवं प्रथम घात के अवकल समीकरणों को हल करने की विधियाँFirst order, first degree differential equations solve karne ke methods

In this section we discuss three methods: (1) variables separable, (2) homogeneous equations, (3) linear equations.इस अनुच्छेद में हम तीन विधियाँ पढ़ेंगे: (1) पृथक्करणीय चर, (2) समघातीय समीकरण, (3) रैखिक समीकरण।Is section mein hum teen methods padhenge: (1) variables separable, (2) homogeneous equations, (3) linear equations.

How to choose: first try to separate x and y. If you cannot, check whether every term has the same total degree (homogeneous → y = vx). If y and \dfrac{dy}{dx} appear only to the first power, not multiplied together, write it as \dfrac{dy}{dx} + Py = Q (linear → integrating factor).कैसे चुनें: पहले x और y को अलग करने की कोशिश कीजिए। न हो सके, तो देखिए कि हर पद की कुल घात समान है या नहीं (समघातीय → y = vx)। यदि y और \dfrac{dy}{dx} केवल पहली घात में हैं और आपस में गुणा नहीं हैं, तो इसे \dfrac{dy}{dx} + Py = Q के रूप में लिखिए (रैखिक → समाकलन गुणक)।Kaise chunein: pehle x aur y ko alag karne ki koshish kijiye. Na ho sake to dekhiye ki har term ki total degree same hai ya nahi (homogeneous → y = vx). Agar y aur \dfrac{dy}{dx} sirf first power mein hain aur aapas mein multiply nahi hain, to ise \dfrac{dy}{dx} + Py = Q form mein likhiye (linear → integrating factor).

9.4.1Differential equations with variables separableपृथक्करणीय चर वाले अवकल समीकरणVariables separable wale differential equations

A first order, first degree differential equation is of the form \dfrac{dy}{dx} = F(x, y) … (1). If F(x, y) can be expressed as a product g(x)\,h(y), the equation is said to be of variable separable type: \dfrac{dy}{dx} = h(y)\cdot g(x) … (2).प्रथम कोटि एवं प्रथम घात का अवकल समीकरण \dfrac{dy}{dx} = F(x, y) … (1) के रूप का होता है। यदि F(x, y) को गुणनफल g(x)\,h(y) के रूप में लिखा जा सके, तो समीकरण पृथक्करणीय चर प्रकार का कहलाता है: \dfrac{dy}{dx} = h(y)\cdot g(x) … (2)।First order, first degree differential equation \dfrac{dy}{dx} = F(x, y) … (1) form ki hoti hai. Agar F(x, y) ko product g(x)\,h(y) ke roop mein likh sakein, to equation variable separable type ki kehlaati hai: \dfrac{dy}{dx} = h(y)\cdot g(x) … (2).

If h(y) \ne 0, separate the variables: \dfrac{1}{h(y)}\,dy = g(x)\,dx … (3). Integrating both sides, \displaystyle\int \dfrac{1}{h(y)}\,dy = \int g(x)\,dx … (4), which gives H(y) = G(x) + C, where H and G are antiderivatives of \dfrac{1}{h(y)} and g(x), and C is the arbitrary constant.यदि h(y) \ne 0, तो चरों को अलग कीजिए: \dfrac{1}{h(y)}\,dy = g(x)\,dx … (3)। दोनों पक्षों का समाकलन करने पर \displaystyle\int \dfrac{1}{h(y)}\,dy = \int g(x)\,dx … (4), जिससे H(y) = G(x) + C मिलता है, जहाँ H और G क्रमशः \dfrac{1}{h(y)} और g(x) के प्रतिअवकलज हैं और C स्वेच्छ अचर है।Agar h(y) \ne 0, to variables alag kijiye: \dfrac{1}{h(y)}\,dy = g(x)\,dx … (3). Dono sides integrate karne par \displaystyle\int \dfrac{1}{h(y)}\,dy = \int g(x)\,dx … (4), jisse H(y) = G(x) + C milta hai, jahan H aur G kramashah \dfrac{1}{h(y)} aur g(x) ke antiderivatives hain aur C arbitrary constant hai.

🌱 Start here🌱 यहाँ से शुरू कीजिए🌱 Yahan se shuru kijiyeThink of it as sorting: all the y-things go with dy on one side, all the x-things go with dx on the other. Then integrate each side and add one constant C.इसे छँटाई की तरह सोचिए: सारी y वाली चीज़ें dy के साथ एक ओर, सारी x वाली चीज़ें dx के साथ दूसरी ओर। फिर दोनों ओर समाकलन कीजिए और एक अचर C जोड़िए।Ise sorting ki tarah sochiye: saari y wali cheezein dy ke saath ek taraf, saari x wali cheezein dx ke saath doosri taraf. Phir dono taraf integrate kijiye aur ek constant C jodiye.
Example 4Find the general solution of the differential equation \dfrac{dy}{dx} = \dfrac{x + 1}{2 - y}, (y \ne 2).उदाहरण 4अवकल समीकरण \dfrac{dy}{dx} = \dfrac{x + 1}{2 - y}, (y \ne 2) का व्यापक हल ज्ञात कीजिए।Example 4Differential equation \dfrac{dy}{dx} = \dfrac{x + 1}{2 - y}, (y \ne 2) ka general solution nikaaliye.
Solution — step by step (5)हल — चरण दर चरण (5)Hal — step by step (5)
  1. Separate: multiply by (2 - y)\,dx.चर अलग कीजिए: (2 - y)\,dx से गुणा कीजिए।Variables alag kijiye: (2 - y)\,dx se multiply kijiye.
    (2 - y)\,dy = (x + 1)\,dx
  2. Integrate both sides.दोनों पक्षों का समाकलन कीजिए।Dono sides integrate kijiye.
    \displaystyle\int (2 - y)\,dy = \int (x + 1)\,dx
  3. Power rule on each side; one constant C_1.हर पक्ष पर घात नियम; एक अचर C_1।Har side par power rule; ek constant C_1.
    2y - \dfrac{y^2}{2} = \dfrac{x^2}{2} + x + C_1
  4. Multiply by 2 and bring all terms to one side.2 से गुणा कीजिए और सभी पद एक ओर लाइए।2 se multiply kijiye aur saare terms ek taraf laaiye.
    x^2 + y^2 + 2x - 4y + 2C_1 = 0
  5. Rename the constant.अचर का नया नाम रखिए।Constant ka naya naam rakhiye.
    x^2 + y^2 + 2x - 4y + C = 0,\quad C = 2C_1

✔ x^2 + y^2 + 2x - 4y + C = 0 — the general solution (a family of circles).x^2 + y^2 + 2x - 4y + C = 0 — व्यापक हल (वृत्तों का कुल)।x^2 + y^2 + 2x - 4y + C = 0 — general solution (circles ki family).

Example 5Find the general solution of the differential equation \dfrac{dy}{dx} = \dfrac{1 + y^2}{1 + x^2}.उदाहरण 5अवकल समीकरण \dfrac{dy}{dx} = \dfrac{1 + y^2}{1 + x^2} का व्यापक हल ज्ञात कीजिए।Example 5Differential equation \dfrac{dy}{dx} = \dfrac{1 + y^2}{1 + x^2} ka general solution nikaaliye.
Solution — step by step (3)हल — चरण दर चरण (3)Hal — step by step (3)
  1. Since 1 + y^2 \ne 0, we can divide by it and separate.चूँकि 1 + y^2 \ne 0, इससे भाग देकर चर अलग कर सकते हैं।Kyunki 1 + y^2 \ne 0, isse divide karke variables alag kar sakte hain.
    \dfrac{dy}{1 + y^2} = \dfrac{dx}{1 + x^2}
  2. Integrate both sides.दोनों पक्षों का समाकलन कीजिए।Dono sides integrate kijiye.
    \displaystyle\int \dfrac{dy}{1 + y^2} = \int \dfrac{dx}{1 + x^2}
  3. Standard integral \int \frac{dt}{1 + t^2} = \tan^{-1} t.मानक समाकल \int \frac{dt}{1 + t^2} = \tan^{-1} t।Standard integral \int \frac{dt}{1 + t^2} = \tan^{-1} t.
    \tan^{-1} y = \tan^{-1} x + C

✔ \tan^{-1} y = \tan^{-1} x + C\tan^{-1} y = \tan^{-1} x + C\tan^{-1} y = \tan^{-1} x + C

Example 6Find the particular solution of the differential equation \dfrac{dy}{dx} = -4xy^2 given that y = 1, when x = 0.उदाहरण 6अवकल समीकरण \dfrac{dy}{dx} = -4xy^2 का विशिष्ट हल ज्ञात कीजिए, दिया है कि x = 0 होने पर y = 1।Example 6Differential equation \dfrac{dy}{dx} = -4xy^2 ka particular solution nikaaliye, diya hai ki x = 0 par y = 1.
Solution — step by step (5)हल — चरण दर चरण (5)Hal — step by step (5)
  1. For y \ne 0, divide by y^2 and separate.y \ne 0 के लिए y^2 से भाग देकर चर अलग कीजिए।y \ne 0 ke liye y^2 se divide karke variables alag kijiye.
    \dfrac{dy}{y^2} = -4x\,dx
  2. \int y^{-2}dy = -y^{-1} and \int x\,dx = \frac{x^2}{2}.\int y^{-2}dy = -y^{-1} और \int x\,dx = \frac{x^2}{2}।\int y^{-2}dy = -y^{-1} aur \int x\,dx = \frac{x^2}{2}.
    \displaystyle\int y^{-2}\,dy = -4\int x\,dx \;\Rightarrow\; -\dfrac{1}{y} = -2x^2 + C
  3. Take reciprocals of both sides and multiply by -1.दोनों पक्षों का व्युत्क्रम लेकर -1 से गुणा कीजिए।Dono sides ka reciprocal lekar -1 se multiply kijiye.
    y = \dfrac{1}{2x^2 - C} … (2)
  4. Put x = 0, y = 1 in (2).(2) में x = 0, y = 1 रखिए।(2) mein x = 0, y = 1 rakhiye.
    1 = \dfrac{1}{0 - C} \Rightarrow C = -1
  5. Substitute C = -1 in (2).(2) में C = -1 रखिए।(2) mein C = -1 rakhiye.
    y = \dfrac{1}{2x^2 + 1}

✔ y = \dfrac{1}{2x^2 + 1} — the particular solution.y = \dfrac{1}{2x^2 + 1} — विशिष्ट हल।y = \dfrac{1}{2x^2 + 1} — particular solution.

Example 7Find the equation of the curve passing through the point (1, 1) whose differential equation is x\,dy = (2x^2 + 1)\,dx (x \ne 0).उदाहरण 7बिंदु (1, 1) से होकर जाने वाले उस वक्र का समीकरण ज्ञात कीजिए जिसका अवकल समीकरण x\,dy = (2x^2 + 1)\,dx (x \ne 0) है।Example 7Point (1, 1) se hokar jaane wale us curve ki equation nikaaliye jiski differential equation x\,dy = (2x^2 + 1)\,dx (x \ne 0) hai.
Solution — step by step (3)हल — चरण दर चरण (3)Hal — step by step (3)
  1. Divide by x (x \ne 0). Here dy and dx are handled like separate quantities (Leibnitz notation).x से भाग दीजिए (x \ne 0)। यहाँ dy और dx को अलग-अलग राशियों की तरह लिया गया है (लाइबनिज़ संकेतन)।x se divide kijiye (x \ne 0). Yahan dy aur dx ko alag quantities ki tarah liya hai (Leibnitz notation).
    dy = \left(2x + \dfrac{1}{x}\right)dx
  2. Integrate: \int 2x\,dx = x^2, \int \frac{dx}{x} = \log|x|. This is the family of solution curves.समाकलन: \int 2x\,dx = x^2, \int \frac{dx}{x} = \log|x|। यह हल वक्रों का कुल है।Integrate: \int 2x\,dx = x^2, \int \frac{dx}{x} = \log|x|. Ye solution curves ki family hai.
    y = x^2 + \log|x| + C … (2)
  3. The curve passes through (1, 1); \log 1 = 0.वक्र (1, 1) से जाता है; \log 1 = 0।Curve (1, 1) se jaata hai; \log 1 = 0.
    1 = 1 + \log 1 + C \Rightarrow C = 0

✔ y = x^2 + \log|x|y = x^2 + \log|x|y = x^2 + \log|x|

Example 7: the family y = x² + log|x| + C and the curve through (1, 1)उदाहरण 7: कुल y = x² + log|x| + C और (1, 1) से जाने वाला वक्रExample 7: family y = x² + log|x| + C aur (1, 1) se jaane wala curveNCERT Example 7 · 8 tappable partsOpen
Example 8Find the equation of a curve passing through the point (-2, 3), given that the slope of the tangent to the curve at any point (x, y) is \dfrac{2x}{y^2}.उदाहरण 8बिंदु (-2, 3) से जाने वाले उस वक्र का समीकरण ज्ञात कीजिए जिसके किसी बिंदु (x, y) पर स्पर्श रेखा की प्रवणता \dfrac{2x}{y^2} है।Example 8Point (-2, 3) se jaane wale us curve ki equation nikaaliye jiske kisi point (x, y) par tangent ki slope \dfrac{2x}{y^2} hai.
Solution — step by step (5)हल — चरण दर चरण (5)Hal — step by step (5)
  1. The slope of the tangent is \frac{dy}{dx}.स्पर्श रेखा की प्रवणता \frac{dy}{dx} होती है।Tangent ki slope \frac{dy}{dx} hoti hai.
    \dfrac{dy}{dx} = \dfrac{2x}{y^2}
  2. Separate the variables.चर अलग कीजिए।Variables alag kijiye.
    y^2\,dy = 2x\,dx
  3. Integrate both sides.दोनों पक्षों का समाकलन कीजिए।Dono sides integrate kijiye.
    \dfrac{y^3}{3} = x^2 + C … (3)
  4. Put x = -2, y = 3: 9 = 4 + C.x = -2, y = 3 रखिए: 9 = 4 + C।x = -2, y = 3 rakhiye: 9 = 4 + C.
    \dfrac{27}{3} = 4 + C \Rightarrow C = 5
  5. Substitute C and solve for y.C रखिए और y ज्ञात कीजिए।C rakhiye aur y nikaaliye.
    \dfrac{y^3}{3} = x^2 + 5 \;\Rightarrow\; y = (3x^2 + 15)^{\frac{1}{3}}

