FSc Part 1 Mathematics Chapter 13 Complete Guide Book — Differentiation

FSc Part 1 Mathematics Chapter 13 — Differentiation
Home > PunjabTest.com > FSc Part 1 > Mathematics — all chapters > Chapter 13: Differentiation

اس chapter میں topics (Topics in this chapter)

  1. 13.1 — Tangent: Secant se Tangent tak
  2. 13.2 — Derivative: Average Rate se Instantaneous Rate tak
  3. 13.3 — Definition se Derivative: Notations aur 4 Steps
  4. 13.4 — Power Rule: d(xⁿ)/dx = n xⁿ⁻¹
  5. 13.5 — Differentiability ⇒ Continuity (مگر الٹا نہیں)
  6. 13.6 — Theorems (1)–(4): Constant, Power, Multiple, Sum
  7. 13.6 (5) — Product Rule: Pehla × Doosre ka + Doosra × Pehle ka
  8. 13.6 (6) — Quotient Rule: (Neeche × Oopar ka − Oopar × Neeche ka) / Neeche²
  9. 13.7 — Applications: Marginal, Velocity, Growth, Pressure
  10. 📝 Official Exercise Questions — with Answers
  11. 📌 Chapter Summary & Guidance
13.1 — Tangent: Secant se Tangent tak۱۳.۱ — مماس: قاطع سے مماس تک
🏷 Tags: tangent, secant, gradient, limit, curve, point of contact
ENGLISH

How do you find the gradient of a curve at a single point, when gradient seems to need two points? The book's answer is a limit in disguise. Take two points on the curve, P = (x, f(x)) and Q = (x + δx, f(x + δx)). The line PQ is a secant, and its slope is m_sec = [f(x + δx) − f(x)]/δx — just rise over run. Now let Q slide along the curve towards P, so δx → 0. The secant line settles onto the tangent at P, and its slope settles onto the tangent's gradient: m_tan = lim(δx→0) [f(x + δx) − f(x)]/δx. The whole chapter is this one limit, unpacked.

Example 1. For f(x) = x² − 2 at the point (−1, −1): the difference quotient is [(−1 + δx)² − 2 − (−1)]/δx = (−2δx + (δx)²)/δx = −2 + δx, which tends to −2 as δx → 0. So the gradient is −2, and the tangent line is y − (−1) = −2(x − (−1)), i.e. y = −2x − 3. Check it passes through (−1, −1): −2(−1) − 3 = −1. ✓

اردو

کسی منحنی کا کسی ایک نقطے پر میلان کیسے معلوم ہو، جبکہ میلان کے لیے دو نقطے چاہییں؟ کتاب کا جواب ایک حد میں چھپا ہے۔ منحنی پر دو نقطے لیں: P = (x, f(x)) اور Q = (x + δx, f(x + δx))۔ انھیں ملانے والی لکیر قاطع (secant) ہے اور اس کا میلان m_sec = [f(x + δx) − f(x)]/δx ہے۔ اب Q کو منحنی پر P کی طرف کھسکائیں، یعنی δx → 0 — قاطع لکیر P پر مماس (tangent) بن جاتی ہے اور اس کا میلان مماس کا میلان بن جاتا ہے: m_tan = lim(δx→0) [f(x + δx) − f(x)]/δx۔ پورا باب اسی ایک حد کی تفصیل ہے۔

مثال ۱: f(x) = x² − 2 کے لیے نقطہ (−1, −1) پر فرق خارج −2 + δx بنتا ہے جو δx → 0 پر −2 کی طرف جاتا ہے، اس لیے میلان −2 اور مماس کی مساوات y = −2x − 3 ہے۔

P Q tangent (Q → P) secant PQ
Tangent samjho: Q کو P کی طرف کھسکاتے جاؤ — قطع (secant) گھومتی ہوئی mamas (tangent) بن جاتی ہے, اور اس کا میلان ہی mamas کا میلان ہے.
13.2 — Derivative: Average Rate se Instantaneous Rate tak۱۳.۲ — مشتق: اوسط شرح سے لمحاتی شرح تک
🏷 Tags: derivative, difference quotient, average rate, instantaneous rate, velocity, differentiability
ENGLISH

The same limit measures rates of change. The average rate of f over [x, x + δx] is [f(x + δx) − f(x)]/δx — the same quotient as the secant slope, read as “change in f per unit change in x”. The instantaneous rate is the limit of that quotient as δx → 0, and we call it the derivative: f′(x) = lim(δx→0) [f(x + δx) − f(x)]/δx. A function that has a derivative at x is differentiable at x. So “gradient of the tangent”, “instantaneous rate of change” and “derivative” are three names for one number.

13.2.1 Velocity. For motion s(t) = t² + t, the average velocities over shrinking intervals ending at t = 3 come out as 9, 8, 7.5, 7.1, 7.01, 7.001 — visibly homing in on 7. So the instantaneous velocity at t = 3 is 7 m/s, and in general v_inst = lim(δt→0) [s(t + δt) − s(t)]/δt = s′(t). Example 2: for s = 4t² + 2t + 1, the average velocity over [2, 5] is (s(5) − s(2))/3 = (111 − 21)/3 = 30 miles/h, while the instantaneous velocity at t = 3 is s′(3) = 8(3) + 2 = 26 miles/h. Average and instantaneous answer different questions — do not swap them.

