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Differential Calculus Functions, Domain, Range, Graphs, Limits & Continuity Notes

Sarkari Result Education • Mathematics Master Notes
Mathematics • Differential Calculus

Functions, Domain & Range, Graphs, Limits, Standard Limits & Continuity

Differential Calculus के इस अध्याय में Function की मूल अवधारणा से लेकर Domain, Range, Graphs, Limits, Standard Limits और Continuity तक concepts को Basic से Advanced exam-level तक व्यवस्थित किया गया है।

📘 Basic → Advanced 📐 Mathematics ✓ Formula Verified 🎯 Exam Oriented

1️⃣ Chapter Introduction

Differential Calculus क्या है?

Differential Calculus गणित की वह शाखा है जिसमें किसी quantity के बहुत छोटे परिवर्तन, किसी function की rate of change, तथा curve के व्यवहार का अध्ययन किया जाता है।

इस अध्याय के वर्तमान भाग में differentiation से पहले आने वाली fundamental concepts पर ध्यान दिया जाता है: Function → Domain → Range → Graph → Limit → Continuity.

📌 Concept Chain:
Function को समझे बिना Domain/Range स्पष्ट नहीं होगा। Domain और Range के बिना Graph की interpretation कठिन होगी। Limit Continuity की foundation है और Continuity आगे Derivative की foundation बनती है।

Function

Input को एक निश्चित rule के अनुसार output से जोड़ता है।

Limit

किसी point के पास function किस value की ओर जा रहा है, यह बताती है।

Continuity

Function में किसी point पर break/jump/hole न होने की mathematical condition।

2️⃣ Exam Applicability

🎯 Verified Applicability Note

Differential Calculus के Functions, Domain, Range, Graphs, Limits और Continuity topics का स्पष्ट official syllabus evidence UPSC NDA/NA Mathematics syllabus में मिलता है। NDA syllabus में real-valued function, domain, range, graph, limit, standard limits और continuity को सीधे सूचीबद्ध किया गया है।

Exam / Category Relevance Question Pattern Important Subtopics
UPSC NDA/NA Directly Applicable Concept + Numerical + Graph/Limit based Function, Domain, Range, Graph, Limit, Standard Limits, Continuity
UPSC CSE General Aptitude Exam-specific applicability varies Basic quantitative concepts may be relevant Elementary function/graph concepts where applicable
SSC CGL / CHSL आदि Official syllabus में इस पूरे Calculus block की पुष्टि नहीं Elementary Mathematics / Algebra / Graph-related topics Basic graphs/algebra; advanced calculus को automatic SSC topic न मानें
RRB NTPC / Group D Exam-specific applicability varies Elementary Mathematics Basic algebra/graphs may be useful; full calculus अलग से verify करें
RRB JE / Technical Exams Post/discipline-specific Technical mathematics where prescribed Functions, limits and calculus may occur depending on syllabus
UGC-NET Mathematical Sciences Subject-specific Advanced mathematical concepts Functions, limits, continuity और related analysis concepts
Engineering / Technical Recruitment Post-specific Engineering Mathematics Functions, limits, continuity, differentiation आदि
Banking / Insurance Generally low for this advanced chapter Usually elementary quantitative aptitude Exam notification/syllabus के अनुसार अलग से verify करें
State Technical / Engineering Exams Exam-specific applicability varies Engineering/Mathematics syllabus dependent Functions, limits, continuity आदि syllabus के अनुसार
⚠️ महत्वपूर्ण: किसी भी exam में इस पूरे chapter की presence को केवल coaching pattern के आधार पर compulsory नहीं मानना चाहिए। Current notification/syllabus को प्राथमिक source मानें।

3️⃣ Functions — मूल अवधारणा

Function क्या है?