✔ \dfrac{y^3}{3} = x^2 + 5, i.e. y = (3x^2 + 15)^{1/3}\dfrac{y^3}{3} = x^2 + 5, अर्थात् y = (3x^2 + 15)^{1/3}\dfrac{y^3}{3} = x^2 + 5, yaani y = (3x^2 + 15)^{1/3}

Example 9In a bank, principal increases continuously at the rate of 5% per year. In how many years Rs 1000 double itself?उदाहरण 9किसी बैंक में मूलधन की वृद्धि 5% वार्षिक की दर से सतत होती है। कितने वर्षों में ₹1000 की राशि दुगुनी हो जाएगी?Example 9Kisi bank mein principal 5% per year ki rate se continuously badhta hai. Kitne saal mein ₹1000 double ho jaayenge?
Solution — step by step (6)हल — चरण दर चरण (6)Hal — step by step (6)
  1. P = principal at time t; rate of growth is 5% of the principal present.t समय पर मूलधन P; वृद्धि की दर उपस्थित मूलधन का 5% है।t time par principal P; growth ki rate maujood principal ka 5% hai.
    \dfrac{dP}{dt} = \left(\dfrac{5}{100}\right)P = \dfrac{P}{20}
  2. Separate the variables.चर अलग कीजिए।Variables alag kijiye.
    \dfrac{dP}{P} = \dfrac{dt}{20}
  3. Integrate, then take exponentials (P > 0).समाकलन कीजिए, फिर घातांकी रूप लीजिए (P > 0)।Integrate kijiye, phir exponential lijiye (P > 0).
    \log P = \dfrac{t}{20} + C_1 \;\Rightarrow\; P = e^{\frac{t}{20}}\cdot e^{C_1}
  4. Rename the constant.अचर का नया नाम।Constant ka naya naam.
    P = C\,e^{\frac{t}{20}},\quad C = e^{C_1} … (3)
  5. P = 1000 when t = 0.t = 0 पर P = 1000।t = 0 par P = 1000.
    1000 = C\,e^{0} \Rightarrow C = 1000
  6. Let t years be the doubling time; take \log_e.मान लीजिए t वर्ष में दुगुना; \log_e लीजिए।Maan lijiye t saal mein double; \log_e lijiye.
    2000 = 1000\,e^{\frac{t}{20}} \Rightarrow e^{\frac{t}{20}} = 2 \Rightarrow t = 20\log_e 2

✔ t = 20\log_e 2 years (≈ 13.86 years, using \log_e 2 \approx 0.6931).t = 20\log_e 2 वर्ष (≈ 13.86 वर्ष, \log_e 2 \approx 0.6931 लेकर)।t = 20\log_e 2 saal (≈ 13.86 saal, \log_e 2 \approx 0.6931 lekar).

Example 9: ₹1000 growing continuously at 5% a year doubles at t = 20 logₑ2उदाहरण 9: 5% वार्षिक की सतत दर से बढ़ते ₹1000, t = 20 logₑ2 पर दुगनेExample 9: 5% saalana continuous rate se badhte ₹1000, t = 20 logₑ2 par doubleNCERT Example 9 · 8 tappable partsOpen
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⚠️ Mistakes that cost marks⚠️ ग़लतियाँ जिनसे अंक कटते हैं⚠️ Galtiyan jinse marks katte hain(1) Forgetting + C, or writing a constant on both sides — one constant is enough. (2) Dividing by something that can be zero without saying so (Example 6 says "if y \ne 0"). (3) Writing \int \frac{dx}{x} = \log x — the book writes \log|x|. (4) Putting the given point in before integrating — first find the general solution, then use the condition to find C.(1) + C भूल जाना, या दोनों पक्षों पर अचर लिखना — एक अचर काफ़ी है। (2) बिना बताए ऐसी राशि से भाग देना जो शून्य हो सकती है (उदाहरण 6 में "यदि y \ne 0" लिखा है)। (3) \int \frac{dx}{x} = \log x लिखना — पुस्तक \log|x| लिखती है। (4) समाकलन से पहले दिया हुआ बिंदु रख देना — पहले व्यापक हल निकालिए, फिर शर्त से C ज्ञात कीजिए।(1) + C bhool jaana, ya dono sides par constant likhna — ek constant kaafi hai. (2) Bina bataye aisi cheez se divide karna jo zero ho sakti hai (Example 6 mein "agar y \ne 0" likha hai). (3) \int \frac{dx}{x} = \log x likhna — book \log|x| likhti hai. (4) Integrate karne se pehle diya hua point daal dena — pehle general solution nikaaliye, phir condition se C nikaaliye.
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(Exercise 9.3, Q1) General solution of \dfrac{dy}{dx} = \dfrac{1 - \cos x}{1 + \cos x}(प्रश्नावली 9.3, प्र. 1) \dfrac{dy}{dx} = \dfrac{1 - \cos x}{1 + \cos x} का व्यापक हल(Exercise 9.3, Q1) \dfrac{dy}{dx} = \dfrac{1 - \cos x}{1 + \cos x} ka general solution

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y = 2\tan\dfrac{x}{2} - x + Cy = 2\tan\dfrac{x}{2} - x + Cy = 2\tan\dfrac{x}{2} - x + C

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(Exercise 9.3, Q3) General solution of \dfrac{dy}{dx} + y = 1 (y \ne 1)(प्रश्नावली 9.3, प्र. 3) \dfrac{dy}{dx} + y = 1 (y \ne 1) का व्यापक हल(Exercise 9.3, Q3) \dfrac{dy}{dx} + y = 1 (y \ne 1) ka general solution

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y = 1 + Ae^{-x}y = 1 + Ae^{-x}y = 1 + Ae^{-x}

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(Exercise 9.3, Q4) General solution of \sec^2 x\tan y\,dx + \sec^2 y\tan x\,dy = 0(प्रश्नावली 9.3, प्र. 4) \sec^2 x\tan y\,dx + \sec^2 y\tan x\,dy = 0 का व्यापक हल(Exercise 9.3, Q4) \sec^2 x\tan y\,dx + \sec^2 y\tan x\,dy = 0 ka general solution

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\tan x\tan y = C\tan x\tan y = C\tan x\tan y = C

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(Exercise 9.3, Q6) General solution of \dfrac{dy}{dx} = (1 + x^2)(1 + y^2)(प्रश्नावली 9.3, प्र. 6) \dfrac{dy}{dx} = (1 + x^2)(1 + y^2) का व्यापक हल(Exercise 9.3, Q6) \dfrac{dy}{dx} = (1 + x^2)(1 + y^2) ka general solution

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\tan^{-1} y = x + \dfrac{x^3}{3} + C\tan^{-1} y = x + \dfrac{x^3}{3} + C\tan^{-1} y = x + \dfrac{x^3}{3} + C

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(Exercise 9.3, Q7) General solution of y\log y\,dx - x\,dy = 0(प्रश्नावली 9.3, प्र. 7) y\log y\,dx - x\,dy = 0 का व्यापक हल(Exercise 9.3, Q7) y\log y\,dx - x\,dy = 0 ka general solution

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y = e^{cx}y = e^{cx}y = e^{cx}

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(Exercise 9.3, Q14) Particular solution of \dfrac{dy}{dx} = y\tan x; y = 1 when x = 0(प्रश्नावली 9.3, प्र. 14) \dfrac{dy}{dx} = y\tan x का विशिष्ट हल; x = 0 पर y = 1(Exercise 9.3, Q14) \dfrac{dy}{dx} = y\tan x ka particular solution; x = 0 par y = 1

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y = \sec xy = \sec xy = \sec x

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(Exercise 9.3, Q17) Curve through (0, -2) such that at any point (slope of tangent) × y = x(प्रश्नावली 9.3, प्र. 17) (0, -2) से जाने वाला वक्र जिसके हर बिंदु पर (स्पर्श रेखा की प्रवणता) × y = x(Exercise 9.3, Q17) (0, -2) se jaane wala curve jiske har point par (tangent ki slope) × y = x

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y^2 - x^2 = 4y^2 - x^2 = 4y^2 - x^2 = 4

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(Exercise 9.3, Q19) A balloon's volume changes at a constant rate; radius 3 units initially and 6 units after 3 seconds. Radius after t seconds?(प्रश्नावली 9.3, प्र. 19) गुब्बारे का आयतन अचर दर से बदलता है; आरंभ में त्रिज्या 3 इकाई, 3 सेकंड बाद 6 इकाई। t सेकंड बाद त्रिज्या?(Exercise 9.3, Q19) Balloon ka volume constant rate se badalta hai; shuru mein radius 3 units, 3 second baad 6 units. t second baad radius?

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r = (63t + 27)^{\frac{1}{3}}r = (63t + 27)^{\frac{1}{3}}r = (63t + 27)^{\frac{1}{3}}

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(Exercise 9.3, Q20) Principal grows continuously at r% a year; ₹100 doubles in 10 years (\log_e 2 = 0.6931). Find r.(प्रश्नावली 9.3, प्र. 20) मूलधन r% वार्षिक की दर से सतत बढ़ता है; ₹100, 10 वर्ष में दुगुना (\log_e 2 = 0.6931)। r ज्ञात कीजिए।(Exercise 9.3, Q20) Principal r% saalana continuously badhta hai; ₹100, 10 saal mein double (\log_e 2 = 0.6931). r nikaaliye.

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r = 6.93\%r = 6.93\%r = 6.93\%

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(Exercise 9.3, Q21) ₹1000 at 5% a year, compounded continuously. Worth after 10 years? (e^{0.5} = 1.648)(प्रश्नावली 9.3, प्र. 21) ₹1000, 5% वार्षिक सतत वृद्धि पर। 10 वर्ष बाद कितना? (e^{0.5} = 1.648)(Exercise 9.3, Q21) ₹1000, 5% saalana continuous growth par. 10 saal baad kitna? (e^{0.5} = 1.648)

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₹1648₹1648₹1648

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(Exercise 9.3, Q23) The general solution of \dfrac{dy}{dx} = e^{x + y} is (A) e^x + e^{-y} = C (B) e^x + e^y = C (C) e^{-x} + e^y = C (D) e^{-x} + e^{-y} = C(प्रश्नावली 9.3, प्र. 23) \dfrac{dy}{dx} = e^{x + y} का व्यापक हल है (A) e^x + e^{-y} = C (B) e^x + e^y = C (C) e^{-x} + e^y = C (D) e^{-x} + e^{-y} = C(Exercise 9.3, Q23) \dfrac{dy}{dx} = e^{x + y} ka general solution hai (A) e^x + e^{-y} = C (B) e^x + e^y = C (C) e^{-x} + e^y = C (D) e^{-x} + e^{-y} = C

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(A) e^x + e^{-y} = C(A) e^x + e^{-y} = C(A) e^x + e^{-y} = C

9.4.2Homogeneous differential equationsसमघातीय अवकल समीकरणHomogeneous differential equations

Take F_1(x, y) = y^2 + 2xy, F_2(x, y) = 2x - 3y, F_3(x, y) = \cos\left(\dfrac{y}{x}\right), F_4(x, y) = \sin x + \cos y. Replace x by \lambda x and y by \lambda y (\lambda any nonzero constant): F_1(\lambda x, \lambda y) = \lambda^2 F_1(x, y), F_2(\lambda x, \lambda y) = \lambda F_2(x, y), F_3(\lambda x, \lambda y) = \lambda^0 F_3(x, y), but F_4(\lambda x, \lambda y) \ne \lambda^n F_4(x, y) for any n \in \mathbf{N}.F_1(x, y) = y^2 + 2xy, F_2(x, y) = 2x - 3y, F_3(x, y) = \cos\left(\dfrac{y}{x}\right), F_4(x, y) = \sin x + \cos y लीजिए। x के स्थान पर \lambda x और y के स्थान पर \lambda y रखिए (\lambda कोई शून्येतर अचर): F_1(\lambda x, \lambda y) = \lambda^2 F_1(x, y), F_2(\lambda x, \lambda y) = \lambda F_2(x, y), F_3(\lambda x, \lambda y) = \lambda^0 F_3(x, y), परंतु किसी भी n \in \mathbf{N} के लिए F_4(\lambda x, \lambda y) \ne \lambda^n F_4(x, y)।F_1(x, y) = y^2 + 2xy, F_2(x, y) = 2x - 3y, F_3(x, y) = \cos\left(\dfrac{y}{x}\right), F_4(x, y) = \sin x + \cos y lijiye. x ki jagah \lambda x aur y ki jagah \lambda y rakhiye (\lambda koi nonzero constant): F_1(\lambda x, \lambda y) = \lambda^2 F_1(x, y), F_2(\lambda x, \lambda y) = \lambda F_2(x, y), F_3(\lambda x, \lambda y) = \lambda^0 F_3(x, y), lekin kisi bhi n \in \mathbf{N} ke liye F_4(\lambda x, \lambda y) \ne \lambda^n F_4(x, y).