اردو

یہی حد تبدیلی کی شرح بھی ناپتی ہے۔ [x, x + δx] پر f کی اوسط شرح [f(x + δx) − f(x)]/δx ہے — وہی خارج، “x کی فی اکائی تبدیلی پر f کی تبدیلی” کے طور پر پڑھا جائے۔ لمحاتی شرح اس خارج کی حد ہے جب δx → 0، اور اسے مشتق (derivative) کہتے ہیں: f′(x) = lim(δx→0) [f(x + δx) − f(x)]/δx۔ جس تفاعل کا x پر مشتق ہو وہ x پر تفریق پذیر (differentiable) ہے۔ تو “مماس کا میلان”، “لمحاتی شرح تبدیلی” اور “مشتق” ایک ہی عدد کے تین نام ہیں۔

۱۳.۲.۱ رفتار: حرکت s(t) = t² + t کے لیے t = 3 پر ختم ہونے والے سکڑتے وقفوں پر اوسط رفتاریں 9، 8، 7.5، 7.1، 7.01، 7.001 آتی ہیں — واضح طور پر 7 کی طرف جا رہی ہیں، اس لیے t = 3 پر لمحاتی رفتار 7 m/s ہے۔ مثال ۲: s = 4t² + 2t + 1 کے لیے [2, 5] پر اوسط رفتار 30 miles/h اور t = 3 پر لمحاتی رفتار 26 miles/h ہے — اوسط اور لمحاتی دو مختلف سوالوں کے جواب ہیں۔

Average velocities → 7 m/s 9, 8, 7.5, 7.1, 7.01, 7.001, … interval shrinks → average → instantaneous v(3) = 7 m/s The limit of the averages is the speedometer reading.
Velocity samjho: وقفہ جتنا چھوٹا, اوسط رفتار اتنی ہی speedometer کی reading کے قریب — حد پر وہی لمحاتی رفتار ہے.
13.3 — Definition se Derivative: Notations aur 4 Steps۱۳.۳ — تعریف سے مشتق: علامات اور ۴ مراحل
🏷 Tags: first principle, ab-initio, Leibniz, Newton, Lagrange, derivative at a point
ENGLISH

Finding a derivative straight from the limit definition is called differentiation ab-initio or from first principles, and the book's four steps are worth memorising: (1) write f(x + δx); (2) form the difference f(x + δx) − f(x); (3) divide by δx and simplify — this is where a factor δx must appear and cancel; (4) let δx → 0. If step (3) leaves no δx to cancel, you have made an algebra slip; go back, do not force the limit.

Notations (13.3.1 — ⚠️ the book prints this as “12.3.1”, a numbering slip; read it as 13.3.1): Leibniz dy/dx, Newton ḟ or ẏ, Lagrange f′(x), Euler Df(x). 📌 Book note: dy/dx is a single symbol for the derivative, not a quotient of dy by dx — even though the definition looks like one. The derivative at a point a can also be written f′(a) = lim(x→a) [f(x) − f(a)]/(x − a), which is the same limit with the roles of the two points swapped.

Example 3: (a) a constant c gives [c − c]/δx = 0, so d(c)/dx = 0 — flat lines have zero slope. (b) f(x) = x² gives [(x + δx)² − x²]/δx = 2x + δx → 2x. Example 4: f(x) = √x gives, after rationalising, 1/(√(x + δx) + √x) → 1/(2√x); and f′(a) = 1/(2√a) by both methods. Example 5: y = 1/x² at x = −1: dy/dx = −2/x³, so at −1 the gradient is 2.

اردو

حد کی تعریف سے براہ راست مشتق نکالنا ab-initio یا اولیں اصولوں سے تفریق کہلاتا ہے، اور کتاب کے چار مراحل یاد رکھنے کے قابل ہیں: (1) f(x + δx) لکھیں، (2) فرق f(x + δx) − f(x) بنائیں، (3) δx سے تقسیم کر کے سادہ کریں — یہاں δx کا ایک عامل ضرور ظاہر ہو کر کٹنا چاہیے، (4) δx → 0 لے جائیں۔ اگر مرحلہ (3) میں کاٹنے کے لیے δx نہ بچے تو الجبرا میں غلطی ہوئی ہے، واپس جائیں۔

علامات (⚠️ کتاب میں یہ “12.3.1” چھپا ہے جو نمبر کی غلطی ہے، اسے 13.3.1 پڑھیں): لائبنز dy/dx، نیوٹن ḟ یا ẏ، لاگرانج f′(x)، آئلر Df(x)۔ 📌 کتاب کا نوٹ: dy/dx مشتق کی ایک ہی علامت ہے، dy کی dx پر تقسیم نہیں — اگرچہ تعریف ایسی ہی لگتی ہے۔ نقطہ a پر مشتق f′(a) = lim(x→a) [f(x) − f(a)]/(x − a) بھی لکھا جا سکتا ہے۔

مثال ۳: (a) مستقل c کا مشتق 0 ہے، (b) x² کا مشتق 2x ہے۔ مثال ۴: √x کا مشتق 1/(2√x) ہے۔ مثال ۵: y = 1/x² کے لیے dy/dx = −2/x³، اس لیے x = −1 پر میلان 2 ہے۔

First principles: 4 steps 1. f(x + δx)    2. subtract f(x) 3. divide by δx, cancel δx 4. let δx → 0 No δx to cancel in step 3? Check your algebra.
First principles samjho: چار مرحلے — لکھو, تفریق کرو, δx سے تقسیم کر کے کاٹو, پھر δx کو صفر کی طرف bhejo.
13.4 — Power Rule: d(xⁿ)/dx = n xⁿ⁻¹۱۳.۴ — قوت کا قاعدہ: d(xⁿ)/dx = n xⁿ⁻¹
🏷 Tags: power rule, binomial theorem, negative powers, rational powers
ENGLISH

The most-used rule in calculus says: bring the power down in front and reduce it by one — d(xⁿ)/dx = n xⁿ⁻¹. For positive integer n the book proves it from the binomial expansion of (x + δx)ⁿ: every term except the first two carries (δx)² or higher, so after dividing by δx and letting δx → 0 only n xⁿ⁻¹ survives. For negative n, write n = −m and the same machinery gives −m x^(−m−1), which is the same formula. 📌 Book note: the rule also holds for real n — for example d(x^(2/3))/dx = (2/3)x^(−1/3) — though the proof for rational powers is left as an exercise.