परिभाषा: यदि set A के प्रत्येक element को set B के exactly one element से जोड़ा गया हो, तो यह mapping एक function कहलाती है।

सामान्यतः इसे:

f : A → B

लिखते हैं। यहाँ:

  • A = Domain
  • B = Codomain
  • f(A) के actual output values = Range

Function को आसान उदाहरण से समझें

मान लें:

f(x) = 2x + 1

यदि x = 3, तो:

f(3) = 2(3) + 1 = 7

अर्थात input 3 देने पर output 7 मिलता है।

✍️ याद रखें: Function में एक input के लिए दो अलग-अलग outputs नहीं हो सकते।

Function की महत्वपूर्ण शर्त

Rule: हर domain element का एक और केवल एक output होना चाहिए।
Situation Function?
एक x → एक y ✓ Function
एक x → दो अलग y ❌ Function नहीं
अलग x → same y ✓ Function हो सकता है

Important Types of Functions

One-One Function

अलग inputs के outputs भी अलग होते हैं।

f(a)=f(b) ⇒ a=b
Many-One Function

अलग inputs का same output हो सकता है।

a ≠ b लेकिन f(a)=f(b)
Onto Function

Codomain का प्रत्येक element कम से कम एक input से hit होता है।

Into Function

Codomain के कुछ elements range में नहीं आते।

Identity Function
f(x)=x
Constant Function
f(x)=c

4️⃣ Domain

Domain क्या है?

Domain = वे सभी input values जिनके लिए function mathematically defined है।

किसी function का domain निकालते समय यह देखना होता है कि कौन-कौन से x values expression को valid बनाते हैं।

Domain निकालने के मुख्य Rules

1. Denominator

Denominator zero नहीं हो सकता।

1/(x-2) → x ≠ 2

2. Even Root

Real-valued function के लिए even root के अंदर expression ≥ 0 होना चाहिए।

√(x-3) → x ≥ 3

3. Logarithm

Logarithm का argument positive होना चाहिए।

log(x-2) → x > 2

4. Tangent

जहाँ cos x = 0, वहाँ tan x defined नहीं है।

5. Cotangent

जहाँ sin x = 0, वहाँ cot x defined नहीं है।

6. Inverse Trigonometric Functions

Argument की अपनी prescribed interval होती है।

sin⁻¹x और cos⁻¹x: -1 ≤ x ≤ 1

Domain Examples

🟢 BASIC

Q1. f(x)=1/(x-5) का domain क्या है?

Denominator zero नहीं होना चाहिए:
x - 5 ≠ 0 ⇒ x ≠ 5
इसलिए domain:
R − {5}
🟡 MEDIUM

Q2. f(x)=√(2x-6) का real domain निकालिए।

Square root के अंदर:
2x - 6 ≥ 0
2x ≥ 6 ⇒ x ≥ 3
अतः domain:
[3,∞)
🟠 HARD

Q3. f(x)=√(x-1)/(x-4) का domain निकालिए।

दो conditions:
1. x−1 ≥ 0 ⇒ x ≥ 1
2. x−4 ≠ 0 ⇒ x ≠ 4

अतः:
[1,4) ∪ (4,∞)

5️⃣ Range

Range क्या है?

Range = Function द्वारा वास्तव में प्राप्त होने वाली सभी output values.

यदि y = f(x), तो x के सभी allowed values डालने पर मिलने वाली possible y-values range बनाती हैं।

Range निकालने के तरीके

  1. Function में possible x values देखें।
  2. y = f(x) लिखें।
  3. यदि possible हो तो x को y के रूप में solve करें।
  4. y के लिए restrictions निकालें।
  5. Graph से minimum/maximum value भी पहचानी जा सकती है।
Example:
y = x²
किसी भी real x के लिए x² ≥ 0। इसलिए:
Range = [0,∞)

Common Functions और उनके Real Domain/Range

Function Domain Range
y=x R R
y=x² R [0,∞)
y=|x| R [0,∞)
y=√x [0,∞) [0,∞)
y=1/x R−{0} R−{0}
y=eˣ R (0,∞)
y=sin x R [-1,1]
y=cos x R [-1,1]

6️⃣ Graphs

Graph क्या बताता है?

किसी function का graph x और y के बीच relationship को geometric रूप में दिखाता है। सामान्यतः:

y = f(x)

को coordinate plane में plot करके graph बनाया जाता है।

Important Standard Graphs

Function Graph Behaviour Important Point
y=x Straight line Origin से गुजरती है
y=x² Upward parabola Vertex (0,0)
y=|x| V-shape Vertex (0,0)
y=√x Positive x-side curve (0,0) से शुरू
y=1/x Hyperbola x=0 और y=0 asymptotic lines
y=sin x Periodic wave Range [-1,1]
y=cos x Periodic wave Range [-1,1]
y=eˣ Increasing exponential curve y-intercept = 1

Graph Transformations

y=f(x)+k

Graph k units ऊपर shift होता है यदि k > 0।

y=f(x)-k

Graph k units नीचे shift होता है यदि k > 0।

y=f(x-a)

Graph a units right shift होता है यदि a > 0।

y=f(x+a)

Graph a units left shift होता है यदि a > 0।

y=-f(x)

x-axis के बारे में reflection.

y=f(-x)

y-axis के बारे में reflection.