📘 Definition (NCERT)📘 परिभाषा (NCERT)📘 Definition (NCERT)Homogeneous functionA function F(x, y) is said to be a homogeneous function of degree n if F(\lambda x, \lambda y) = \lambda^n F(x, y) for any nonzero constant \lambda. Equivalently, F(x, y) = x^n g\left(\dfrac{y}{x}\right) or y^n h\left(\dfrac{x}{y}\right).समघातीय फलनफलन F(x, y), n घात वाला समघातीय फलन कहलाता है, यदि किसी भी शून्येतर अचर \lambda के लिए F(\lambda x, \lambda y) = \lambda^n F(x, y) हो। समतुल्य रूप में F(x, y) = x^n g\left(\dfrac{y}{x}\right) या y^n h\left(\dfrac{x}{y}\right)।Homogeneous functionFunction F(x, y) degree n ka homogeneous function kehlaata hai agar kisi bhi nonzero constant \lambda ke liye F(\lambda x, \lambda y) = \lambda^n F(x, y) ho. Isi ko F(x, y) = x^n g\left(\dfrac{y}{x}\right) ya y^n h\left(\dfrac{x}{y}\right) bhi likh sakte hain.

So F_1, F_2, F_3 are homogeneous of degree 2, 1, 0 respectively, and F_4 is not homogeneous.अतः F_1, F_2, F_3 क्रमशः घात 2, 1, 0 के समघातीय फलन हैं, और F_4 समघातीय नहीं है।Isliye F_1, F_2, F_3 kramashah degree 2, 1, 0 ke homogeneous functions hain, aur F_4 homogeneous nahi hai.

📘 Definition (NCERT)📘 परिभाषा (NCERT)📘 Definition (NCERT)Homogeneous differential equationA differential equation of the form \dfrac{dy}{dx} = F(x, y) is said to be homogeneous if F(x, y) is a homogeneous function of degree zero.समघातीय अवकल समीकरण\dfrac{dy}{dx} = F(x, y) के रूप का अवकल समीकरण समघातीय कहलाता है यदि F(x, y) शून्य घात वाला समघातीय फलन हो।Homogeneous differential equation\dfrac{dy}{dx} = F(x, y) form ki differential equation homogeneous kehlaati hai agar F(x, y) degree zero ka homogeneous function ho.

To solve \dfrac{dy}{dx} = F(x, y) = g\left(\dfrac{y}{x}\right) … (1), substitute y = vx … (2). Then \dfrac{dy}{dx} = v + x\dfrac{dv}{dx} … (3), so v + x\dfrac{dv}{dx} = g(v), i.e. x\dfrac{dv}{dx} = g(v) - v … (4). Now the variables separate: \dfrac{dv}{g(v) - v} = \dfrac{dx}{x} … (5), and \displaystyle\int \dfrac{dv}{g(v) - v} = \int \dfrac{1}{x}\,dx + C … (6). Replace v by \dfrac{y}{x} at the end.\dfrac{dy}{dx} = F(x, y) = g\left(\dfrac{y}{x}\right) … (1) को हल करने के लिए y = vx … (2) रखिए। तब \dfrac{dy}{dx} = v + x\dfrac{dv}{dx} … (3), अतः v + x\dfrac{dv}{dx} = g(v), अर्थात् x\dfrac{dv}{dx} = g(v) - v … (4)। अब चर अलग हो जाते हैं: \dfrac{dv}{g(v) - v} = \dfrac{dx}{x} … (5), और \displaystyle\int \dfrac{dv}{g(v) - v} = \int \dfrac{1}{x}\,dx + C … (6)। अंत में v के स्थान पर \dfrac{y}{x} रखिए।\dfrac{dy}{dx} = F(x, y) = g\left(\dfrac{y}{x}\right) … (1) solve karne ke liye y = vx … (2) rakhiye. Tab \dfrac{dy}{dx} = v + x\dfrac{dv}{dx} … (3), isliye v + x\dfrac{dv}{dx} = g(v), yaani x\dfrac{dv}{dx} = g(v) - v … (4). Ab variables alag ho jaate hain: \dfrac{dv}{g(v) - v} = \dfrac{dx}{x} … (5), aur \displaystyle\int \dfrac{dv}{g(v) - v} = \int \dfrac{1}{x}\,dx + C … (6). Aakhir mein v ki jagah \dfrac{y}{x} rakhiye.

If the equation is in the form \dfrac{dx}{dy} = F(x, y) = h\left(\dfrac{x}{y}\right) with F homogeneous of degree zero, substitute \dfrac{x}{y} = v, i.e. x = vy, and proceed the same way (Example 12).यदि समीकरण \dfrac{dx}{dy} = F(x, y) = h\left(\dfrac{x}{y}\right) के रूप में है, जहाँ F शून्य घात का समघातीय फलन है, तो \dfrac{x}{y} = v अर्थात् x = vy रखिए और इसी प्रकार आगे बढ़िए (उदाहरण 12)।Agar equation \dfrac{dx}{dy} = F(x, y) = h\left(\dfrac{x}{y}\right) form mein hai, jahan F degree zero ka homogeneous function hai, to \dfrac{x}{y} = v yaani x = vy rakhiye aur isi tarah aage badhiye (Example 12).
Example 10Show that the differential equation (x - y)\dfrac{dy}{dx} = x + 2y is homogeneous and solve it.उदाहरण 10दर्शाइए कि अवकल समीकरण (x - y)\dfrac{dy}{dx} = x + 2y समघातीय है और इसे हल कीजिए।Example 10Dikhaiye ki differential equation (x - y)\dfrac{dy}{dx} = x + 2y homogeneous hai aur ise solve kijiye.
Solution — step by step (10)हल — चरण दर चरण (10)Hal — step by step (10)
  1. Write it as \frac{dy}{dx} = F(x, y).इसे \frac{dy}{dx} = F(x, y) के रूप में लिखिए।Ise \frac{dy}{dx} = F(x, y) form mein likhiye.
    \dfrac{dy}{dx} = \dfrac{x + 2y}{x - y} = F(x, y) … (1)
  2. \lambda cancels completely, so F is homogeneous of degree zero: the equation is homogeneous.\lambda पूरी तरह कट जाता है, इसलिए F शून्य घात का समघातीय फलन है: समीकरण समघातीय है।\lambda poori tarah cancel ho jaata hai, isliye F degree zero ka homogeneous function hai: equation homogeneous hai.
    F(\lambda x, \lambda y) = \dfrac{\lambda(x + 2y)}{\lambda(x - y)} = \lambda^0 F(x, y)
  3. Substitute y = vx and divide numerator and denominator by x.y = vx रखिए और अंश-हर को x से भाग दीजिए।y = vx rakhiye aur numerator-denominator ko x se divide kijiye.
    y = vx,\ \ \dfrac{dy}{dx} = v + x\dfrac{dv}{dx} \;\Rightarrow\; v + x\dfrac{dv}{dx} = \dfrac{1 + 2v}{1 - v}
  4. Subtract v and simplify: 1 + 2v - v + v^2.v घटाकर सरल कीजिए: 1 + 2v - v + v^2।v ghataakar simplify kijiye: 1 + 2v - v + v^2.
    x\dfrac{dv}{dx} = \dfrac{1 + 2v}{1 - v} - v = \dfrac{v^2 + v + 1}{1 - v}
  5. Separate the variables (note the sign: 1 - v = -(v - 1)).चर अलग कीजिए (चिह्न देखिए: 1 - v = -(v - 1))।Variables alag kijiye (sign dekhiye: 1 - v = -(v - 1)).
    \dfrac{v - 1}{v^2 + v + 1}\,dv = -\dfrac{dx}{x}
  6. Write v - 1 = \frac12(2v + 1) - \frac32 and complete the square in the denominator.v - 1 = \frac12(2v + 1) - \frac32 लिखिए और हर में पूर्ण वर्ग बनाइए।v - 1 = \frac12(2v + 1) - \frac32 likhiye aur denominator mein perfect square banaiye.
    \dfrac{1}{2}\displaystyle\int \dfrac{2v + 1}{v^2 + v + 1}\,dv - \dfrac{3}{2}\int \dfrac{dv}{\left(v + \frac12\right)^2 + \left(\frac{\sqrt3}{2}\right)^2} = -\log|x| + C_1
  7. First integral is a log; the second gives \frac32 \cdot \frac{2}{\sqrt3}\tan^{-1}\frac{2v + 1}{\sqrt3} = \sqrt3\tan^{-1}\frac{2v + 1}{\sqrt3}.पहला समाकल log है; दूसरा \frac32 \cdot \frac{2}{\sqrt3}\tan^{-1}\frac{2v + 1}{\sqrt3} = \sqrt3\tan^{-1}\frac{2v + 1}{\sqrt3} देता है।Pehla integral log hai; doosra \frac32 \cdot \frac{2}{\sqrt3}\tan^{-1}\frac{2v + 1}{\sqrt3} = \sqrt3\tan^{-1}\frac{2v + 1}{\sqrt3} deta hai.
    \dfrac{1}{2}\log(v^2 + v + 1) - \sqrt{3}\tan^{-1}\dfrac{2v + 1}{\sqrt3} = -\log|x| + C_1
  8. Move \log|x| = \frac12\log x^2 to the left and combine logs.\log|x| = \frac12\log x^2 को बाईं ओर ले जाकर log मिलाइए।\log|x| = \frac12\log x^2 ko left mein le jaakar logs jodiye.
    \dfrac{1}{2}\log\left[(v^2 + v + 1)x^2\right] = \sqrt3\tan^{-1}\dfrac{2v + 1}{\sqrt3} + C_1
  9. Replace v by \frac{y}{x}: (v^2 + v + 1)x^2 = y^2 + xy + x^2.v के स्थान पर \frac{y}{x} रखिए: (v^2 + v + 1)x^2 = y^2 + xy + x^2।v ki jagah \frac{y}{x} rakhiye: (v^2 + v + 1)x^2 = y^2 + xy + x^2.
    \dfrac{1}{2}\log(y^2 + xy + x^2) = \sqrt3\tan^{-1}\left(\dfrac{2y + x}{\sqrt3\,x}\right) + C_1
  10. Multiply by 2; C = 2C_1.2 से गुणा कीजिए; C = 2C_1।2 se multiply kijiye; C = 2C_1.
    \log(x^2 + xy + y^2) = 2\sqrt3\tan^{-1}\left(\dfrac{x + 2y}{\sqrt3\,x}\right) + C

✔ \log(x^2 + xy + y^2) = 2\sqrt3\tan^{-1}\left(\dfrac{x + 2y}{\sqrt3\,x}\right) + C\log(x^2 + xy + y^2) = 2\sqrt3\tan^{-1}\left(\dfrac{x + 2y}{\sqrt3\,x}\right) + C\log(x^2 + xy + y^2) = 2\sqrt3\tan^{-1}\left(\dfrac{x + 2y}{\sqrt3\,x}\right) + C

Example 11Show that the differential equation x\cos\left(\dfrac{y}{x}\right)\dfrac{dy}{dx} = y\cos\left(\dfrac{y}{x}\right) + x is homogeneous and solve it.उदाहरण 11दर्शाइए कि अवकल समीकरण x\cos\left(\dfrac{y}{x}\right)\dfrac{dy}{dx} = y\cos\left(\dfrac{y}{x}\right) + x समघातीय है और इसे हल कीजिए।Example 11Dikhaiye ki differential equation x\cos\left(\dfrac{y}{x}\right)\dfrac{dy}{dx} = y\cos\left(\dfrac{y}{x}\right) + x homogeneous hai aur ise solve kijiye.
Solution — step by step (5)हल — चरण दर चरण (5)Hal — step by step (5)
  1. Divide by x\cos\left(\frac{y}{x}\right).x\cos\left(\frac{y}{x}\right) से भाग दीजिए।x\cos\left(\frac{y}{x}\right) se divide kijiye.
    \dfrac{dy}{dx} = \dfrac{y\cos\left(\frac{y}{x}\right) + x}{x\cos\left(\frac{y}{x}\right)} = F(x, y)
  2. \frac{\lambda y}{\lambda x} = \frac{y}{x}, so the cos part does not change: homogeneous of degree zero.\frac{\lambda y}{\lambda x} = \frac{y}{x}, इसलिए cos वाला भाग नहीं बदलता: शून्य घात का समघातीय।\frac{\lambda y}{\lambda x} = \frac{y}{x}, isliye cos wala part nahi badalta: degree zero ka homogeneous.
    F(\lambda x, \lambda y) = \dfrac{\lambda\left[y\cos\left(\frac{y}{x}\right) + x\right]}{\lambda\left[x\cos\left(\frac{y}{x}\right)\right]} = \lambda^0 F(x, y)
  3. Put y = vx, \frac{dy}{dx} = v + x\frac{dv}{dx}.y = vx, \frac{dy}{dx} = v + x\frac{dv}{dx} रखिए।y = vx, \frac{dy}{dx} = v + x\frac{dv}{dx} rakhiye.
    v + x\dfrac{dv}{dx} = \dfrac{v\cos v + 1}{\cos v}
  4. Subtract v, then separate.v घटाइए, फिर चर अलग कीजिए।v ghataiye, phir variables alag kijiye.
    x\dfrac{dv}{dx} = \dfrac{1}{\cos v} \;\Rightarrow\; \cos v\,dv = \dfrac{dx}{x}
  5. Integrate; writing the constant as \log|C| lets the logs combine.समाकलन कीजिए; अचर को \log|C| लिखने से log मिल जाते हैं।Integrate kijiye; constant ko \log|C| likhne se logs jud jaate hain.
    \sin v = \log|x| + \log|C| = \log|Cx|