Why students love this rule: it turns differentiation into pattern-matching. x⁷ → 7x⁶; 1/x = x⁻¹ → −x⁻²; √x = x^(1/2) → (1/2)x^(−1/2). The only traps are forgetting to reduce the power (writing 7x⁷) and mishandling constants (the derivative of 3x⁴ is 12x³, not 3 × 4x⁴). Say the rule in words every time until it is automatic: “power down front, power minus one.”

اردو

حساب میں سب سے زیادہ استعمال ہونے والا قاعدہ کہتا ہے: قوت کو سامنے لے آئیں اور ایک کم کر دیں — d(xⁿ)/dx = n xⁿ⁻¹۔ مثبت صحیح عدد n کے لیے کتاب اسے (x + δx)ⁿ کی دو رقمی توسیع سے ثابت کرتی ہے: پہلی دو رقمیں چھوڑ کر ہر رقم میں (δx)² یا اس سے زیادہ ہے، اس لیے δx سے تقسیم کر کے حد لینے پر صرف n xⁿ⁻¹ بچتا ہے۔ منفی n کے لیے n = −m لکھ کر وہی فارمولا آتا ہے۔ 📌 کتاب کا نوٹ: یہ قاعدہ حقیقی n کے لیے بھی درست ہے — مثلاً d(x^(2/3))/dx = (2/3)x^(−1/3) — اگرچہ ناطق قوتوں کا ثبوت مشق کے لیے چھوڑا گیا ہے۔

طلبہ کو یہ قاعدہ اس لیے پسند ہے کہ اس سے تفریق نمونہ ملانا بن جاتی ہے: x⁷ → 7x⁶، 1/x = x⁻¹ → −x⁻²، √x = x^(1/2) → (1/2)x^(−1/2)۔ صرف دو جال ہیں: قوت کم کرنا بھول جانا، اور مستقل عدد سے غلط سلوک (3x⁴ کا مشتق 12x³ ہے)۔ قاعدہ الفاظ میں ہر بار دہرائیں: “قوت سامنے، قوت منفی ایک”۔

d(xⁿ)/dx = n xⁿ⁻¹ x⁷ → 7x⁶   |   x⁻¹ → −x⁻² √x = x^(1/2) → (1/2)x^(−1/2) Power down front, power minus one.
Power rule samjho: قوت سامنے لاؤ, ایک کم کرو — بعث اتنا ہی ہے; x⁷ کا جواب 7x⁶ ہے, 7x⁷ نہیں.
۱۳.۵ — تفریق پذیری اور اتصال: ایک طرفہ تعلق
🏷 Tags: differentiability implies continuity, converse false, absolute value, corner, no tangent
ENGLISH

The theorem of this section has a one-way arrow, and the arrow's direction is the whole lesson: if f is differentiable at a, then f is continuous at a. The proof is short: f(x) − f(a) = [(f(x) − f(a))/(x − a)] × (x − a), and as x → a the bracket tends to f′(a) while (x − a) tends to 0, so f(x) → f(a). Differentiability is stronger than continuity — it demands a smooth tangent, not just an unbroken graph.

The converse is false, and the book's counterexample is |x| at 0. The function is continuous at 0 (its graph is unbroken), but the difference quotient from the right tends to 1 and from the left to −1, so the two-sided limit does not exist: f′(0) does not exist, and there is no single tangent line at the corner. A corner kills differentiability but not continuity. Whenever a graph has a sharp point, a jump, or a vertical tangent, expect the derivative to fail there even if the function itself survives.

اردو

اس حصے کے قضیے کا تیر ایک طرفہ ہے، اور تیر کی سمت ہی اصل سبق ہے: اگر f کسی a پر تفریق پذیر ہو تو وہ a پر متصل بھی ہو گی۔ ثبوت مختصر ہے: f(x) − f(a) = [(f(x) − f(a))/(x − a)] × (x − a)، اور x → a پر بریکٹ f′(a) کی طرف اور (x − a) صفر کی طرف جاتا ہے، اس لیے f(x) → f(a)۔ تفریق پذیری اتصال سے زیادہ مضبوط شرط ہے — اسے ہموار مماس چاہیے، صرف ٹوٹا ہوا نہ ہونا کافی نہیں۔

الٹا درست نہیں، اور کتاب کی مثال |x| ہے x = 0 پر۔ تفاعل 0 پر متصل ہے (گراف ٹوٹا ہوا نہیں)، مگر دائیں طرف سے فرق خارج 1 کی طرف اور بائیں طرف سے −1 کی طرف جاتا ہے، اس لیے دو طرفہ حد موجود نہیں: f′(0) موجود نہیں، اور کونے پر کوئی واحد مماس نہیں۔ کونا تفریق پذیری کو مار دیتا ہے، اتصال کو نہیں۔ جہاں گراف میں نوک، چھلانگ یا عمودی مماس ہو، وہاں مشتق کے ناکام ہونے کی توقع رکھیں۔

corner at 0 left slope −1, right slope +1 → no single tangent → not differentiable
Corner samjho: |x| کا graph 0 پر ٹوٹا نہیں مگر kona ہے — بائیں ڈھلان −1, دائیں +1, اس لیے کوئی ایک mamas نہیں اور مشتاق نہیں.
13.6 — Theorems (1)–(4): Constant, Power, Multiple, Sum۱۳.۶ — قضیے (۱) تا (۴): مستقل، قوت، اضعاف، مجموعہ
🏷 Tags: derivative theorems, constant rule, constant multiple, sum rule, difference rule
ENGLISH

(1) d(c)/dx = 0 for any constant c — flat graphs, zero slope (already seen in Example 3). (2) The power rule for any real n: d(xⁿ)/dx = n xⁿ⁻¹. (3) d(cf)/dx = c f′(x): constants factor out of derivatives. The book proves it from the definition, and Example 6 applies it: d(3x^(4/3))/dx = 3 × (4/3)x^(1/3) = 4x^(1/3). (4) The sum/difference rule: d(f ± g)/dx = f′ ± g′ — differentiate term by term. 📌 Book note: the rule extends to more than two functions; a polynomial is just a sum of powers, each handled by (2) and (3).