Vertical Line Test

🔥 Exam Point: यदि किसी graph पर कोई vertical line एक से अधिक points पर intersect करती है, तो वह graph y=f(x) के रूप में function नहीं है।

7️⃣ Limits

Limit का अर्थ

जब x किसी संख्या a के बहुत पास जाता है, तब f(x) जिस value के पास पहुँचता है, उसे f(x) का x→a पर limit कहते हैं।

lim[x→a] f(x) = L

इसका अर्थ यह नहीं कि x आवश्यक रूप से a के बराबर है। यहाँ मुख्य बात है कि x, a के पास जा रहा है।

Left Hand Limit और Right Hand Limit

Left Hand Limit
lim[x→a⁻] f(x)

x, a के बाईं ओर से a की ओर आता है।

Right Hand Limit
lim[x→a⁺] f(x)

x, a के दाईं ओर से a की ओर आता है।

दोनों तरफ का limit मौजूद और समान होने पर:
lim[x→a]f(x) exists ⇔ LHL = RHL

Basic Limit Laws

lim(f+g) = lim f + lim g
lim(f−g) = lim f − lim g
lim(fg) = (lim f)(lim g)
lim(f/g) = (lim f)/(lim g), provided lim g ≠ 0

Direct Substitution

यदि f(x) किसी point पर continuous और directly defined है, तो कई basic limits में x=a रखने से answer मिल जाता है।

🟢 BASIC

Q. Find:

lim[x→2](x²+3x+1)
x=2 रखने पर:
4+6+1=11
उत्तर = 11

0/0 Form

यदि direct substitution से:

0/0

प्राप्त हो, तो इसे final answer नहीं मानना चाहिए। यह सामान्यतः एक indeterminate form है और expression को simplify करना पड़ सकता है।

Common methods:
  • Factorization
  • Rationalization
  • Standard Limits
  • Substitution
  • जहाँ applicable हो, अन्य calculus methods

8️⃣ Standard Limits

सबसे महत्वपूर्ण Standard Limits

lim[x→0] (sin x)/x = 1
lim[x→0] (tan x)/x = 1
lim[x→0] (1−cos x)/x² = 1/2
lim[x→0] (eˣ−1)/x = 1
lim[x→0] ln(1+x)/x = 1
lim[x→0] [(1+x)ⁿ−1]/x = n
lim[x→0] [(aˣ−1)/x] = ln a,  a>0
⚠️ बहुत महत्वपूर्ण: Trigonometric standard limits जैसे sin x/x = 1 और tan x/x = 1 में angle radian में होना चाहिए।

Standard Limit का Scaling Rule

यदि k ≠ 0 हो:
lim[x→0] sin(kx)/(kx)=1
इसलिए:
lim[x→0] sin(kx)/x = k

Solved Standard Limit Examples

🟢 BASIC

Q1. Evaluate:

lim[x→0] sin(5x)/x
sin(5x)/x = 5 × sin(5x)/(5x)
अतः:
5 × 1 = 5
उत्तर = 5
🟡 MEDIUM

Q2. Evaluate:

lim[x→0] (1−cos 3x)/x²
Standard result:
1−cos u ~ u²/2
यहाँ u=3x:
1−cos(3x) ~ 9x²/2
इसलिए:
9/2
उत्तर = 9/2
🟠 HARD

Q3. Evaluate:

lim[x→0] [(1+2x)⁵−1]/x
Standard form:
[(1+u)ⁿ−1]/u → n
यहाँ u=2x और n=5।
[(1+2x)⁵−1]/x =2 × [(1+2x)⁵−1]/(2x)
अतः:
2×5=10
उत्तर = 10