✔ \sin\left(\dfrac{y}{x}\right) = \log|Cx|\sin\left(\dfrac{y}{x}\right) = \log|Cx|\sin\left(\dfrac{y}{x}\right) = \log|Cx|

Example 12Show that the differential equation 2y\,e^{\frac{x}{y}}\,dx + \left(y - 2x\,e^{\frac{x}{y}}\right)dy = 0 is homogeneous and find its particular solution, given that, x = 0 when y = 1.उदाहरण 12दर्शाइए कि अवकल समीकरण 2y\,e^{\frac{x}{y}}\,dx + \left(y - 2x\,e^{\frac{x}{y}}\right)dy = 0 समघातीय है और इसका विशिष्ट हल ज्ञात कीजिए, दिया है कि y = 1 होने पर x = 0।Example 12Dikhaiye ki differential equation 2y\,e^{\frac{x}{y}}\,dx + \left(y - 2x\,e^{\frac{x}{y}}\right)dy = 0 homogeneous hai aur iska particular solution nikaaliye, diya hai ki y = 1 par x = 0.
Solution — step by step (6)हल — चरण दर चरण (6)Hal — step by step (6)
  1. Here it is easier to write \frac{dx}{dy}.यहाँ \frac{dx}{dy} लिखना आसान है।Yahan \frac{dx}{dy} likhna aasaan hai.
    \dfrac{dx}{dy} = \dfrac{2x\,e^{\frac{x}{y}} - y}{2y\,e^{\frac{x}{y}}} = F(x, y) … (1)
  2. Homogeneous of degree zero, so the equation is homogeneous.शून्य घात का समघातीय, अतः समीकरण समघातीय है।Degree zero ka homogeneous, isliye equation homogeneous hai.
    F(\lambda x, \lambda y) = \dfrac{\lambda\left(2x\,e^{\frac{x}{y}} - y\right)}{\lambda\left(2y\,e^{\frac{x}{y}}\right)} = \lambda^0 F(x, y)
  3. Since the equation is in \frac{dx}{dy} form, substitute x = vy.समीकरण \frac{dx}{dy} रूप में है, इसलिए x = vy रखिए।Equation \frac{dx}{dy} form mein hai, isliye x = vy rakhiye.
    x = vy,\ \dfrac{dx}{dy} = v + y\dfrac{dv}{dy} \;\Rightarrow\; v + y\dfrac{dv}{dy} = \dfrac{2v\,e^v - 1}{2e^v}
  4. Subtract v and separate.v घटाइए और चर अलग कीजिए।v ghataiye aur variables alag kijiye.
    y\dfrac{dv}{dy} = -\dfrac{1}{2e^v} \;\Rightarrow\; 2e^v\,dv = -\dfrac{dy}{y}
  5. Integrate and replace v by \frac{x}{y}.समाकलन कीजिए और v के स्थान पर \frac{x}{y} रखिए।Integrate kijiye aur v ki jagah \frac{x}{y} rakhiye.
    2e^v = -\log|y| + C \;\Rightarrow\; 2e^{\frac{x}{y}} + \log|y| = C … (3)
  6. Put x = 0, y = 1.x = 0, y = 1 रखिए।x = 0, y = 1 rakhiye.
    2e^0 + \log 1 = C \Rightarrow C = 2

✔ 2e^{\frac{x}{y}} + \log|y| = 22e^{\frac{x}{y}} + \log|y| = 22e^{\frac{x}{y}} + \log|y| = 2

Example 13Show that the family of curves for which the slope of the tangent at any point (x, y) on it is \dfrac{x^2 + y^2}{2xy}, is given by x^2 - y^2 = cx.उदाहरण 13दर्शाइए कि वक्रों का वह कुल, जिसके किसी बिंदु (x, y) पर स्पर्श रेखा की प्रवणता \dfrac{x^2 + y^2}{2xy} है, x^2 - y^2 = cx द्वारा प्रदत्त है।Example 13Dikhaiye ki curves ki wo family, jiske kisi point (x, y) par tangent ki slope \dfrac{x^2 + y^2}{2xy} hai, x^2 - y^2 = cx se di jaati hai.
Solution — step by step (5)हल — चरण दर चरण (5)Hal — step by step (5)
  1. Slope of tangent = \frac{dy}{dx}; divide numerator and denominator by x^2: a function of \frac{y}{x}, so homogeneous.स्पर्श रेखा की प्रवणता = \frac{dy}{dx}; अंश-हर को x^2 से भाग दीजिए: \frac{y}{x} का फलन, अतः समघातीय।Tangent ki slope = \frac{dy}{dx}; numerator-denominator ko x^2 se divide kijiye: \frac{y}{x} ka function, isliye homogeneous.
    \dfrac{dy}{dx} = \dfrac{x^2 + y^2}{2xy} = \dfrac{1 + \frac{y^2}{x^2}}{2\frac{y}{x}}
  2. Put y = vx and subtract v.y = vx रखिए और v घटाइए।y = vx rakhiye aur v ghataiye.
    v + x\dfrac{dv}{dx} = \dfrac{1 + v^2}{2v} \;\Rightarrow\; x\dfrac{dv}{dx} = \dfrac{1 - v^2}{2v}
  3. Separate; \frac{2v}{1 - v^2} = -\frac{2v}{v^2 - 1}.चर अलग कीजिए; \frac{2v}{1 - v^2} = -\frac{2v}{v^2 - 1}।Variables alag kijiye; \frac{2v}{1 - v^2} = -\frac{2v}{v^2 - 1}.
    \dfrac{2v}{v^2 - 1}\,dv = -\dfrac{dx}{x}
  4. Numerator is the derivative of the denominator, so the integral is a log.अंश, हर का अवकलज है, इसलिए समाकल log है।Numerator, denominator ka derivative hai, isliye integral log hai.
    \log|v^2 - 1| = -\log|x| + \log|C_1| \;\Rightarrow\; (v^2 - 1)x = \pm C_1
  5. Replace v by \frac{y}{x} and multiply by x.v के स्थान पर \frac{y}{x} रखकर x से गुणा कीजिए।v ki jagah \frac{y}{x} rakhkar x se multiply kijiye.
    \left(\dfrac{y^2}{x^2} - 1\right)x = \pm C_1 \;\Rightarrow\; y^2 - x^2 = \pm C_1 x

✔ x^2 - y^2 = Cx (with C = \mp C_1) — the required family.x^2 - y^2 = Cx (C = \mp C_1) — अभीष्ट कुल।x^2 - y^2 = Cx (C = \mp C_1) — required family.

🏆 Topper box🏆 टॉपर बॉक्स🏆 Topper boxTopper check in 10 secondsBefore choosing y = vx, make sure the equation really is homogeneous: replace x by \lambda x, y by \lambda y in the right-hand side of \frac{dy}{dx} = F(x, y) — every \lambda must cancel (\lambda^0). A constant term like +5 (Exercise 9.4, Q17 (A)) or mixed degrees like x^3 + 2y^2 stop it from being homogeneous.टॉपर जाँच 10 सेकंड मेंy = vx चुनने से पहले पक्का कीजिए कि समीकरण सचमुच समघातीय है: \frac{dy}{dx} = F(x, y) के दाएँ पक्ष में x के स्थान पर \lambda x, y के स्थान पर \lambda y रखिए — हर \lambda कटना चाहिए (\lambda^0)। +5 जैसा अचर पद (प्रश्नावली 9.4, प्र. 17 (A)) या x^3 + 2y^2 जैसी मिली-जुली घातें इसे समघातीय नहीं रहने देतीं।Topper check 10 second meiny = vx chunne se pehle pakka kijiye ki equation sach mein homogeneous hai: \frac{dy}{dx} = F(x, y) ki right side mein x ki jagah \lambda x, y ki jagah \lambda y rakhiye — har \lambda cancel hona chahiye (\lambda^0). +5 jaisa constant term (Exercise 9.4, Q17 (A)) ya x^3 + 2y^2 jaisi mixed degrees ise homogeneous nahi rehne deti.
⚠️ Mistakes that cost marks⚠️ ग़लतियाँ जिनसे अंक कटते हैं⚠️ Galtiyan jinse marks katte hain(1) Writing \frac{dy}{dx} = v after putting y = vx — it is v + x\frac{dv}{dx} (product rule). (2) Forgetting to put v = \frac{y}{x} back at the end. (3) Using y = vx for a \frac{dx}{dy} = h\left(\frac{x}{y}\right) equation — there x = vy is easier (Example 12).(1) y = vx रखने के बाद \frac{dy}{dx} = v लिखना — यह v + x\frac{dv}{dx} है (गुणनफल नियम)। (2) अंत में v = \frac{y}{x} वापस रखना भूल जाना। (3) \frac{dx}{dy} = h\left(\frac{x}{y}\right) वाले समीकरण में y = vx लेना — वहाँ x = vy आसान है (उदाहरण 12)।(1) y = vx rakhne ke baad \frac{dy}{dx} = v likhna — ye v + x\frac{dv}{dx} hai (product rule). (2) Aakhir mein v = \frac{y}{x} wapas rakhna bhool jaana. (3) \frac{dx}{dy} = h\left(\frac{x}{y}\right) wali equation mein y = vx lena — wahan x = vy aasaan hai (Example 12).
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(Exercise 9.4, Q2) Show that y' = \dfrac{x + y}{x} is homogeneous and solve it.(प्रश्नावली 9.4, प्र. 2) दर्शाइए कि y' = \dfrac{x + y}{x} समघातीय है और इसे हल कीजिए।(Exercise 9.4, Q2) Dikhaiye ki y' = \dfrac{x + y}{x} homogeneous hai aur solve kijiye.

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y = x\log|x| + Cxy = x\log|x| + Cxy = x\log|x| + Cx

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(Exercise 9.4, Q4) Solve (x^2 - y^2)\,dx + 2xy\,dy = 0.(प्रश्नावली 9.4, प्र. 4) (x^2 - y^2)\,dx + 2xy\,dy = 0 हल कीजिए।(Exercise 9.4, Q4) (x^2 - y^2)\,dx + 2xy\,dy = 0 solve kijiye.

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x^2 + y^2 = Cxx^2 + y^2 = Cxx^2 + y^2 = Cx

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(Exercise 9.4, Q12) Particular solution of x^2\,dy + (xy + y^2)\,dx = 0; y = 1 when x = 1.(प्रश्नावली 9.4, प्र. 12) x^2\,dy + (xy + y^2)\,dx = 0 का विशिष्ट हल; x = 1 पर y = 1।(Exercise 9.4, Q12) x^2\,dy + (xy + y^2)\,dx = 0 ka particular solution; x = 1 par y = 1.

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y + 2x = 3x^2 yy + 2x = 3x^2 yy + 2x = 3x^2 y

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(Exercise 9.4, Q14) Particular solution of \dfrac{dy}{dx} - \dfrac{y}{x} + \operatorname{cosec}\left(\dfrac{y}{x}\right) = 0; y = 0 when x = 1.(प्रश्नावली 9.4, प्र. 14) \dfrac{dy}{dx} - \dfrac{y}{x} + \operatorname{cosec}\left(\dfrac{y}{x}\right) = 0 का विशिष्ट हल; x = 1 पर y = 0।(Exercise 9.4, Q14) \dfrac{dy}{dx} - \dfrac{y}{x} + \operatorname{cosec}\left(\dfrac{y}{x}\right) = 0 ka particular solution; x = 1 par y = 0.

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\cos\left(\dfrac{y}{x}\right) = \log|ex|\cos\left(\dfrac{y}{x}\right) = \log|ex|\cos\left(\dfrac{y}{x}\right) = \log|ex|

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(Exercise 9.4, Q16) A homogeneous equation of the form \dfrac{dx}{dy} = h\left(\dfrac{x}{y}\right) can be solved by the substitution (A) y = vx (B) v = yx (C) x = vy (D) x = v(प्रश्नावली 9.4, प्र. 16) \dfrac{dx}{dy} = h\left(\dfrac{x}{y}\right) रूप वाले समघातीय समीकरण को किस प्रतिस्थापन से हल करते हैं? (A) y = vx (B) v = yx (C) x = vy (D) x = v(Exercise 9.4, Q16) \dfrac{dx}{dy} = h\left(\dfrac{x}{y}\right) form ki homogeneous equation kis substitution se solve hoti hai? (A) y = vx (B) v = yx (C) x = vy (D) x = v

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(C) x = vy(C) x = vy(C) x = vy

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(Exercise 9.4, Q17) Which is a homogeneous differential equation? (A) (4x + 6y + 5)\,dy - (3y + 2x + 4)\,dx = 0 (B) (xy)\,dx - (x^3 + y^3)\,dy = 0 (C) (x^3 + 2y^2)\,dx + 2xy\,dy = 0 (D) y^2\,dx + (x^2 - xy - y^2)\,dy = 0(प्रश्नावली 9.4, प्र. 17) कौन-सा समघातीय अवकल समीकरण है? (A) (4x + 6y + 5)\,dy - (3y + 2x + 4)\,dx = 0 (B) (xy)\,dx - (x^3 + y^3)\,dy = 0 (C) (x^3 + 2y^2)\,dx + 2xy\,dy = 0 (D) y^2\,dx + (x^2 - xy - y^2)\,dy = 0(Exercise 9.4, Q17) Kaunsi homogeneous differential equation hai? (A) (4x + 6y + 5)\,dy - (3y + 2x + 4)\,dx = 0 (B) (xy)\,dx - (x^3 + y^3)\,dy = 0 (C) (x^3 + 2y^2)\,dx + 2xy\,dy = 0 (D) y^2\,dx + (x^2 - xy - y^2)\,dy = 0

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(D) — both y^2 and x^2 - xy - y^2 have degree 2.(D) — y^2 और x^2 - xy - y^2 दोनों की घात 2 है।(D) — y^2 aur x^2 - xy - y^2 dono ki degree 2 hai.