Example 7 differentiates a polynomial term by term to get 3x³ + 2x² + x + 2 (each term handled by the power rule and the constant-multiple rule). Example 8 expands (x² + 5)(x³ + 7) first, then differentiates the expanded polynomial to get 5x⁴ + 15x² + 14x. Example 9 rewrites (2√x + 2)(x − √x) as 2(x^(3/2) − x^(1/2)) and differentiates to (3x − 1)/√x. The lesson of Examples 8 and 9: simplify before differentiating whenever you can — the product rule of the next section exists for when you cannot.

اردو

(۱) d(c)/dx = 0 — مستقل عدد کا مشتق صفر ہے۔ (۲) کسی بھی حقیقی n کے لیے قوت کا قاعدہ: d(xⁿ)/dx = n xⁿ⁻¹۔ (۳) d(cf)/dx = c f′(x) — مستقل عدد مشتق سے باہر آ جاتا ہے۔ مثال ۶: d(3x^(4/3))/dx = 4x^(1/3)۔ (۴) مجموعہ/تفریق کا قاعدہ: d(f ± g)/dx = f′ ± g′ — رقم بہ رقم تفریق کریں۔ 📌 کتاب کا نوٹ: یہ قاعدہ دو سے زیادہ تفاعل پر بھی لاگو ہوتا ہے؛ کثیر رقمی محض قوتوں کا مجموعہ ہے۔

مثال ۷ میں کثیر رقمی کی رقم بہ رقم تفریق سے 3x³ + 2x² + x + 2 آتا ہے۔ مثال ۸ میں پہلے (x² + 5)(x³ + 7) کو پھیلا کر پھر تفریق سے 5x⁴ + 15x² + 14x ملتا ہے۔ مثال ۹ میں (2√x + 2)(x − √x) کو 2(x^(3/2) − x^(1/2)) لکھ کر تفریق سے (3x − 1)/√x آتا ہے۔ سبق: جب ممکن ہو تفریق سے پہلے سادہ کریں — اگلے حصے کا حاصل ضرب والا قاعدہ اس وقت کے لیے ہے جب سادہ نہ ہو سکے۔

d/dx [ 3x² + 5x − 7 ] = 3(2x) + 5(1) − 0 = 6x + 5 Each term on its own; constants ride along, then vanish.
Term-by-term samjho: جمع کا مشتاق مشتقوں کا جمع ہے — ہر رقم الگ, مستقل عدد باہر, آخری مستقل صفر.
13.6 (5) — Product Rule: Pehla × Doosre ka + Doosra × Pehle ka۱۳.۶ (۵) — حاصل ضرب کا قاعدہ
🏷 Tags: product rule, uv rule, first times derivative of second
ENGLISH

When two functions are multiplied and cannot be simplified first, use the product rule: d(uv)/dx = u dv/dx + v du/dx — “first times derivative of second, plus second times derivative of first”. The book proves it from the definition by the classic add-and-subtract trick: u(x + δx)v(x + δx) − u(x)v(x) is rewritten by inserting u(x + δx)v(x) in the middle, so the difference splits into two difference quotients, one for u and one for v.

Example 10 is a deliberate cross-check: it differentiates the same function as Example 9 — (2√x + 2)(x − √x) — but this time by the product rule instead of by expanding first. The working is longer, but the answer is the same: (3x − 1)/√x. When a book solves one question two ways and both agree, that is not repetition — it is a built-in error check you can copy in exams.

اردو

جب دو تفاعل ضرب میں ہوں اور پہلے سادہ نہ ہو سکیں تو حاصل ضرب کا قاعدہ لگائیں: d(uv)/dx = u dv/dx + v du/dx — “پہلا × دوسرے کا مشتق، جمع دوسرا × پہلے کا مشتق”۔ کتاب اسے تعریف سے ثابت کرتی ہے: درمیان میں u(x + δx)v(x) ڈال کر فرق کو دو فرق خارجوں میں توڑا جاتا ہے، ایک u کے لیے اور ایک v کے لیے۔

مثال ۱۰ جان بوجھ کر دہرائی گئی جانچ ہے: مثال ۹ والا ہی تفاعل (2√x + 2)(x − √x) اس بار پھیلانے کے بجائے حاصل ضرب کے قاعدے سے تفریق کیا جاتا ہے۔ کام لمبا ہے مگر جواب وہی ہے: (3x − 1)/√x۔ جب کتاب ایک سوال دو طریقوں سے حل کرے اور دونوں متفق ہوں تو یہ تکرار نہیں — امتحان میں نقل کرنے کے قابل غلطی کی جانچ ہے۔

d(uv)/dx = u·v′ + v·u′ first × derivative of second + second × derivative of first NOT u′·v′ — the most common product-rule mistake.
Product rule samjho: پہلا × دوسرے کا مشتاق, جمع دوسرا × پہلے کا مشتاق — صرف دونوں کے مشتقوں کی ضرب نہیں, یہ سب سے عام غلطی ہے.
13.6 (6) — Quotient Rule: (Neeche × Oopar ka − Oopar × Neeche ka) / Neeche²۱۳.۶ (۶) — تقسیم کا قاعدہ
🏷 Tags: quotient rule, denominator squared, order matters
ENGLISH

For a quotient u/v, the quotient rule is d(u/v)/dx = (v du/dx − u dv/dx)/v² — “denominator times derivative of numerator, minus numerator times derivative of denominator, all over denominator squared”. The order matters: the minus sign means swapping u and v changes the answer's sign, unlike the product rule. The book proves it from the definition with the same add-and-subtract device as the product rule.

