পাঠ ১১ / ১৩অনুচ্ছেদ ২.১১–২.১২.৩

ভেক্টর ক্যালকুলাস: অবকলন, সমাকলন, বেগ ও ত্বরণVector calculus: differentiation, integration, velocity & acceleration

একটি কণার অবস্থান সময়ের সাথে বদলায়: r⃗(t)=(t2−1)i^+2t j^\vec{r}(t) = (t^2 - 1)\hat{i} + 2t\,\hat{j} মিটার। নিচে ▶ চাপো বা সময়ের স্লাইডার টানো — কণাটি নিজেই তার পথ আঁকবে, সাথে নীল বেগের তীর আর সবুজ ত্বরণের তীর:

-2-11234567-5-4-3-2-112345x (m)y (m)va
সময় t-2.40 s
বেগ (velocity)(-4.80, 2.00)
ত্বরণ (acceleration)(2.00, 0.00)
v ও a-এর কোণ (angle)157.4°

নীল বেগের তীর সবসময় হলুদ পথের গা ঘেঁষে (স্পর্শক বরাবর) থাকে, অথচ সবুজ ত্বরণ সবসময় ডান দিকে। কেন?

পথটি বাঁকছে, তবু নীল তীরটি কখনো পথ ছেড়ে বাইরে যায় না — সবসময় পথের গা ঘেঁষে থাকে। আর সবুজ ত্বরণ সারাক্ষণ একই দিকে, ডানে। কেন? উত্তর দেবে ভেক্টরের অবকলন (differentiation)। আর উল্টো কাজ — ছোট ছোট টুকরো জুড়ে মোট পাওয়া — হলো সমাকলন (integration)।

এই পাঠে ধাপে ধাপে এগোব:

  1. ক্যালকুলাস এক নজরে: অবকলন মানে হার (rate), সমাকলন মানে যোগফল (sum)
  2. ভেক্টরের অবকলন (derivative of a vector) — Δr থেকে dr
  3. বেগ (velocity) আর ত্বরণ (acceleration): v⃗=dr⃗/dt\vec{v} = d\vec{r}/dt, a⃗=dv⃗/dt\vec{a} = d\vec{v}/dt
  4. গুণফলের অবকলন (product rules): ডট আর ক্রস গুণন
  5. সমাকলন: লেখচিত্রের নিচের ক্ষেত্রফল, কাজ W=∫F dxW = \int F\,dx
  6. এবার নিজে করে দেখো — অবস্থান–বেগ–ত্বরণ ট্রেসার (position–velocity tracer)

ধাপ ১: ক্যালকুলাস এক নজরে

কোনো রাশি xx সময় tt-এর সাথে বদলালে, ছোট সময় Δt\Delta t-তে তার পরিবর্তন Δx\Delta x। গড় হার Δx/Δt\Delta x/\Delta t। এখন Δt\Delta t-কে ছোট থেকে আরও ছোট করো — যে মানের দিকে অনুপাতটি এগোয়, তা-ই অন্তরক (derivative):

dxdt=lim⁡Δt→0ΔxΔt\frac{dx}{dt} = \lim_{\Delta t \to 0} \frac{\Delta x}{\Delta t}

একে পড়ো “tt-এর সাপেক্ষে xx-এর অন্তরক” (derivative of xx with respect to tt) — অর্থাৎ tt বদলালে xx কত দ্রুত বদলায়। লেখচিত্রে এটি বক্ররেখার ওই বিন্দুতে স্পর্শকের ঢাল (slope of the tangent)।

সমাকলন (integration) ঠিক উল্টো দিক থেকে আসে: কোনো রাশিকে অনেকগুলো সরু ফালিতে ভাগ করে f Δxf\,\Delta x টুকরোগুলো যোগ করো, ফালি যত সরু, যোগফল তত নিখুঁত। সীমায় এই যোগফলই যোগজ (integral) — বক্ররেখার নিচের ক্ষেত্রফল:

∫abf(x) dx=lim⁡Δx→0∑f(x) Δx\int_a^b f(x)\,dx = \lim_{\Delta x \to 0} \sum f(x)\,\Delta x
ΔtΔxঅবকলন (differentiation)ঢাল = হার = lim Δx/Δtxtএকটি ফালি f Δxসমাকলন (integration)ক্ষেত্রফল = lim Σ f Δx
অবকলন ঢাল মাপে (কত দ্রুত বদলাচ্ছে), সমাকলন সরু ফালি জুড়ে ক্ষেত্রফল মাপে (মোট কতটা জমল)। একটি অন্যটির বিপরীত প্রক্রিয়া (inverse operation)।