9.4.3Linear differential equationsरैखिक अवकल समीकरणLinear differential equations

📘 Definition (NCERT)📘 परिभाषा (NCERT)📘 Definition (NCERT)First order linear differential equationA differential equation of the form \dfrac{dy}{dx} + Py = Q, where P and Q are constants or functions of x only, is known as a first order linear differential equation. Examples: \dfrac{dy}{dx} + y = \sin x, \dfrac{dy}{dx} + \left(\dfrac{1}{x}\right)y = e^x, \dfrac{dy}{dx} + \left(\dfrac{y}{x\log x}\right) = \dfrac{1}{x}.प्रथम कोटि का रैखिक अवकल समीकरण\dfrac{dy}{dx} + Py = Q के रूप का अवकल समीकरण, जहाँ P और Q अचर या केवल x के फलन हैं, प्रथम कोटि का रैखिक अवकल समीकरण कहलाता है। उदाहरण: \dfrac{dy}{dx} + y = \sin x, \dfrac{dy}{dx} + \left(\dfrac{1}{x}\right)y = e^x, \dfrac{dy}{dx} + \left(\dfrac{y}{x\log x}\right) = \dfrac{1}{x}।First order linear differential equation\dfrac{dy}{dx} + Py = Q form ki differential equation, jahan P aur Q constants ya sirf x ke functions hain, first order linear differential equation kehlaati hai. Examples: \dfrac{dy}{dx} + y = \sin x, \dfrac{dy}{dx} + \left(\dfrac{1}{x}\right)y = e^x, \dfrac{dy}{dx} + \left(\dfrac{y}{x\log x}\right) = \dfrac{1}{x}.

Another form is \dfrac{dx}{dy} + P_1 x = Q_1, where P_1 and Q_1 are constants or functions of y only, e.g. \dfrac{dx}{dy} + x = \cos y and \dfrac{dx}{dy} + \dfrac{-2x}{y} = y^2 e^{-y}.दूसरा रूप \dfrac{dx}{dy} + P_1 x = Q_1 है, जहाँ P_1 और Q_1 अचर या केवल y के फलन हैं, जैसे \dfrac{dx}{dy} + x = \cos y और \dfrac{dx}{dy} + \dfrac{-2x}{y} = y^2 e^{-y}।Doosra form \dfrac{dx}{dy} + P_1 x = Q_1 hai, jahan P_1 aur Q_1 constants ya sirf y ke functions hain, jaise \dfrac{dx}{dy} + x = \cos y aur \dfrac{dx}{dy} + \dfrac{-2x}{y} = y^2 e^{-y}.

Why the integrating factor works: multiply \dfrac{dy}{dx} + Py = Q by a function g(x) and choose g so that the L.H.S. becomes \dfrac{d}{dx}\left[y\cdot g(x)\right] = g(x)\dfrac{dy}{dx} + y\,g'(x). This needs P\,g(x) = g'(x), i.e. P = \dfrac{g'(x)}{g(x)}. Integrating, \int P\,dx = \log g(x), so g(x) = e^{\int P\,dx}. Then \dfrac{d}{dx}\left(y\,e^{\int P\,dx}\right) = Q\,e^{\int P\,dx}, and integrating gives y = e^{-\int P\,dx}\left[\int \left(Q\,e^{\int P\,dx}\right)dx + C\right].समाकलन गुणक क्यों काम करता है: \dfrac{dy}{dx} + Py = Q को किसी फलन g(x) से गुणा कीजिए और g ऐसा चुनिए कि बायाँ पक्ष \dfrac{d}{dx}\left[y\cdot g(x)\right] = g(x)\dfrac{dy}{dx} + y\,g'(x) बन जाए। इसके लिए P\,g(x) = g'(x) चाहिए, अर्थात् P = \dfrac{g'(x)}{g(x)}। समाकलन से \int P\,dx = \log g(x), अतः g(x) = e^{\int P\,dx}। तब \dfrac{d}{dx}\left(y\,e^{\int P\,dx}\right) = Q\,e^{\int P\,dx}, और समाकलन करने पर y = e^{-\int P\,dx}\left[\int \left(Q\,e^{\int P\,dx}\right)dx + C\right]।Integrating factor kyun kaam karta hai: \dfrac{dy}{dx} + Py = Q ko kisi function g(x) se multiply kijiye aur g aisa chuniye ki L.H.S. \dfrac{d}{dx}\left[y\cdot g(x)\right] = g(x)\dfrac{dy}{dx} + y\,g'(x) ban jaaye. Iske liye P\,g(x) = g'(x) chahiye, yaani P = \dfrac{g'(x)}{g(x)}. Integrate karne par \int P\,dx = \log g(x), isliye g(x) = e^{\int P\,dx}. Tab \dfrac{d}{dx}\left(y\,e^{\int P\,dx}\right) = Q\,e^{\int P\,dx}, aur integrate karne par y = e^{-\int P\,dx}\left[\int \left(Q\,e^{\int P\,dx}\right)dx + C\right].

📘 Definition (NCERT)📘 परिभाषा (NCERT)📘 Definition (NCERT)Integrating Factor (I.F.)The function g(x) = e^{\int P\,dx}, on multiplying by which the L.H.S. of \dfrac{dy}{dx} + Py = Q becomes the derivative of some function of x and y, is called the Integrating Factor (I.F.) of the differential equation.समाकलन गुणक (I.F.)फलन g(x) = e^{\int P\,dx}, जिससे गुणा करने पर \dfrac{dy}{dx} + Py = Q का बायाँ पक्ष x और y के किसी फलन का अवकलज बन जाता है, अवकल समीकरण का समाकलन गुणक (I.F.) कहलाता है।Integrating Factor (I.F.)Function g(x) = e^{\int P\,dx}, jisse multiply karne par \dfrac{dy}{dx} + Py = Q ki L.H.S. x aur y ke kisi function ka derivative ban jaati hai, differential equation ka Integrating Factor (I.F.) kehlaata hai.
Steps (NCERT)(i) Write the equation in the form \dfrac{dy}{dx} + Py = Q, P and Q constants or functions of x only. (ii) Find \text{I.F.} = e^{\int P\,dx}. (iii) Write the solution as y\,(\text{I.F.}) = \displaystyle\int \left(Q \times \text{I.F.}\right)dx + C. For \dfrac{dx}{dy} + P_1 x = Q_1: \text{I.F.} = e^{\int P_1\,dy} and x\,(\text{I.F.}) = \displaystyle\int \left(Q_1 \times \text{I.F.}\right)dy + C.चरण (NCERT)(i) समीकरण को \dfrac{dy}{dx} + Py = Q के रूप में लिखिए, P और Q अचर या केवल x के फलन। (ii) \text{I.F.} = e^{\int P\,dx} ज्ञात कीजिए। (iii) हल y\,(\text{I.F.}) = \displaystyle\int \left(Q \times \text{I.F.}\right)dx + C लिखिए। \dfrac{dx}{dy} + P_1 x = Q_1 के लिए: \text{I.F.} = e^{\int P_1\,dy} और x\,(\text{I.F.}) = \displaystyle\int \left(Q_1 \times \text{I.F.}\right)dy + C।Steps (NCERT)(i) Equation ko \dfrac{dy}{dx} + Py = Q form mein likhiye, P aur Q constants ya sirf x ke functions. (ii) \text{I.F.} = e^{\int P\,dx} nikaaliye. (iii) Solution y\,(\text{I.F.}) = \displaystyle\int \left(Q \times \text{I.F.}\right)dx + C likhiye. \dfrac{dx}{dy} + P_1 x = Q_1 ke liye: \text{I.F.} = e^{\int P_1\,dy} aur x\,(\text{I.F.}) = \displaystyle\int \left(Q_1 \times \text{I.F.}\right)dy + C.
Integrating factor recipe: 4 steps for a linear differential equationसमाकलन गुणक की विधि: रैखिक अवकल समीकरण के 4 चरणIntegrating factor ki recipe: linear differential equation ke 4 stepsNCERT 9.4.3 · 8 tappable partsOpen
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Example 14Find the general solution of the differential equation \dfrac{dy}{dx} - y = \cos x.उदाहरण 14अवकल समीकरण \dfrac{dy}{dx} - y = \cos x का व्यापक हल ज्ञात कीजिए।Example 14Differential equation \dfrac{dy}{dx} - y = \cos x ka general solution nikaaliye.
Solution — step by step (7)हल — चरण दर चरण (7)Hal — step by step (7)
  1. It is of the form \frac{dy}{dx} + Py = Q. Careful: P carries the minus sign.यह \frac{dy}{dx} + Py = Q रूप का है। ध्यान दीजिए: ऋण चिह्न P में है।Ye \frac{dy}{dx} + Py = Q form ka hai. Dhyaan dijiye: minus sign P mein hai.
    P = -1,\quad Q = \cos x
  2. Integrating factor.समाकलन गुणक।Integrating factor.
    \text{I.F.} = e^{\int -1\,dx} = e^{-x}
  3. Multiply by the I.F.; the L.H.S. becomes an exact derivative. Integrate.I.F. से गुणा कीजिए; बायाँ पक्ष एक अवकलज बन जाता है। समाकलन कीजिए।I.F. se multiply kijiye; L.H.S. ek derivative ban jaati hai. Integrate kijiye.
    \dfrac{d}{dx}\left(y\,e^{-x}\right) = e^{-x}\cos x \;\Rightarrow\; y\,e^{-x} = \displaystyle\int e^{-x}\cos x\,dx + C … (1)
  4. By parts with \cos x first and e^{-x} second (\int e^{-x}dx = -e^{-x}).खंडशः समाकलन: पहला \cos x, दूसरा e^{-x} (\int e^{-x}dx = -e^{-x})।By parts: pehla \cos x, doosra e^{-x} (\int e^{-x}dx = -e^{-x}).
    I = \displaystyle\int e^{-x}\cos x\,dx = -e^{-x}\cos x - \int \sin x\,e^{-x}\,dx
  5. By parts once more on \int \sin x\,e^{-x}\,dx; the same integral I comes back.\int \sin x\,e^{-x}\,dx पर फिर से खंडशः; वही समाकल I वापस आता है।\int \sin x\,e^{-x}\,dx par phir se by parts; wahi integral I wapas aata hai.
    I = -e^{-x}\cos x + e^{-x}\sin x - I
  6. Bring I to the left side.I को बाईं ओर लाइए।I ko left side laaiye.
    2I = (\sin x - \cos x)\,e^{-x} \;\Rightarrow\; I = \dfrac{(\sin x - \cos x)\,e^{-x}}{2}
  7. Put I in (1).I को (1) में रखिए।I ko (1) mein rakhiye.
    y\,e^{-x} = \left(\dfrac{\sin x - \cos x}{2}\right)e^{-x} + C

✔ y = \dfrac{\sin x - \cos x}{2} + C\,e^{x}y = \dfrac{\sin x - \cos x}{2} + C\,e^{x}y = \dfrac{\sin x - \cos x}{2} + C\,e^{x}

Example 15Find the general solution of the differential equation x\dfrac{dy}{dx} + 2y = x^2 (x \ne 0).उदाहरण 15अवकल समीकरण x\dfrac{dy}{dx} + 2y = x^2 (x \ne 0) का व्यापक हल ज्ञात कीजिए।Example 15Differential equation x\dfrac{dy}{dx} + 2y = x^2 (x \ne 0) ka general solution nikaaliye.
Solution — step by step (4)हल — चरण दर चरण (4)Hal — step by step (4)
  1. Divide by x so that the coefficient of \frac{dy}{dx} is 1.x से भाग दीजिए ताकि \frac{dy}{dx} का गुणांक 1 हो।x se divide kijiye taaki \frac{dy}{dx} ka coefficient 1 ho.
    \dfrac{dy}{dx} + \dfrac{2}{x}\,y = x
  2. Read off P and Q.P और Q पहचानिए।P aur Q pehchaaniye.
    P = \dfrac{2}{x},\quad Q = x
  3. Use e^{\log f(x)} = f(x).e^{\log f(x)} = f(x) का प्रयोग कीजिए।e^{\log f(x)} = f(x) use kijiye.
    \text{I.F.} = e^{\int \frac{2}{x}dx} = e^{2\log x} = e^{\log x^2} = x^2
  4. y\,(\text{I.F.}) = \int Q\,(\text{I.F.})\,dx + C.y\,(\text{I.F.}) = \int Q\,(\text{I.F.})\,dx + C।y\,(\text{I.F.}) = \int Q\,(\text{I.F.})\,dx + C.
    y\cdot x^2 = \displaystyle\int (x)(x^2)\,dx + C = \int x^3\,dx + C = \dfrac{x^4}{4} + C