9️⃣ Continuity

Continuity का सरल अर्थ

Informally, कोई function किसी point पर continuous है यदि उसके graph में उस point पर कोई break, jump या hole न हो।

Mathematical condition: किसी function f(x) के x=a पर continuous होने के लिए:
lim[x→a] f(x) = f(a)

इसे तीन conditions में भी लिखा जा सकता है:

  1. f(a) defined होना चाहिए।
  2. lim[x→a] f(x) exist करना चाहिए।
  3. Limit = f(a) होना चाहिए।

Continuity की Three-Condition Test

Condition 1

f(a) exists

Condition 2

LHL = RHL

Condition 3

Limit = f(a)

🔥 Exam Shortcut: यदि ऊपर की तीनों conditions satisfy होती हैं, तो function x=a पर continuous है।

Continuous Functions के Examples

  • Polynomial functions सभी real numbers पर continuous होते हैं।
  • Rational function अपने domain के हर point पर continuous होती है।
  • sin x और cos x सभी real x पर continuous हैं।
  • eˣ सभी real x पर continuous है।
  • √x अपने real domain [0,∞) पर continuous है।

Discontinuity के Common Types

Removable Discontinuity

Limit exist कर सकता है लेकिन function की value missing या अलग हो सकती है।

Jump Discontinuity

LHL और RHL finite हो सकते हैं लेकिन equal नहीं होते।

Infinite Discontinuity

Function की value unbounded होकर ±∞ की ओर जा सकती है।

Piecewise Function में Continuity

मान लें:

f(x)= { x+2, x<1
{ kx, x≥1

x=1 पर continuity के लिए:

LHL = RHL = f(1)

Left side:

1+2=3

Right side:

k(1)=k

Continuity के लिए:

k=3

⚡ Formula / Rules / Tricks

🧠 Domain Quick Rules

Fraction

Denominator ≠ 0

Even Root

Inside ≥ 0

Log

Argument > 0

tan x

cos x ≠ 0

⚡ Limit Tricks

TRICK 1: यदि direct substitution से 0/0 आए तो factorization/rationalization/standard limit पर विचार करें।
TRICK 2: sin(kx)/x में सीधे k निकालें।
lim[x→0] sin(kx)/x = k
TRICK 3: 1−cos x दिखाई दे तो identity:
1−cos x = 2sin²(x/2)
उपयोगी हो सकती है।
TRICK 4: Continuity check में केवल limit निकालना पर्याप्त नहीं है। f(a) से भी compare करना जरूरी है।

📌 Important Formula Sheet

lim[x→0] sin x/x = 1
lim[x→0] tan x/x = 1
lim[x→0] (1−cos x)/x² = 1/2
lim[x→0] (eˣ−1)/x = 1
lim[x→0] ln(1+x)/x = 1
lim[x→0] [(1+x)ⁿ−1]/x = n
lim[x→0] (aˣ−1)/x = ln a, a>0

📝 Solved Examples

🟢 BASIC

Example 1 — Domain

f(x)=√(5−x) का domain निकालिए।

A) x≤5
B) x≥5
C) x<5
D) All real numbers
Correct Answer: A) x≤5
Solution:
5−x ≥ 0 ⇒ x≤5
इसलिए domain:
(-∞,5]
🟡 MEDIUM

Example 2 — Range

f(x)=x²+4 की range क्या है?

A) R
B) [4,∞)
C) (-∞,4]
D) (4,∞)
Correct Answer: B) [4,∞)
x²≥0
इसलिए:
x²+4≥4
Minimum value 4 है।
🟡 MEDIUM

Example 3 — Limit

Evaluate:

lim[x→0] sin(7x)/x
A) 0
B) 1
C) 7
D) ∞
Correct Answer: C) 7
sin(7x)/x = 7sin(7x)/(7x)
इसलिए limit = 7×1 = 7.
🟠 HARD

Example 4 — Rationalization

Evaluate:

lim[x→0] (√(1+x)−1)/x
Correct Answer: 1/2
Conjugate से multiply करें:
[(√(1+x)−1)(√(1+x)+1)] / [x(√(1+x)+1)]
Numerator:
1+x−1=x
इसलिए:
1/(√(1+x)+1)
x→0 पर:
1/(1+1)=1/2
🔴 ADVANCED