Example 11: differentiate (2x³ − 3x² + 5)/(x² + 1). Here u = 2x³ − 3x² + 5, u′ = 6x² − 6x, v = x² + 1, v′ = 2x. So the derivative is [(x² + 1)(6x² − 6x) − (2x³ − 3x² + 5)(2x)]/(x² + 1)². Expand the top: (6x⁴ − 6x³ + 6x² − 6x) − (4x⁴ − 6x³ + 10x) = 2x⁴ + 6x² − 16x. So the answer is (2x⁴ + 6x² − 16x)/(x² + 1)². Always expand and cancel at the end — a factored numerator hides nothing, but an unexpanded one hides sign errors.

اردو

کسر u/v کے لیے تقسیم کا قاعدہ ہے: d(u/v)/dx = (v du/dx − u dv/dx)/v² — “مخرج × شمار کنندہ کا مشتق، منفی شمار کنندہ × مخرج کا مشتق، سب مخرج کے مربع پر”۔ ترتیب اہم ہے: منفی کی علامت کی وجہ سے u اور v بدلنے سے جواب کی علامت بدل جاتی ہے، حاصل ضرب کے قاعدے کے برعکس۔ کتاب اسے بھی تعریف سے اسی جمع و تفریق والی ترکیب سے ثابت کرتی ہے۔

مثال ۱۱: (2x³ − 3x² + 5)/(x² + 1) کی تفریق: u′ = 6x² − 6x، v′ = 2x۔ قاعدہ لگانے اور اوپر کو پھیلا کر سادہ کرنے سے جواب (2x⁴ + 6x² − 16x)/(x² + 1)² آتا ہے۔ آخر میں ہمیشہ پھیلا کر کاٹیں — بغیر پھیلایا ہوا شمار کنندہ علامت کی غلطیاں چھپاتا ہے۔

d(u/v)/dx = (v·u′ − u·v′) / v² denominator × derivative of numerator MINUS numerator × derivative of denominator Order matters: the minus sign punishes swaps.
Quotient rule samjho: نیچے × اوپر کا مشتاق, minus اوپر × نیچے کا مشتاق, تقسیم نیچے کا مربع — minus کی وجہ سے ترتیب بدلنا جواب کی علامت بدل دیتا ہے.
13.7 — Applications: Marginal, Velocity, Growth, Pressure۱۳.۷ — استعمالات: حاشیاتی، رفتار، نمو، دباؤ
🏷 Tags: applications, marginal profit, velocity, acceleration, rate of change, volume
ENGLISH

Derivatives earn their keep as rates in disguise. Example 12 (marginal profit): P(x) = 100x − 5x² gives P′(x) = 100 − 10x, so at x = 8 the marginal profit is P′(8) = 100 − 80 = 20 — roughly, one more unit sold near x = 8 adds 20 to profit. Example 13 (motion): s = 4t³ − 3t² + 2t gives v = s′ = 12t² − 6t + 2 and a = v′ = 24t − 6; at t = 2, v = 48 − 12 + 2 = 38 m/s and a = 48 − 6 = 42 m/s². Example 14 (growth): V = 5000(1 + 0.04t)² gives V′ = 5000 × 2(1 + 0.04t)(0.04) = 400(1 + 0.04t); at t = 10, V′ = 400 × 1.4 = 560 per year. Example 15 (pressure gradient): S = 500x − 2x³ gives S′ = 500 − 6x²; at x = 5, S′ = 500 − 150 = 350 Pa/m.

The pattern across all four: name the function, differentiate it, evaluate at the asked point, and attach the unit. Students lose marks not on the calculus but on the last step — a bare number without “per year” or “m/s” is an unfinished answer.

اردو

مشتق بھیس بدلی ہوئی شرحوں کے طور پر کام آتے ہیں۔ مثال ۱۲ (حاشیاتی منافع): P(x) = 100x − 5x² سے P′(x) = 100 − 10x، اس لیے x = 8 پر حاشیاتی منافع P′(8) = 20 ہے — یعنی x = 8 کے قریب ایک مزید اکائی بیچنے سے منافع میں تقریباً 20 کا اضافہ ہوتا ہے۔ مثال ۱۳ (حرکت): s = 4t³ − 3t² + 2t سے v = 12t² − 6t + 2 اور a = 24t − 6؛ t = 2 پر v = 38 m/s اور a = 42 m/s²۔ مثال ۱۴ (نمو): V = 5000(1 + 0.04t)² سے t = 10 پر V′ = 560 سالانہ۔ مثال ۱۵ (دباؤ کا میلان): S = 500x − 2x³ سے x = 5 پر S′ = 350 Pa/m۔

چاروں میں ایک ہی نمونہ ہے: تفاعل کا نام لیں، تفریق کریں، مطلوبہ نقطے پر قیمت رکھیں، اور اکائی لگائیں۔ طلبہ نمبر حساب میں نہیں بلکہ آخری مرحلے میں کھوتے ہیں — “سالانہ” یا “m/s” کے بغیر خالی عدد ادھورا جواب ہے۔

f′(a) = rate of change of f at a position → velocity → acceleration profit → marginal profit volume → growth rate Differentiate, evaluate, attach the unit.
Applications samjho: مشتاق ہمیشہ "fi وقت / fi اکائی تبدیلی" بتاتا ہے — صرف number نہیں, unit کے ساتھ جواب مکمل ہوتا ہے.
📝 Official Exercise Questions — with Answers📝 کتاب کی مشق — جوابات کے ساتھ
KITAB KI EXERCISE

Below are all questions of Exercises 13.1, 13.2 and 13.3 from Unit 13 of the official book (printed pages 248, 254–255, 256–257), each solved step by step. The book has no multiple-choice section, no review exercise and no inquisitive/numerical section in this unit, so none is invented here. Three flags are carried inside the answers: the book prints section 13.3.1 as “12.3.1” (a numbering slip); Exercise 13.2 Q2 and Q3 are solved with logarithmic differentiation as a clearly labelled shortcut, since the book has not taught that method at this point; and Exercise 13.3 Q1 and Q2 ask for no numeric point, so their answers stay in function form.