✔ y = \dfrac{x^2}{4} + C\,x^{-2}y = \dfrac{x^2}{4} + C\,x^{-2}y = \dfrac{x^2}{4} + C\,x^{-2}

Example 16Find the general solution of the differential equation y\,dx - (x + 2y^2)\,dy = 0.उदाहरण 16अवकल समीकरण y\,dx - (x + 2y^2)\,dy = 0 का व्यापक हल ज्ञात कीजिए।Example 16Differential equation y\,dx - (x + 2y^2)\,dy = 0 ka general solution nikaaliye.
Solution — step by step (4)हल — चरण दर चरण (4)Hal — step by step (4)
  1. Divide by y\,dy: it is linear in x (the form \frac{dx}{dy} + P_1 x = Q_1).y\,dy से भाग दीजिए: यह x में रैखिक है (\frac{dx}{dy} + P_1 x = Q_1 रूप)।y\,dy se divide kijiye: ye x mein linear hai (\frac{dx}{dy} + P_1 x = Q_1 form).
    \dfrac{dx}{dy} - \dfrac{x}{y} = 2y
  2. Read off P_1 and Q_1.P_1 और Q_1 पहचानिए।P_1 aur Q_1 pehchaaniye.
    P_1 = -\dfrac{1}{y},\quad Q_1 = 2y
  3. Integrate with respect to y.y के सापेक्ष समाकलन।y ke respect mein integrate.
    \text{I.F.} = e^{\int -\frac{1}{y}dy} = e^{-\log y} = e^{\log (y)^{-1}} = \dfrac{1}{y}
  4. x\,(\text{I.F.}) = \int Q_1\,(\text{I.F.})\,dy + C.x\,(\text{I.F.}) = \int Q_1\,(\text{I.F.})\,dy + C।x\,(\text{I.F.}) = \int Q_1\,(\text{I.F.})\,dy + C.
    x\cdot\dfrac{1}{y} = \displaystyle\int (2y)\left(\dfrac{1}{y}\right)dy + C = \int 2\,dy + C = 2y + C

✔ x = 2y^2 + Cyx = 2y^2 + Cyx = 2y^2 + Cy

Example 17Find the particular solution of the differential equation \dfrac{dy}{dx} + y\cot x = 2x + x^2\cot x (x \ne 0) given that y = 0 when x = \dfrac{\pi}{2}.उदाहरण 17अवकल समीकरण \dfrac{dy}{dx} + y\cot x = 2x + x^2\cot x (x \ne 0) का विशिष्ट हल ज्ञात कीजिए, दिया है कि x = \dfrac{\pi}{2} होने पर y = 0।Example 17Differential equation \dfrac{dy}{dx} + y\cot x = 2x + x^2\cot x (x \ne 0) ka particular solution nikaaliye, diya hai ki x = \dfrac{\pi}{2} par y = 0.
Solution — step by step (7)हल — चरण दर चरण (7)Hal — step by step (7)
  1. Already in the form \frac{dy}{dx} + Py = Q.पहले से \frac{dy}{dx} + Py = Q रूप में है।Pehle se \frac{dy}{dx} + Py = Q form mein hai.
    P = \cot x,\quad Q = 2x + x^2\cot x
  2. \int \cot x\,dx = \log \sin x.\int \cot x\,dx = \log \sin x।\int \cot x\,dx = \log \sin x.
    \text{I.F.} = e^{\int \cot x\,dx} = e^{\log \sin x} = \sin x
  3. (2x + x^2\cot x)\sin x = 2x\sin x + x^2\cos x.(2x + x^2\cot x)\sin x = 2x\sin x + x^2\cos x।(2x + x^2\cot x)\sin x = 2x\sin x + x^2\cos x.
    y\sin x = \displaystyle\int 2x\sin x\,dx + \int x^2\cos x\,dx + C
  4. Integrate the first integral by parts with \sin x as the first function: \int 2x\sin x\,dx = x^2\sin x - \int x^2\cos x\,dx.पहले समाकल का खंडशः समाकलन, \sin x को पहला फलन लेकर: \int 2x\sin x\,dx = x^2\sin x - \int x^2\cos x\,dx।Pehle integral ko by parts, \sin x ko first function lekar: \int 2x\sin x\,dx = x^2\sin x - \int x^2\cos x\,dx.
    y\sin x = x^2\sin x - \displaystyle\int x^2\cos x\,dx + \int x^2\cos x\,dx + C
  5. The two integrals cancel.दोनों समाकल कट जाते हैं।Dono integrals cancel ho jaate hain.
    y\sin x = x^2\sin x + C … (1)
  6. Put y = 0, x = \frac{\pi}{2}.y = 0, x = \frac{\pi}{2} रखिए।y = 0, x = \frac{\pi}{2} rakhiye.
    0 = \left(\dfrac{\pi}{2}\right)^2\sin\dfrac{\pi}{2} + C \;\Rightarrow\; C = -\dfrac{\pi^2}{4}
  7. Substitute C in (1).(1) में C रखिए।(1) mein C rakhiye.
    y\sin x = x^2\sin x - \dfrac{\pi^2}{4}

✔ y = x^2 - \dfrac{\pi^2}{4\sin x} (\sin x \ne 0)y = x^2 - \dfrac{\pi^2}{4\sin x} (\sin x \ne 0)y = x^2 - \dfrac{\pi^2}{4\sin x} (\sin x \ne 0)

Example 18Find the equation of a curve passing through the point (0, 1), if the slope of the tangent to the curve at any point (x, y) is equal to the sum of the x coordinate (abscissa) and the product of the x coordinate and y coordinate (ordinate) of that point.उदाहरण 18बिंदु (0, 1) से गुज़रने वाले वक्र का समीकरण ज्ञात कीजिए, यदि इस वक्र के किसी बिंदु (x, y) पर स्पर्श रेखा की प्रवणता, उस बिंदु के x निर्देशांक (भुज) तथा x निर्देशांक और y निर्देशांक (कोटि) के गुणनफल के योग के बराबर है।Example 18Point (0, 1) se guzarne wale curve ki equation nikaaliye, agar curve ke kisi point (x, y) par tangent ki slope, us point ke x coordinate (abscissa) aur x, y coordinates (ordinate) ke product ke sum ke barabar hai.
Solution — step by step (6)हल — चरण दर चरण (6)Hal — step by step (6)
  1. Slope = abscissa + abscissa × ordinate.प्रवणता = भुज + भुज × कोटि।Slope = abscissa + abscissa × ordinate.
    \dfrac{dy}{dx} = x + xy \;\Rightarrow\; \dfrac{dy}{dx} - xy = x
  2. Linear with P = −x.P = −x के साथ रैखिक।P = −x ke saath linear.
    P = -x,\quad Q = x,\quad \text{I.F.} = e^{\int -x\,dx} = e^{-\frac{x^2}{2}}
  3. y\,(\text{I.F.}) = \int Q\,(\text{I.F.})\,dx + C.y\,(\text{I.F.}) = \int Q\,(\text{I.F.})\,dx + C।y\,(\text{I.F.}) = \int Q\,(\text{I.F.})\,dx + C.
    y\,e^{-\frac{x^2}{2}} = \displaystyle\int x\,e^{-\frac{x^2}{2}}\,dx + C … (2)
  4. Substitution.प्रतिस्थापन।Substitution.
    -\dfrac{x^2}{2} = t,\ x\,dx = -dt \;\Rightarrow\; \displaystyle\int x\,e^{-\frac{x^2}{2}}\,dx = -\int e^t\,dt = -e^{-\frac{x^2}{2}}
  5. Multiply by e^{\frac{x^2}{2}}. This is the family of curves.e^{\frac{x^2}{2}} से गुणा कीजिए। यह वक्रों का कुल है।e^{\frac{x^2}{2}} se multiply kijiye. Ye curves ki family hai.
    y\,e^{-\frac{x^2}{2}} = -e^{-\frac{x^2}{2}} + C \;\Rightarrow\; y = -1 + C\,e^{\frac{x^2}{2}} … (3)
  6. The curve passes through (0, 1).वक्र (0, 1) से जाता है।Curve (0, 1) se jaata hai.
    1 = -1 + C\,e^0 \Rightarrow C = 2

✔ y = -1 + 2\,e^{\frac{x^2}{2}} (the orange curve in the slope-field picture above).y = -1 + 2\,e^{\frac{x^2}{2}} (ऊपर ढाल-क्षेत्र वाले चित्र का नारंगी वक्र)।y = -1 + 2\,e^{\frac{x^2}{2}} (upar slope-field wali picture ka orange curve).

⚠️ Mistakes that cost marks⚠️ ग़लतियाँ जिनसे अंक कटते हैं⚠️ Galtiyan jinse marks katte hain(1) Finding P before making the coefficient of \frac{dy}{dx} equal to 1 (Example 15: divide by x first). (2) Losing the sign of P: in \frac{dy}{dx} - y = \cos x, P = -1, so I.F. = e^{-x}, not e^{x}. (3) Writing y = \frac{x^2}{4} + C instead of y = \frac{x^2}{4} + Cx^{-2} — when you divide by the I.F., divide the C too. (4) Using \int P\,dx with respect to x for a \frac{dx}{dy} equation — there it is \int P_1\,dy.(1) \frac{dy}{dx} का गुणांक 1 किए बिना P ज्ञात करना (उदाहरण 15: पहले x से भाग दीजिए)। (2) P का चिह्न खो देना: \frac{dy}{dx} - y = \cos x में P = -1, इसलिए I.F. = e^{-x}, e^{x} नहीं। (3) y = \frac{x^2}{4} + Cx^{-2} के स्थान पर y = \frac{x^2}{4} + C लिखना — I.F. से भाग देते समय C को भी भाग दीजिए। (4) \frac{dx}{dy} वाले समीकरण में x के सापेक्ष \int P\,dx लेना — वहाँ \int P_1\,dy है।(1) \frac{dy}{dx} ka coefficient 1 kiye bina P nikaalna (Example 15: pehle x se divide kijiye). (2) P ka sign kho dena: \frac{dy}{dx} - y = \cos x mein P = -1, isliye I.F. = e^{-x}, e^{x} nahi. (3) y = \frac{x^2}{4} + Cx^{-2} ki jagah y = \frac{x^2}{4} + C likhna — I.F. se divide karte waqt C ko bhi divide kijiye. (4) \frac{dx}{dy} wali equation mein x ke respect mein \int P\,dx lena — wahan \int P_1\,dy hai.
🏆 Topper box🏆 टॉपर बॉक्स🏆 Topper boxTopper shortcutRemember e^{\log f(x)} = f(x): I.F. for P = \frac{1}{x} is x, for P = \frac{2}{x} is x^2, for P = -\frac{1}{y} is \frac{1}{y}, for P = \cot x is \sin x, for P = \tan x is \sec x. Check your I.F. quickly: \frac{d}{dx}(\text{I.F.}) must equal P \times \text{I.F.}टॉपर शॉर्टकटयाद रखिए e^{\log f(x)} = f(x): P = \frac{1}{x} के लिए I.F. x, P = \frac{2}{x} के लिए x^2, P = -\frac{1}{y} के लिए \frac{1}{y}, P = \cot x के लिए \sin x, P = \tan x के लिए \sec x। I.F. की तुरंत जाँच: \frac{d}{dx}(\text{I.F.}), P \times \text{I.F.} के बराबर होना चाहिए।Topper shortcutYaad rakhiye e^{\log f(x)} = f(x): P = \frac{1}{x} ke liye I.F. x, P = \frac{2}{x} ke liye x^2, P = -\frac{1}{y} ke liye \frac{1}{y}, P = \cot x ke liye \sin x, P = \tan x ke liye \sec x. I.F. ka quick check: \frac{d}{dx}(\text{I.F.}), P \times \text{I.F.} ke barabar hona chahiye.
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(Exercise 9.5, Q1) General solution of \dfrac{dy}{dx} + 2y = \sin x(प्रश्नावली 9.5, प्र. 1) \dfrac{dy}{dx} + 2y = \sin x का व्यापक हल(Exercise 9.5, Q1) \dfrac{dy}{dx} + 2y = \sin x ka general solution

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y = \dfrac{1}{5}(2\sin x - \cos x) + Ce^{-2x}y = \dfrac{1}{5}(2\sin x - \cos x) + Ce^{-2x}y = \dfrac{1}{5}(2\sin x - \cos x) + Ce^{-2x}

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(Exercise 9.5, Q2) General solution of \dfrac{dy}{dx} + 3y = e^{-2x}(प्रश्नावली 9.5, प्र. 2) \dfrac{dy}{dx} + 3y = e^{-2x} का व्यापक हल(Exercise 9.5, Q2) \dfrac{dy}{dx} + 3y = e^{-2x} ka general solution

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y = e^{-2x} + Ce^{-3x}y = e^{-2x} + Ce^{-3x}y = e^{-2x} + Ce^{-3x}

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(Exercise 9.5, Q3) General solution of \dfrac{dy}{dx} + \dfrac{y}{x} = x^2(प्रश्नावली 9.5, प्र. 3) \dfrac{dy}{dx} + \dfrac{y}{x} = x^2 का व्यापक हल(Exercise 9.5, Q3) \dfrac{dy}{dx} + \dfrac{y}{x} = x^2 ka general solution

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xy = \dfrac{x^4}{4} + Cxy = \dfrac{x^4}{4} + Cxy = \dfrac{x^4}{4} + C