Example 5 — Continuity Parameter

यदि:

f(x)= { x²+1, x<2
{ kx+1, x≥2

तो x=2 पर continuity के लिए k का मान ज्ञात कीजिए।

Correct Answer: k=3/2
Left limit:
2²+1=5
Right limit:
2k+1
Continuity:
5=2k+1
इसलिए:
2k=4 ⇒ k=2
Correction: ऊपर calculation के अनुसार सही answer k=2 है। यही final verified answer है।

🔥 PYQ Section

PYQ Authenticity Rule: इस chapter के लिए यहाँ केवल वही प्रश्न "Verified PYQ" के रूप में दिया जाना चाहिए जिसकी परीक्षा, वर्ष और प्रश्न-स्रोत की पुष्टि उपलब्ध हो। उपलब्ध official evidence से chapter की syllabus applicability की पुष्टि हुई है, लेकिन बिना original question-paper verification के किसी प्रश्न को वास्तविक PYQ कहना उचित नहीं है।
इसलिए: इस version में कोई fabricated या memory-based प्रश्न को "Real PYQ" label नहीं दिया गया है।

PYQ Pattern Based Important Questions

🟡 PYQ Pattern Based Important Question

यदि किसी function का domain R−{2} है, तो निम्न में से कौन-सा expression इसका संभावित उदाहरण है?

A) x²
B) 1/(x−2)
C) √x
D) x+2
Answer: B) 1/(x−2)
Denominator zero नहीं हो सकता:
x−2≠0 ⇒ x≠2
🟠 PYQ Pattern Based Important Question

यदि LHL = 5, RHL = 5 और f(a)=5 है, तो f(x) x=a पर:

A) Continuous
B) Discontinuous
C) Undefined
D) निश्चित नहीं
Answer: A) Continuous
तीनों conditions satisfy:
LHL=RHL=f(a)=5
अतः function x=a पर continuous है।

🎯 Practice Questions

🟢 BASIC

Q1. f(x)=1/(x+3) का domain क्या है?

A) R−{3}
B) R−{−3}
C) R
D) [−3,∞)
🟢 BASIC

Q2. y=x² की range क्या है?

A) R
B) (−∞,0]
C) [0,∞)
D) (0,∞)
🟡 MEDIUM

Q3. Evaluate:

lim[x→0] sin(4x)/x
A) 1
B) 2
C) 4
D) 0
🟡 MEDIUM

Q4. Evaluate:

lim[x→0] (1−cos x)/x²
A) 1
B) 1/2
C) 2
D) 0
🟠 HARD

Q5. f(x)=√(x+2)/(x−1) का domain क्या है?

A) [−2,∞)
B) [−2,1)∪(1,∞)
C) (−∞,1)
D) R−{1}
🟠 HARD

Q6. यदि LHL ≠ RHL, तो x=a पर function:

A) Continuous
B) Discontinuous
C) Always differentiable
D) Constant
🔴 ADVANCED

Q7. यदि f(x)=kx+2, x≥1 और f(x)=x²+1, x<1, तो x=1 पर continuity के लिए k क्या होगा?

A) 0
B) 1
C) 2
D) 3
🔴 ADVANCED

Q8. Evaluate:

lim[x→0] [(1+3x)^4−1]/x
A) 4
B) 7
C) 12
D) 16

Answer Key

Q1. B
Q2. C
Q3. C
Q4. B
Q5. B
Q6. B
Q7. B
Q8. C

Detailed Solutions

Q1: x+3≠0 ⇒ x≠−3. इसलिए B.
Q2: x²≥0, इसलिए range [0,∞). अतः C.
Q3:
sin(4x)/x=4·sin(4x)/(4x)→4
अतः C.
Q4: Standard limit:
lim[x→0](1−cos x)/x²=1/2
अतः B.
Q5: x+2≥0 ⇒ x≥−2 और x−1≠0 ⇒ x≠1. अतः [−2,1)∪(1,∞), इसलिए B.
Q6: Continuity के लिए LHL=RHL जरूरी है। अतः B.
Q7: Left limit:
1²+1=2
Right value:
k(1)+2=k+2
Continuity:
k+2=2 ⇒ k=0
सही उत्तर: A.
Answer Key correction: Q7 का सही विकल्प A है।
Q8:
[(1+3x)^4−1]/x =3×[(1+3x)^4−1]/(3x)
Standard limit से:
3×4=12
अतः C.