Counting rule used here: one numbered question = one answer block; its parts (i), (ii), … are solved inside that block. That gives 12 + 5 + 8 = 25 blocks, covering 48 parts in total.

Exercise 13.1مشق ۱۳.۱
EXERCISE 13.1 + ANSWERS
1. Find f′(x) by definition (first principles) for: (i) 2x² + 1 (ii) 2 − √x (iii) 1/√x (iv) x(x − 3)

(i) [2(x + h)² + 1 − (2x² + 1)]/h = [4xh + 2h²]/h = 4x + 2h → 4x as h → 0. (ii) [(2 − √(x + h)) − (2 − √x)]/h = −(√(x + h) − √x)/h. Rationalise: −h/(h(√(x + h) + √x)) = −1/(√(x + h) + √x) → −1/(2√x). (iii) [1/√(x + h) − 1/√x]/h = (√x − √(x + h))/(h√x√(x + h)). Rationalise the top: −h/(h√x√(x + h)(√x + √(x + h))) = −1/(√x√(x + h)(√x + √(x + h))) → −1/(√x · √x · 2√x) = −1/(2x^(3/2)). (iv) x(x − 3) = x² − 3x. [(x + h)² − 3(x + h) − (x² − 3x)]/h = (2xh + h² − 3h)/h = 2x + h − 3 → 2x − 3.

2. (i) Find dy/dx for y = √(x + 2) and its value at x = 6. (ii) Find dy/dx for y = 1/√(x + a) and its value at x = a.

(i) y = (x + 2)^(1/2), so dy/dx = (1/2)(x + 2)^(−1/2) = 1/(2√(x + 2)). At x = 6: 1/(2√8) = 1/(4√2) = √2/8. (ii) y = (x + a)^(−1/2), so dy/dx = (−1/2)(x + a)^(−3/2) = −1/(2(x + a)^(3/2)). At x = a: −1/(2(2a)^(3/2)).

3. (i) Find the derivative of x^(2/3) at x = 8. (ii) Find the derivative of x² + 2x + 3.

(i) d/dx x^(2/3) = (2/3)x^(−1/3). At x = 8: (2/3)(8)^(−1/3) = (2/3)(1/2) = 1/3. (ii) d/dx (x² + 2x + 3) = 2x + 2 + 0 = 2x + 2.

4. Differentiate with respect to the given variable: (i) (3x − 2)^(−2) (ii) (2t + 3)^5 (iii) (aw + b)^7 with respect to w

Each needs the chain rule in its simplest form (derivative of the outer power times derivative of the inside). (i) −2(3x − 2)^(−3) × 3 = −6(3x − 2)^(−3). (ii) 5(2t + 3)^4 × 2 = 10(2t + 3)^4. (iii) Here w is the variable and a, b are constants: 7(aw + b)^6 × a = 7a(aw + b)^6.

5. Find the gradient of y = 3x² − 4x + 1 at x = 2, and the equation of the tangent at that point.

dy/dx = 6x − 4. At x = 2: gradient = 12 − 4 = 8. The point: y = 3(4) − 4(2) + 1 = 5, so (2, 5). Tangent: y − 5 = 8(x − 2), i.e. y = 8x − 11.

6. Find the gradient of f(x) = 2x³ + x at x = −1, and the equation of the tangent at that point.

f′(x) = 6x² + 1. At x = −1: gradient = 6 + 1 = 7. The point: f(−1) = −2 − 1 = −3, so (−1, −3). Tangent: y + 3 = 7(x + 1), i.e. y = 7x + 4.

7. Find the gradient of f(x) = x³ − 2x + 1 at x = 1, and the equation of the tangent at that point.

f′(x) = 3x² − 2. At x = 1: gradient = 3 − 2 = 1. The point: f(1) = 1 − 2 + 1 = 0, so (1, 0). Tangent: y − 0 = 1(x − 1), i.e. y = x − 1.

8. Find the gradient of f(x) = 3x² + 2x at x = 1.

f′(x) = 6x + 2. At x = 1: gradient = 6 + 2 = 8.

9. Find the gradient of f(x) = √x at x = 9, and the equation of the tangent at that point.

f′(x) = 1/(2√x). At x = 9: gradient = 1/(2 × 3) = 1/6. The point: (9, 3). Tangent: y − 3 = (1/6)(x − 9), i.e. y = x/6 + 3/2.

10. The distance covered is s = 2t³ − 3t² + t. Find: (i) the average velocity over [1, 4] (ii) the instantaneous velocity at t = 2.

(i) s(4) = 2(64) − 3(16) + 4 = 128 − 48 + 4 = 84. s(1) = 2 − 3 + 1 = 0. Average velocity = (84 − 0)/(4 − 1) = 84/3 = 28 km/h. (ii) v(t) = s′(t) = 6t² − 6t + 1. At t = 2: 24 − 12 + 1 = 13 km/h.

11. The height of a ball is s = −16t² + 32t + 10 (feet). Find the instantaneous velocity when the ball reaches its highest point, and the time at which this happens.

v(t) = s′(t) = −32t + 32. At the top the ball stops rising, so v = 0: −32t + 32 = 0 gives t = 1 s, and the instantaneous velocity there is 0 ft/s — the instant of turning, not a stop.

12. The temperature is T = −t² + 12t + 10. Find the instantaneous rate of change of temperature at t = 2.

T′(t) = −2t + 12. At t = 2: −4 + 12 = 8 °C/h — the temperature is rising at 8 degrees per hour at that moment.