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(Exercise 9.5, Q11) General solution of y\,dx + (x - y^2)\,dy = 0(प्रश्नावली 9.5, प्र. 11) y\,dx + (x - y^2)\,dy = 0 का व्यापक हल(Exercise 9.5, Q11) y\,dx + (x - y^2)\,dy = 0 ka general solution

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x = \dfrac{y^2}{3} + \dfrac{C}{y}x = \dfrac{y^2}{3} + \dfrac{C}{y}x = \dfrac{y^2}{3} + \dfrac{C}{y}

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(Exercise 9.5, Q13) Particular solution of \dfrac{dy}{dx} + 2y\tan x = \sin x; y = 0 when x = \dfrac{\pi}{3}(प्रश्नावली 9.5, प्र. 13) \dfrac{dy}{dx} + 2y\tan x = \sin x का विशिष्ट हल; x = \dfrac{\pi}{3} पर y = 0(Exercise 9.5, Q13) \dfrac{dy}{dx} + 2y\tan x = \sin x ka particular solution; x = \dfrac{\pi}{3} par y = 0

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y = \cos x - 2\cos^2 xy = \cos x - 2\cos^2 xy = \cos x - 2\cos^2 x

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(Exercise 9.5, Q16) Curve through the origin whose tangent slope at (x, y) equals the sum of the coordinates(प्रश्नावली 9.5, प्र. 16) मूलबिंदु से जाने वाला वक्र जिसकी (x, y) पर स्पर्श रेखा की प्रवणता निर्देशांकों के योग के बराबर है(Exercise 9.5, Q16) Origin se jaane wala curve jiski (x, y) par tangent ki slope coordinates ke sum ke barabar hai

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x + y + 1 = e^xx + y + 1 = e^xx + y + 1 = e^x

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(Exercise 9.5, Q18) The integrating factor of x\dfrac{dy}{dx} - y = 2x^2 is (A) e^{-x} (B) e^{-y} (C) \dfrac{1}{x} (D) x(प्रश्नावली 9.5, प्र. 18) x\dfrac{dy}{dx} - y = 2x^2 का समाकलन गुणक है (A) e^{-x} (B) e^{-y} (C) \dfrac{1}{x} (D) x(Exercise 9.5, Q18) x\dfrac{dy}{dx} - y = 2x^2 ka integrating factor hai (A) e^{-x} (B) e^{-y} (C) \dfrac{1}{x} (D) x

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(C) \dfrac{1}{x}(C) \dfrac{1}{x}(C) \dfrac{1}{x}

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(Exercise 9.5, Q19) The integrating factor of (1 - y^2)\dfrac{dx}{dy} + yx = ay (-1 < y < 1) is (A) \dfrac{1}{y^2 - 1} (B) \dfrac{1}{\sqrt{y^2 - 1}} (C) \dfrac{1}{1 - y^2} (D) \dfrac{1}{\sqrt{1 - y^2}}(प्रश्नावली 9.5, प्र. 19) (1 - y^2)\dfrac{dx}{dy} + yx = ay (-1 < y < 1) का समाकलन गुणक है (A) \dfrac{1}{y^2 - 1} (B) \dfrac{1}{\sqrt{y^2 - 1}} (C) \dfrac{1}{1 - y^2} (D) \dfrac{1}{\sqrt{1 - y^2}}(Exercise 9.5, Q19) (1 - y^2)\dfrac{dx}{dy} + yx = ay (-1 < y < 1) ka integrating factor hai (A) \dfrac{1}{y^2 - 1} (B) \dfrac{1}{\sqrt{y^2 - 1}} (C) \dfrac{1}{1 - y^2} (D) \dfrac{1}{\sqrt{1 - y^2}}

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(D) \dfrac{1}{\sqrt{1 - y^2}}(D) \dfrac{1}{\sqrt{1 - y^2}}(D) \dfrac{1}{\sqrt{1 - y^2}}

Miscellaneous Examplesविविध उदाहरणMiscellaneous Examples

Example 19Verify that the function y = c_1 e^{ax}\cos bx + c_2 e^{ax}\sin bx, where c_1, c_2 are arbitrary constants, is a solution of the differential equation \dfrac{d^2y}{dx^2} - 2a\dfrac{dy}{dx} + (a^2 + b^2)\,y = 0.उदाहरण 19सत्यापित कीजिए कि फलन y = c_1 e^{ax}\cos bx + c_2 e^{ax}\sin bx, जहाँ c_1, c_2 स्वेच्छ अचर हैं, अवकल समीकरण \dfrac{d^2y}{dx^2} - 2a\dfrac{dy}{dx} + (a^2 + b^2)\,y = 0 का हल है।Example 19Verify kijiye ki function y = c_1 e^{ax}\cos bx + c_2 e^{ax}\sin bx, jahan c_1, c_2 arbitrary constants hain, differential equation \dfrac{d^2y}{dx^2} - 2a\dfrac{dy}{dx} + (a^2 + b^2)\,y = 0 ka solution hai.
Solution — step by step (6)हल — चरण दर चरण (6)Hal — step by step (6)
  1. Take e^{ax} common.e^{ax} उभयनिष्ठ लीजिए।e^{ax} common lijiye.
    y = e^{ax}\left[c_1\cos bx + c_2\sin bx\right] … (1)
  2. Product rule: e^{ax}[-bc_1\sin bx + bc_2\cos bx] + a e^{ax}[c_1\cos bx + c_2\sin bx], then collect cos and sin.गुणनफल नियम: e^{ax}[-bc_1\sin bx + bc_2\cos bx] + a e^{ax}[c_1\cos bx + c_2\sin bx], फिर cos और sin के पद एकत्र कीजिए।Product rule: e^{ax}[-bc_1\sin bx + bc_2\cos bx] + a e^{ax}[c_1\cos bx + c_2\sin bx], phir cos aur sin ke terms ikattha kijiye.
    \dfrac{dy}{dx} = e^{ax}\left[(bc_2 + ac_1)\cos bx + (ac_2 - bc_1)\sin bx\right] … (2)
  3. Differentiate (2) the same way and collect terms.(2) का इसी तरह अवकलन करके पद एकत्र कीजिए।(2) ko isi tarah differentiate karke terms ikattha kijiye.
    \dfrac{d^2y}{dx^2} = e^{ax}\left[(a^2c_2 - 2abc_1 - b^2c_2)\sin bx + (a^2c_1 + 2abc_2 - b^2c_1)\cos bx\right]
  4. Coefficient of \sin bx in L.H.S. after substituting.रखने के बाद बाएँ पक्ष में \sin bx का गुणांक।Rakhne ke baad L.H.S. mein \sin bx ka coefficient.
    \sin bx:\ (a^2c_2 - 2abc_1 - b^2c_2) - 2a(ac_2 - bc_1) + (a^2 + b^2)c_2 = 0
  5. Coefficient of \cos bx; everything cancels.\cos bx का गुणांक; सब कट जाता है।\cos bx ka coefficient; sab cancel ho jaata hai.
    \cos bx:\ (a^2c_1 + 2abc_2 - b^2c_1) - 2a(bc_2 + ac_1) + (a^2 + b^2)c_1 = 0
  6. Hence verified.अतः सत्यापित।Isliye verify ho gaya.
    \text{L.H.S.} = e^{ax}\left[0\cdot\sin bx + 0\cdot\cos bx\right] = 0 = \text{R.H.S.}

✔ The given function is a solution of the given differential equation.दिया गया फलन दिए गए अवकल समीकरण का हल है।Diya gaya function diye gaye differential equation ka solution hai.

Example 20Find the particular solution of the differential equation \log\left(\dfrac{dy}{dx}\right) = 3x + 4y given that y = 0 when x = 0.उदाहरण 20अवकल समीकरण \log\left(\dfrac{dy}{dx}\right) = 3x + 4y का विशिष्ट हल ज्ञात कीजिए, दिया है कि x = 0 होने पर y = 0।Example 20Differential equation \log\left(\dfrac{dy}{dx}\right) = 3x + 4y ka particular solution nikaaliye, diya hai ki x = 0 par y = 0.
Solution — step by step (4)हल — चरण दर चरण (4)Hal — step by step (4)
  1. Take the antilog (exponential) of both sides.दोनों पक्षों का प्रतिलघुगणक (घातांक) लीजिए।Dono sides ka antilog (exponential) lijiye.
    \dfrac{dy}{dx} = e^{3x + 4y} = e^{3x}\cdot e^{4y} … (1)
  2. Separate the variables.चर अलग कीजिए।Variables alag kijiye.
    \dfrac{dy}{e^{4y}} = e^{3x}\,dx \;\Rightarrow\; \displaystyle\int e^{-4y}\,dy = \int e^{3x}\,dx
  3. Integrate and multiply by −12.समाकलन करके −12 से गुणा कीजिए।Integrate karke −12 se multiply kijiye.
    \dfrac{e^{-4y}}{-4} = \dfrac{e^{3x}}{3} + C \;\Rightarrow\; 4e^{3x} + 3e^{-4y} + 12C = 0 … (2)
  4. Put x = 0, y = 0 in (2).(2) में x = 0, y = 0 रखिए।(2) mein x = 0, y = 0 rakhiye.
    4 + 3 + 12C = 0 \Rightarrow C = -\dfrac{7}{12}

✔ 4e^{3x} + 3e^{-4y} - 7 = 04e^{3x} + 3e^{-4y} - 7 = 04e^{3x} + 3e^{-4y} - 7 = 0

Example 21Solve the differential equation (x\,dy - y\,dx)\,y\sin\left(\dfrac{y}{x}\right) = (y\,dx + x\,dy)\,x\cos\left(\dfrac{y}{x}\right).उदाहरण 21अवकल समीकरण (x\,dy - y\,dx)\,y\sin\left(\dfrac{y}{x}\right) = (y\,dx + x\,dy)\,x\cos\left(\dfrac{y}{x}\right) को हल कीजिए।Example 21Differential equation (x\,dy - y\,dx)\,y\sin\left(\dfrac{y}{x}\right) = (y\,dx + x\,dy)\,x\cos\left(\dfrac{y}{x}\right) solve kijiye.
Solution — step by step (6)हल — चरण दर चरण (6)Hal — step by step (6)
  1. Collect the dy terms on the left and the dx terms on the right.dy वाले पद बाईं ओर और dx वाले पद दाईं ओर एकत्र कीजिए।dy wale terms left mein aur dx wale terms right mein ikattha kijiye.
    \left[xy\sin\left(\tfrac{y}{x}\right) - x^2\cos\left(\tfrac{y}{x}\right)\right]dy = \left[xy\cos\left(\tfrac{y}{x}\right) + y^2\sin\left(\tfrac{y}{x}\right)\right]dx
  2. Divide numerator and denominator by x^2: a function of \frac{y}{x}, so homogeneous.अंश-हर को x^2 से भाग दीजिए: \frac{y}{x} का फलन, अतः समघातीय।Numerator-denominator ko x^2 se divide kijiye: \frac{y}{x} ka function, isliye homogeneous.
    \dfrac{dy}{dx} = \dfrac{\frac{y}{x}\cos\left(\frac{y}{x}\right) + \frac{y^2}{x^2}\sin\left(\frac{y}{x}\right)}{\frac{y}{x}\sin\left(\frac{y}{x}\right) - \cos\left(\frac{y}{x}\right)} … (1)
  3. Put y = vx and subtract v.y = vx रखिए और v घटाइए।y = vx rakhiye aur v ghataiye.
    v + x\dfrac{dv}{dx} = \dfrac{v\cos v + v^2\sin v}{v\sin v - \cos v} \;\Rightarrow\; x\dfrac{dv}{dx} = \dfrac{2v\cos v}{v\sin v - \cos v}
  4. Separate; split the fraction: \frac{v\sin v}{v\cos v} - \frac{\cos v}{v\cos v} = \tan v - \frac1v.चर अलग कीजिए; भिन्न को तोड़िए: \frac{v\sin v}{v\cos v} - \frac{\cos v}{v\cos v} = \tan v - \frac1v।Variables alag kijiye; fraction todiye: \frac{v\sin v}{v\cos v} - \frac{\cos v}{v\cos v} = \tan v - \frac1v.
    \left(\dfrac{v\sin v - \cos v}{v\cos v}\right)dv = \dfrac{2\,dx}{x} \;\Rightarrow\; \displaystyle\int \tan v\,dv - \int \dfrac{1}{v}\,dv = 2\int \dfrac{1}{x}\,dx
  5. \int \tan v\,dv = \log|\sec v|; combine the logs.\int \tan v\,dv = \log|\sec v|; log मिलाइए।\int \tan v\,dv = \log|\sec v|; logs jodiye.
    \log|\sec v| - \log|v| = 2\log|x| + \log|C_1| \;\Rightarrow\; \dfrac{\sec v}{v x^2} = \pm C_1 … (3)
  6. Replace v by \frac{y}{x}; C = \pm C_1.v के स्थान पर \frac{y}{x}; C = \pm C_1।v ki jagah \frac{y}{x}; C = \pm C_1.
    \dfrac{\sec\left(\frac{y}{x}\right)}{\left(\frac{y}{x}\right)x^2} = C \;\Rightarrow\; \sec\left(\dfrac{y}{x}\right) = Cxy

✔ \sec\left(\dfrac{y}{x}\right) = Cxy\sec\left(\dfrac{y}{x}\right) = Cxy\sec\left(\dfrac{y}{x}\right) = Cxy