এরা একে অপরের বিপরীত (inverse): যেমন ddx(sin⁡x)=cos⁡x\dfrac{d}{dx}(\sin x) = \cos x, আর ∫cos⁡x dx=sin⁡x+C\int \cos x\,dx = \sin x + C। আর ঘাতের (power) জন্য একটি কাজের নিয়ম:

ddt(tn)=n t n−1,ddt(const)=0\frac{d}{dt}\left(t^n\right) = n\,t^{\,n-1}, \qquad \frac{d}{dt}(\text{const}) = 0

যেমন ddt(3t2)=6t\dfrac{d}{dt}(3t^2) = 6t। মনে রাখো, এটি শুধু ঘাতের নিয়ম (power rule) — sin⁡t\sin t, ete^t, ln⁡t\ln t-এর মতো ফাংশনের নিজস্ব নিয়ম আছে।

নিজে যাচাই করো

x = 5t³ − 2t + 7 হলে dx/dt কত?

ধাপ ২: ভেক্টরের অবকলন

যে ভেক্টর সময়ের সাথে বদলায়, তাকে লেখো A⃗(t)=Ax(t) i^+Ay(t) j^+Az(t) k^\vec{A}(t) = A_x(t)\,\hat{i} + A_y(t)\,\hat{j} + A_z(t)\,\hat{k}। সময় Δt\Delta t-তে পরিবর্তন ΔA⃗\Delta\vec{A} নিজেও একটি ভেক্টর; তাকে Δt\Delta t (একটি স্কেলার) দিয়ে ভাগ করে সীমা নিলে পাই ভেক্টরের অন্তরক (derivative of a vector):

dA⃗dt=lim⁡Δt→0ΔA⃗Δt=dAxdt i^+dAydt j^+dAzdt k^\frac{d\vec{A}}{dt} = \lim_{\Delta t \to 0} \frac{\Delta\vec{A}}{\Delta t} = \frac{dA_x}{dt}\,\hat{i} + \frac{dA_y}{dt}\,\hat{j} + \frac{dA_z}{dt}\,\hat{k}

অর্থাৎ প্রতিটি উপাংশ (component) আলাদা করে অন্তরীকরণ করো। এটা চলে কারণ কার্তেসীয় অক্ষে (Cartesian axes) i^,j^,k^\hat{i}, \hat{j}, \hat{k} ধ্রুব — এদের মান আর দিক কখনো বদলায় না, তাই এদের অন্তরক শূন্য।

এবার অবস্থান ভেক্টর দিয়ে দেখো। P বিন্দুতে কণার অবস্থান r⃗(t)\vec{r}(t), একটু পরে Q বিন্দুতে r⃗(t+Δt)\vec{r}(t + \Delta t)। সরণ Δr⃗\Delta\vec{r} হলো P থেকে Q পর্যন্ত জ্যা (chord)। Δt ছোট করো:

-1123456-112345P (t)Q (t + Δt)Δr- - স্পর্শক (tangent)
Δt1.600 s
Δr/Δt — গড় বেগ (average velocity)(3.20, 2.00)
v = dr/dt — তাৎক্ষণিক (instantaneous)(1.60, 2.00)
জ্যা ও স্পর্শকের কোণ (angle)19.33°

প্রথম স্লাইডার টেনে Δt ছোট করো — কমলা জ্যা Δr কোন দিকে ঘুরছে দেখো।

Δt যত ছোট, Q তত P-এর কাছে, আর জ্যা Δr ঘুরে ঘুরে P বিন্দুর স্পর্শকের (tangent) ওপর শুয়ে পড়ে। তাই সীমায় dr⃗/dtd\vec{r}/dt সবসময় পথের স্পর্শক বরাবর — শুরুর প্রশ্নের উত্তর এটাই।

নিজে যাচাই করো

A = 4t²î − 3tĵ + 2k̂ হলে dA/dt কোনটি?

ধাপ ৩: বেগ আর ত্বরণ

অবস্থান ভেক্টরের সময়-অন্তরক বেগ (velocity), আর বেগের সময়-অন্তরক ত্বরণ (acceleration):

v⃗=dr⃗dt=dxdti^+dydtj^+dzdtk^,a⃗=dv⃗dt=d2r⃗dt2\vec{v} = \frac{d\vec{r}}{dt} = \frac{dx}{dt}\hat{i} + \frac{dy}{dt}\hat{j} + \frac{dz}{dt}\hat{k}, \qquad \vec{a} = \frac{d\vec{v}}{dt} = \frac{d^2\vec{r}}{dt^2}

বেগ পথের স্পর্শক বরাবর, গতির দিকে; এর মান ∣v⃗∣|\vec{v}| হলো দ্রুতি (speed)। ত্বরণ পথের দিকে বাঁধা নয় — বেগ যেদিকে বদলাচ্ছে সেদিকে, বাঁকা পথে বাঁকের ভেতরের দিকে ঝুঁকে।