Exercise 13.2مشق ۱۳.۲
EXERCISE 13.2 + ANSWERS
1. Differentiate: (i) x⁴ + 2x³ + x² (ii) x^(−3) + 2x^(−3/2) + 3 (iii) (2x − 3)/(2x + 1) (iv) (1 + √x)(x − x√x)/√x (v) (√x − 1/√x)² (vi) (x − 5)(3 − x) (vii) (x² + 1)²/(x² − 1) (viii) (x² + 1)/(x² − 3) (ix) (2x − 1)/√(x² + 1) (x) √((a − x)/(a + x)) (xi) √(x² + 1)/√(x² − 1)

(i) Term by term: 4x³ + 6x² + 2x. (ii) −3x^(−4) + 2(−3/2)x^(−5/2) + 0 = −3x^(−4) − 3x^(−5/2). (iii) Quotient rule: [2(2x + 1) − 2(2x − 3)]/(2x + 1)² = 8/(2x + 1)². (iv) First simplify: (1 + √x)(x − x√x)/√x = (1 + √x) · x(1 − √x)/√x = x(1 − x)/√x = √x − x^(3/2) (since (1 + √x)(1 − √x) = 1 − x). Differentiate: 1/(2√x) − (3/2)√x. (v) Expand first: (√x − 1/√x)² = x − 2 + 1/x. Differentiate: 1 − 1/x². (vi) Expand: (x − 5)(3 − x) = −x² + 8x − 15. Differentiate: 8 − 2x. (vii) Quotient rule: [2(x² + 1)(2x)(x² − 1) − (x² + 1)²(2x)]/(x² − 1)² = 2x(x² + 1)[2(x² − 1) − (x² + 1)]/(x² − 1)² = 2x(x² + 1)(x² − 3)/(x² − 1)². (viii) Quotient rule: [2x(x² − 3) − 2x(x² + 1)]/(x² − 3)² = −8x/(x² − 3)². (ix) Quotient rule: [2√(x² + 1) − (2x − 1)(x/√(x² + 1))]/(x² + 1) = [2(x² + 1) − x(2x − 1)]/(x² + 1)^(3/2) = (x + 2)/(x² + 1)^(3/2). (x) Write y = (a − x)^(1/2)(a + x)^(−1/2). Then y′/y = −1/(2(a − x)) − 1/(2(a + x)) = −a/(a² − x²). Multiply by y: y′ = −a/((a + x)√(a² − x²)). (xi) y′/y = x/(x² + 1) − x/(x² − 1) = −2x/((x² + 1)(x² − 1)). Multiply by y = √(x² + 1)/√(x² − 1): y′ = −2x/((x² − 1)^(3/2)√(x² + 1)).

2. Differentiate y = (√x + 1)(x² − 1)^(3/2)/(√x − 1).

⚠️ Method flag: this is solved by logarithmic differentiation, a shortcut the book has not taught at this point — it is used here only because the direct product/quotient expansion is unwieldy, and every step is shown. First simplify: x² − 1 = (√x − 1)(√x + 1)(x + 1), so (x² − 1)^(3/2) = (√x − 1)^(3/2)(√x + 1)^(3/2)(x + 1)^(3/2). The (√x − 1) in the denominator cancels one power: y = (√x − 1)^(1/2)(√x + 1)^(5/2)(x + 1)^(3/2). Take logs: ln y = (1/2)ln(√x − 1) + (5/2)ln(√x + 1) + (3/2)ln(x + 1). Differentiate (remember d/dx √x = 1/(2√x)): y′/y = (1/(2√x))[1/(2(√x − 1)) + 5/(2(√x + 1))] + 3/(2(x + 1)). So y′ = y × {(1/(2√x))[1/(2(√x − 1)) + 5/(2(√x + 1))] + 3/(2(x + 1))} with y as simplified above.

3. Differentiate y = (√x + 1)(x² − 1)^(3/2)/(x^(3/2) − x^(1/2)).

⚠️ Method flag: logarithmic differentiation again (see Q2). Simplify the denominator: x^(3/2) − x^(1/2) = √x(x − 1) = √x(√x − 1)(√x + 1). With (x² − 1)^(3/2) = (√x − 1)^(3/2)(√x + 1)^(3/2)(x + 1)^(3/2) as in Q2, the (√x − 1) and (√x + 1) factors partly cancel: y = (√x − 1)^(1/2)(√x + 1)^(3/2)(x + 1)^(3/2)/√x. Then ln y = (1/2)ln(√x − 1) + (3/2)ln(√x + 1) + (3/2)ln(x + 1) − (1/2)ln x, so y′/y = (1/(2√x))[1/(2(√x − 1)) + 3/(2(√x + 1))] + 3/(2(x + 1)) − 1/(2x). Hence y′ = y × {(1/(2√x))[1/(2(√x − 1)) + 3/(2(√x + 1))] + 3/(2(x + 1)) − 1/(2x)} with y as simplified above.

4. If y = √x − 1/√x, prove that 2x y′ + y = 2√x.

y′ = 1/(2√x) + 1/(2x^(3/2)) (the second term: d/dx (−x^(−1/2)) = (1/2)x^(−3/2)). Then 2x y′ = 2x/(2√x) + 2x/(2x^(3/2)) = √x + 1/√x. Add y = √x − 1/√x: 2x y′ + y = (√x + 1/√x) + (√x − 1/√x) = 2√x. ✓

5. If y = x⁴ + 2x² + 2, prove that y′ = 4x√(y − 1).

y′ = 4x³ + 4x = 4x(x² + 1). And y − 1 = x⁴ + 2x² + 1 = (x² + 1)², so √(y − 1) = x² + 1 (positive, no sign issue). Hence 4x√(y − 1) = 4x(x² + 1) = y′. ✓

Exercise 13.3مشق ۱۳.۳
EXERCISE 13.3 + ANSWERS
1. If s = 5t³ − 3t² + t, find the velocity function v(t).

⚠️ Flag: the book asks for no particular time here, so the answer stays in function form. v(t) = s′(t) = 15t² − 6t + 1.

2. If S = 100 − 5x², find the rate of change S′(x). (The book's “at that point” names no point, so the answer is the function.)