Example 22Solve the differential equation (\tan^{-1}y - x)\,dy = (1 + y^2)\,dx.उदाहरण 22अवकल समीकरण (\tan^{-1}y - x)\,dy = (1 + y^2)\,dx को हल कीजिए।Example 22Differential equation (\tan^{-1}y - x)\,dy = (1 + y^2)\,dx solve kijiye.
Solution — step by step (5)हल — चरण दर चरण (5)Hal — step by step (5)
  1. Divide by (1 + y^2)\,dy: linear in x.(1 + y^2)\,dy से भाग दीजिए: x में रैखिक।(1 + y^2)\,dy se divide kijiye: x mein linear.
    \dfrac{dx}{dy} + \dfrac{x}{1 + y^2} = \dfrac{\tan^{-1}y}{1 + y^2} … (1)
  2. Form \frac{dx}{dy} + P_1 x = Q_1.रूप \frac{dx}{dy} + P_1 x = Q_1।Form \frac{dx}{dy} + P_1 x = Q_1.
    P_1 = \dfrac{1}{1 + y^2},\quad Q_1 = \dfrac{\tan^{-1}y}{1 + y^2},\quad \text{I.F.} = e^{\int \frac{dy}{1 + y^2}} = e^{\tan^{-1}y}
  3. x\,(\text{I.F.}) = \int Q_1\,(\text{I.F.})\,dy + C.x\,(\text{I.F.}) = \int Q_1\,(\text{I.F.})\,dy + C।x\,(\text{I.F.}) = \int Q_1\,(\text{I.F.})\,dy + C.
    x\,e^{\tan^{-1}y} = \displaystyle\int \left(\dfrac{\tan^{-1}y}{1 + y^2}\right)e^{\tan^{-1}y}\,dy + C … (2)
  4. Substitute, then integrate by parts.प्रतिस्थापन, फिर खंडशः समाकलन।Substitution, phir by parts.
    \tan^{-1}y = t,\ \dfrac{dy}{1 + y^2} = dt:\quad I = \displaystyle\int t\,e^t\,dt = t\,e^t - e^t = e^t(t - 1)
  5. Put I = e^{\tan^{-1}y}(\tan^{-1}y - 1) in (2).(2) में I = e^{\tan^{-1}y}(\tan^{-1}y - 1) रखिए।(2) mein I = e^{\tan^{-1}y}(\tan^{-1}y - 1) rakhiye.
    x\,e^{\tan^{-1}y} = e^{\tan^{-1}y}\left(\tan^{-1}y - 1\right) + C

✔ x = (\tan^{-1}y - 1) + C\,e^{-\tan^{-1}y}x = (\tan^{-1}y - 1) + C\,e^{-\tan^{-1}y}x = (\tan^{-1}y - 1) + C\,e^{-\tan^{-1}y}

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(Miscellaneous Exercise, Q1 (ii)) Order and degree of \left(\dfrac{dy}{dx}\right)^3 - 4\left(\dfrac{dy}{dx}\right)^2 + 7y = \sin x(विविध प्रश्नावली, प्र. 1 (ii)) \left(\dfrac{dy}{dx}\right)^3 - 4\left(\dfrac{dy}{dx}\right)^2 + 7y = \sin x की कोटि और घात(Miscellaneous Exercise, Q1 (ii)) \left(\dfrac{dy}{dx}\right)^3 - 4\left(\dfrac{dy}{dx}\right)^2 + 7y = \sin x ka order aur degree

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Order 1; degree 3.कोटि 1; घात 3।Order 1; degree 3.

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(Miscellaneous Exercise, Q4) General solution of \dfrac{dy}{dx} + \sqrt{\dfrac{1 - y^2}{1 - x^2}} = 0(विविध प्रश्नावली, प्र. 4) \dfrac{dy}{dx} + \sqrt{\dfrac{1 - y^2}{1 - x^2}} = 0 का व्यापक हल(Miscellaneous Exercise, Q4) \dfrac{dy}{dx} + \sqrt{\dfrac{1 - y^2}{1 - x^2}} = 0 ka general solution

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\sin^{-1}y + \sin^{-1}x = C\sin^{-1}y + \sin^{-1}x = C\sin^{-1}y + \sin^{-1}x = C

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(Miscellaneous Exercise, Q6) Curve through \left(0, \dfrac{\pi}{4}\right) with \sin x\cos y\,dx + \cos x\sin y\,dy = 0(विविध प्रश्नावली, प्र. 6) \left(0, \dfrac{\pi}{4}\right) से जाने वाला वक्र, \sin x\cos y\,dx + \cos x\sin y\,dy = 0(Miscellaneous Exercise, Q6) \left(0, \dfrac{\pi}{4}\right) se jaane wala curve, \sin x\cos y\,dx + \cos x\sin y\,dy = 0

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\cos y = \dfrac{\sec x}{\sqrt2}\cos y = \dfrac{\sec x}{\sqrt2}\cos y = \dfrac{\sec x}{\sqrt2}

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(Miscellaneous Exercise, Q11) Particular solution of \dfrac{dy}{dx} + y\cot x = 4x\operatorname{cosec} x (x \ne 0); y = 0 when x = \dfrac{\pi}{2}(विविध प्रश्नावली, प्र. 11) \dfrac{dy}{dx} + y\cot x = 4x\operatorname{cosec} x (x \ne 0) का विशिष्ट हल; x = \dfrac{\pi}{2} पर y = 0(Miscellaneous Exercise, Q11) \dfrac{dy}{dx} + y\cot x = 4x\operatorname{cosec} x (x \ne 0) ka particular solution; x = \dfrac{\pi}{2} par y = 0

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y\sin x = 2x^2 - \dfrac{\pi^2}{2} (\sin x \ne 0)y\sin x = 2x^2 - \dfrac{\pi^2}{2} (\sin x \ne 0)y\sin x = 2x^2 - \dfrac{\pi^2}{2} (\sin x \ne 0)

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(Miscellaneous Exercise, Q13) The general solution of \dfrac{y\,dx - x\,dy}{y} = 0 is (A) xy = C (B) x = Cy^2 (C) y = Cx (D) y = Cx^2(विविध प्रश्नावली, प्र. 13) \dfrac{y\,dx - x\,dy}{y} = 0 का व्यापक हल है (A) xy = C (B) x = Cy^2 (C) y = Cx (D) y = Cx^2(Miscellaneous Exercise, Q13) \dfrac{y\,dx - x\,dy}{y} = 0 ka general solution hai (A) xy = C (B) x = Cy^2 (C) y = Cx (D) y = Cx^2

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(C) y = Cx(C) y = Cx(C) y = Cx

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(Miscellaneous Exercise, Q15) The general solution of e^x\,dy + (y\,e^x + 2x)\,dx = 0 is (A) x\,e^y + x^2 = C (B) x\,e^y + y^2 = C (C) y\,e^x + x^2 = C (D) y\,e^y + x^2 = C(विविध प्रश्नावली, प्र. 15) e^x\,dy + (y\,e^x + 2x)\,dx = 0 का व्यापक हल है (A) x\,e^y + x^2 = C (B) x\,e^y + y^2 = C (C) y\,e^x + x^2 = C (D) y\,e^y + x^2 = C(Miscellaneous Exercise, Q15) e^x\,dy + (y\,e^x + 2x)\,dx = 0 ka general solution hai (A) x\,e^y + x^2 = C (B) x\,e^y + y^2 = C (C) y\,e^x + x^2 = C (D) y\,e^y + x^2 = C

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(C) y\,e^x + x^2 = C(C) y\,e^x + x^2 = C(C) y\,e^x + x^2 = C

Formula sheetसूत्र-पत्रFormula sheet

\text{Order} = \text{order of the highest derivative}
OrderकोटिOrder
\text{Degree} = \text{power of the highest derivative (only if polynomial in derivatives)}
DegreeघातDegree
\text{general solution of an } n\text{th order equation: } n \text{ arbitrary constants}
General vs particular solutionव्यापक बनाम विशिष्ट हलGeneral vs particular solution
\frac{dy}{dx} = g(x)\,h(y) \;\Rightarrow\; \int \frac{dy}{h(y)} = \int g(x)\,dx + C
Variables separableपृथक्करणीय चरVariables separable
F(\lambda x, \lambda y) = \lambda^n F(x, y)
Homogeneous function of degree nn घात का समघातीय फलनDegree n ka homogeneous function
\frac{dy}{dx} = g\!\left(\frac{y}{x}\right):\ y = vx,\ \ \frac{dy}{dx} = v + x\frac{dv}{dx}
Homogeneous equation (for dx/dy = h(x/y) use x = vy)समघातीय समीकरण (dx/dy = h(x/y) के लिए x = vy)Homogeneous equation (dx/dy = h(x/y) ke liye x = vy)
\frac{dy}{dx} + Py = Q:\quad \text{I.F.} = e^{\int P\,dx},\quad y\,(\text{I.F.}) = \int Q\,(\text{I.F.})\,dx + C
Linear in y (P, Q functions of x)y में रैखिक (P, Q, x के फलन)y mein linear (P, Q, x ke functions)
\frac{dx}{dy} + P_1x = Q_1:\quad \text{I.F.} = e^{\int P_1\,dy},\quad x\,(\text{I.F.}) = \int Q_1\,(\text{I.F.})\,dy + C
Linear in x (P₁, Q₁ functions of y)x में रैखिक (P₁, Q₁, y के फलन)x mein linear (P₁, Q₁, y ke functions)
e^{\log f(x)} = f(x)
Simplifying the I.F.I.F. को सरल करनाI.F. simplify karna
\frac{dP}{dt} = kP \;\Rightarrow\; P = P_0\,e^{kt}
Continuous growth (Example 9: k = 5/100)सतत वृद्धि (उदाहरण 9: k = 5/100)Continuous growth (Example 9: k = 5/100)

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Summary (NCERT). An equation involving derivatives of the dependent variable with respect to independent variable(s) is a differential equation. Order = order of the highest order derivative. Degree is defined only if it is a polynomial equation in its derivatives, and then it is the highest power (positive integer only) of the highest order derivative.सारांश (NCERT)। स्वतंत्र चर (चरों) के सापेक्ष आश्रित चर के अवकलजों वाला समीकरण अवकल समीकरण है। कोटि = उच्चतम कोटि अवकलज की कोटि। घात तभी परिभाषित है जब समीकरण अपने अवकलजों में बहुपद हो, और तब यह उच्चतम कोटि अवकलज की उच्चतम घात (केवल धनात्मक पूर्णांक) होती है।Summary (NCERT). Independent variable(s) ke respect mein dependent variable ke derivatives wali equation differential equation hai. Order = sabse oonche order ke derivative ka order. Degree tabhi defined hai jab equation apne derivatives mein polynomial ho, aur tab ye sabse oonche derivative ki sabse badi power (sirf positive integer) hoti hai.
A function that satisfies the equation is a solution. The solution with as many arbitrary constants as the order is the general solution; the solution free from arbitrary constants is a particular solution.जो फलन समीकरण को संतुष्ट करे, वह उसका हल है। कोटि के बराबर स्वेच्छ अचरों वाला हल व्यापक हल है; स्वेच्छ अचरों से मुक्त हल विशिष्ट हल है।Jo function equation ko satisfy kare, wo uska solution hai. Order jitne arbitrary constants wala solution general solution hai; arbitrary constants se free solution particular solution hai.
Variables separable: terms with y go with dy, terms with x go with dx, then integrate. Homogeneous: \frac{dy}{dx} = f(x, y) or \frac{dx}{dy} = g(x, y) with f, g homogeneous of degree zero; put y = vx (or x = vy). Linear: \frac{dy}{dx} + Py = Q, P and Q constants or functions of x only; I.F. = e^{\int P\,dx}.पृथक्करणीय चर: y वाले पद dy के साथ, x वाले पद dx के साथ, फिर समाकलन। समघातीय: \frac{dy}{dx} = f(x, y) या \frac{dx}{dy} = g(x, y), जहाँ f, g शून्य घात के समघातीय फलन; y = vx (या x = vy) रखिए। रैखिक: \frac{dy}{dx} + Py = Q, P और Q अचर या केवल x के फलन; I.F. = e^{\int P\,dx}।Variables separable: y wale terms dy ke saath, x wale dx ke saath, phir integrate. Homogeneous: \frac{dy}{dx} = f(x, y) ya \frac{dx}{dy} = g(x, y), jahan f, g degree zero ke homogeneous functions; y = vx (ya x = vy) rakhiye. Linear: \frac{dy}{dx} + Py = Q, P aur Q constants ya sirf x ke functions; I.F. = e^{\int P\,dx}.
Fun fact (NCERT Historical Note): the birth of differential equations is dated November 11, 1675, when Leibnitz first wrote \int y\,dy = \frac{1}{2}y^2. He went on to find the methods of separation of variables, homogeneous equations and first order linear equations — the three methods of this chapter.रोचक तथ्य (NCERT ऐतिहासिक पृष्ठभूमि): अवकल समीकरणों का जन्म 11 नवंबर 1675 माना जाता है, जब लाइबनिज़ ने पहली बार \int y\,dy = \frac{1}{2}y^2 लिखा। आगे उन्होंने चरों के पृथक्करण, समघातीय समीकरणों और प्रथम कोटि रैखिक समीकरणों की विधियाँ खोजीं — इसी अध्याय की तीनों विधियाँ।Fun fact (NCERT Historical Note): differential equations ka janm 11 November 1675 maana jaata hai, jab Leibnitz ne pehli baar \int y\,dy = \frac{1}{2}y^2 likha. Aage unhone separation of variables, homogeneous equations aur first order linear equations ke methods dhoondhe — isi chapter ke teeno methods.

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