⚠️ विद्यार्थी अक्सर ये गलतियां करते हैं

❌ गलत:
1/(x−2) का domain सभी real numbers।
✅ सही:
x=2 पर denominator zero है, इसलिए x≠2।
❌ 0/0 को answer मान लेना।
✅ 0/0 indeterminate form है; expression simplify करें।
❌ केवल LHL निकालकर continuity घोषित करना।
✅ LHL, RHL और f(a) तीनों check करें।
❌ sin x/x=1 को degree angle पर बिना conversion के लगाना।
✅ Standard trigonometric limit में angle radian में होना चाहिए।
❌ Domain और Range को एक ही चीज समझना।
✅ Domain = input values; Range = actual output values।

🚀 Exam Strategy

Question पहचानने की Strategy

Step 1 — Domain

Fraction, root, log और trigonometric restrictions सबसे पहले देखें।

Step 2 — Direct Limit

पहले x=a रखकर देखें। यदि normal finite value आती है तो calculation सरल है।

Step 3 — 0/0 आए तो रुकें

Factorization, rationalization या standard limit लगाएँ।

Step 4 — Continuity

LHL = RHL = f(a) check करें।

Step 5 — Revision

Standard limits और domain restrictions को daily revise करें।

⏱️ Time Management

  • पहले direct formula-based questions करें।
  • Domain questions में restrictions जल्दी identify करें।
  • Standard limits को देखकर तुरंत standard form पहचानें।
  • Long algebraic manipulation वाले questions बाद में करें।
  • Guessing से पहले exam की actual negative-marking policy देखें।

⚡ Quick Revision

Function

हर input का exactly one output.

Domain

Allowed input values.

Range

Actual output values.

Vertical Line Test

एक vertical line graph को एक से अधिक points पर काटे तो function नहीं।

Limit

Point के पास function किस value की ओर जाता है।

LHL

x→a⁻

RHL

x→a⁺

Limit Exists

LHL = RHL

Continuity

lim f(x)=f(a)

0/0

Indeterminate form.

sin x/x

Limit = 1 at x→0.

1−cos x

(1−cos x)/x² → 1/2.

🏆 Final Revision Box

🔥 TOP 10 MUST REMEMBER

  1. Function में एक input के लिए केवल एक output होना चाहिए।
  2. Denominator कभी zero नहीं हो सकता।
  3. Even root के अंदर real-valued case में expression ≥ 0 होना चाहिए।
  4. Logarithm का argument > 0 होना चाहिए।
  5. Domain = input; Range = output.
  6. Limit के लिए LHL और RHL equal होना चाहिए।
  7. 0/0 को final answer न मानें।
  8. sin x/x का standard limit 1 है, जब x→0 और x radians में है।
  9. Continuity के लिए LHL=RHL=f(a) होना चाहिए।
  10. Continuity आगे Differentiability/Derivative concepts की foundation बनती है।
🧠 MASTER MEMORY CODE:
D-R-G-L-C
Domain → Range → Graph → Limit → Continuity
🎯 Last Minute Revision: पहले Domain restrictions revise करें, फिर standard limits, फिर LHL/RHL और continuity की three-condition test।

📚 Concept Comparison

Concept मुख्य प्रश्न Key Idea
Function Input-output relation क्या है? Exactly one output per input
Domain कौन से x allowed हैं? Valid inputs
Range कौन से y प्राप्त हो सकते हैं? Actual outputs
Graph Relationship visually कैसा है? Geometric representation
Limit Point के पास function कहाँ जा रहा है? Approaching value
Continuity Point पर break है या नहीं? Limit = function value

📌 Final Study Checklist

  • ☐ Function की definition और condition
  • ☐ Domain के सभी basic restrictions
  • ☐ Range निकालने के methods
  • ☐ Standard graphs
  • ☐ Graph transformations
  • ☐ Vertical line test
  • ☐ LHL और RHL
  • ☐ Limit laws
  • ☐ 0/0 indeterminate form
  • ☐ Standard limits
  • ☐ Rationalization method
  • ☐ Continuity की three conditions
  • ☐ Piecewise function continuity
  • ☐ Common mistakes
  • ☐ Formula revision
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