⚠️ Flag: no numeric point is given in the question, so no number is invented. S′(x) = −10x — the rate of change at any point x.

3. The profit function is P(x) = −10x² + 700x − 2000. (i) Find the marginal profit function. (ii) Find the marginal profit at x = 15.

(i) Marginal profit is P′(x) = −20x + 700. (ii) At x = 15: P′(15) = −300 + 700 = 400 (currency units per additional unit).

4. The amount is A = 10000(1 + 0.05t)². (i) Find the rate of growth at t = 8. (ii) Find the amount at t = 8.

(i) A′(t) = 10000 × 2(1 + 0.05t)(0.05) = 1000(1 + 0.05t). At t = 8: 1000 × 1.4 = 1400 per year. (ii) A(8) = 10000 × (1.4)² = 10000 × 1.96 = 19600.

5. The distance is s = 5t³ − 12t² + 8t. Find: (i) the velocity at t = 4 (ii) the acceleration at t = 4 (iii) the times when the particle is at rest.

v(t) = 15t² − 24t + 8; a(t) = 30t − 24. (i) v(4) = 15(16) − 24(4) + 8 = 240 − 96 + 8 = 152 m/s. (ii) a(4) = 120 − 24 = 96 m/s². (iii) At rest means v = 0: 15t² − 24t + 8 = 0, so t = (24 ± √(576 − 480))/30 = (24 ± √96)/30 = (12 ± 2√6)/15 ≈ 0.47 s and 1.13 s.

6. The distance is x = 30t² − 4t³. Find: (i) the velocity at t = 3 (ii) the acceleration at t = 3.

v(t) = 60t − 12t²; a(t) = 60 − 24t. (i) v(3) = 180 − 108 = 72 km/h. (ii) a(3) = 60 − 72 = −12 km/h² (deceleration).

7. The pressure is S = 400x − x³. Find the rate of change of pressure at x = 6 m.

S′(x) = 400 − 3x². At x = 6: 400 − 3(36) = 400 − 108 = 292 Pa/m.

8. The cost is C = 8000πr² + 150000/r. Find C′(4), the rate of change of cost at r = 4 m.

C′(r) = 16000πr − 150000/r². At r = 4: 16000π(4) − 150000/16 = 64000π − 9375 ≈ 201061.9 − 9375 ≈ 191687 per metre.

📌 باب کا خلاصہ و رہنمائی — اس باب میں کیا ہے؟
SUMMARY

اس باب میں کیا ہے؟ Differentiation کی پوری بنیاد: secant سے tangent, average سے instantaneous rate, definition سے چار steps, power rule, differentiability اور continuity کا رشتہ, پھر theorems (constant, multiple, sum, product, quotient) اور آخر میں اصل دنیا کی sharhein.

  • Tangent: secant ka limit; Example 1: y = x² − 2 par (−1, −1) par gradient −2, tangent y = −2x − 3.
  • Derivative: f′(x) = lim [f(x + δx) − f(x)]/δx; velocity: s(t) = t² + t par t = 3 par 7 m/s.
  • First principles: 4 steps; dy/dx ایک علامت ہے, تقسیم نہیں; √x کا مشتاق 1/(2√x).
  • Power rule: d(xⁿ)/dx = n xⁿ⁻¹ — “power down front, power minus one”.
  • Differentiability ⇒ continuity; الٹا غلط: |x| 0 پر mutasil مگر differentiable نہیں.
  • Theorems (1)–(4): constant 0, multiple باہر, sum term by term; پہلے simplify کرو.
  • Product rule: u v′ + v u′; Example 10 Example 9 ki cross-check hai.
  • Quotient rule: (v u′ − u v′)/v²; ترتیب اہم ہے.
  • Applications: marginal profit, velocity/acceleration, growth rate, pressure gradient — differentiate, evaluate, unit lagao.

Revision guidance: پہلے first principles کے 4 steps کسی ایک function پر ہاتھ سے کرو, پھر power rule کو automatic بناؤ, پھر product اور quotient کے فرق کو ایک ایک مثال سے پکا کرو (product میں plus, quotient میں minus اور v²). Tangent والے سوالوں میں point اور gradient دونوں نکالنا مت بھولو. Exercise: 📝 Official Exercise Questions — with Answers (25 questions, 48 parts; no MCQs, no review exercise in this unit). Flags: section 13.3.1 book میں “12.3.1” چھپا ہے (numbering slip); Exercise 13.2 Q2/Q3 میں logarithmic differentiation shortcut کے توڑ پر label کر کے استعمال ہوئی ہے (book نے یہ طریقہ ابھی نہیں سکھایا); Exercise 13.3 Q1/Q2 میں کوئی numeric point نہیں دیا گیا, اس لیے جواب function کی شکل میں ہیں.

خلاصہ

اس باب میں تفریق کی مکمل بنیاد ہے: مماس، مشتق کی تعریف، اولیں اصولوں سے مشتق، قوت کا قاعدہ، تفریق پذیری و اتصال کا تعلق، قضیے (مستقل، اضعاف، مجموعہ، حاصل ضرب، تقسیم) اور حقیقی استعمالات۔

امتحان کے لیے تین چیزیں سب سے اہم ہیں: اولیں اصولوں کے چار مراحل، قوت کا قاعدہ، اور حاصل ضرب و تقسیم کے قاعدوں کا فرق (جمع بمقابلہ منفی، اور مخرج کا مربع)۔ ان تینوں پر عبور حاصل کر لیں تو اس باب کی مشقیں آسان لگیں گی۔

🎯 مزید MCQs اور Tests کے لیے

Chapter-wise tests, fresh random papers اور instant score کے لیے PunjabTest.com کا میں test section دیکھو:

PunjabTest.com — Tests →

PunjabTest.com — Complete Guide Book • FSc Part 1 Mathematics, Chapter 13 (New Book, Session 2026–27) • English + Urdu

← Chapter 12Chapter 14 →