OPrvaস্পর্শক (tangent)পথ (path)
বেগ (velocity) সবসময় পথের স্পর্শক বরাবর, গতির দিকে। ত্বরণ (acceleration) পথের বাঁকের ভেতরের দিকে ঝুঁকে থাকে — বেগ যেদিকে বদলাচ্ছে সেদিকে।

উদাহরণ (বইয়ের উদাহরণ ২.১০-৩): একটি কণার অবস্থান x=3t2x = 3t^2, y=t2−2ty = t^2 - 2t, z=3t−4z = 3t - 4 (মিটারে)। t=2t = 2 s-এ বেগ ও ত্বরণ কত?

v⃗=6t i^+(2t−2) j^+3 k^  ⇒  v⃗(2)=12i^+2j^+3k^\vec{v} = 6t\,\hat{i} + (2t - 2)\,\hat{j} + 3\,\hat{k} \;\Rightarrow\; \vec{v}(2) = 12\hat{i} + 2\hat{j} + 3\hat{k} ∣v⃗∣=122+22+32=157=12.53 m s−1|\vec{v}| = \sqrt{12^2 + 2^2 + 3^2} = \sqrt{157} = 12.53\ \text{m s}^{-1} a⃗=6i^+2j^  (constant),∣a⃗∣=40=6.32 m s−2\vec{a} = 6\hat{i} + 2\hat{j} \;(\text{constant}), \qquad |\vec{a}| = \sqrt{40} = 6.32\ \text{m s}^{-2}

শুরুর পরাবৃত্তে r⃗=(t2−1)i^+2t j^\vec{r} = (t^2 - 1)\hat{i} + 2t\,\hat{j}, তাই v⃗=2t i^+2j^\vec{v} = 2t\,\hat{i} + 2\hat{j} আর a⃗=2i^\vec{a} = 2\hat{i} — ত্বরণ ধ্রুব, সবসময় +x দিকে। সেজন্যই সবুজ তীর কখনো ঘোরেনি। পথের সমীকরণ পেতে tt বাদ দাও: y=2t⇒t=y/2y = 2t \Rightarrow t = y/2, তাই x=y2/4−1x = y^2/4 - 1, অর্থাৎ y2=4(x+1)y^2 = 4(x + 1) — একটি পরাবৃত্ত (parabola)।

নিজে যাচাই করো

r = t³î − 6t²ĵ + 5tk̂ হলে t = 3 s-এ বেগ কত?

ধাপ ৪: গুণফলের অবকলন

সাধারণ গুণফলের মতোই ভেক্টরের ডট ও ক্রস গুণফলেরও গুণন নিয়ম (product rule) আছে:

ddt(A⃗⋅B⃗)=A⃗⋅dB⃗dt+dA⃗dt⋅B⃗\frac{d}{dt}(\vec{A}\cdot\vec{B}) = \vec{A}\cdot\frac{d\vec{B}}{dt} + \frac{d\vec{A}}{dt}\cdot\vec{B} ddt(A⃗×B⃗)=A⃗×dB⃗dt+dA⃗dt×B⃗\frac{d}{dt}(\vec{A}\times\vec{B}) = \vec{A}\times\frac{d\vec{B}}{dt} + \frac{d\vec{A}}{dt}\times\vec{B}

ক্রস গুণনে ক্রম (order) ঠিক রাখতে হবে — A⃗×B⃗=−B⃗×A⃗\vec{A}\times\vec{B} = -\vec{B}\times\vec{A}, তাই ক্রম উল্টালে চিহ্ন উল্টে যায়। ডট গুণনে ক্রম বদলালে কিছু হয় না।

উদাহরণ: A⃗=t2i^−t j^+(2t+1)k^\vec{A} = t^2\hat{i} - t\,\hat{j} + (2t + 1)\hat{k}, B⃗=5t i^+t j^−t3k^\vec{B} = 5t\,\hat{i} + t\,\hat{j} - t^3\hat{k}। তাহলে A⃗⋅B⃗=5t3−t2−2t4−t3=4t3−2t4−t2\vec{A}\cdot\vec{B} = 5t^3 - t^2 - 2t^4 - t^3 = 4t^3 - 2t^4 - t^2, আর

ddt(A⃗⋅B⃗)=12t2−8t3−2t,t=1 এ 12−8−2=2\frac{d}{dt}(\vec{A}\cdot\vec{B}) = 12t^2 - 8t^3 - 2t, \qquad t = 1 \text{ এ } 12 - 8 - 2 = 2

একটি গুরুত্বপূর্ণ ফল: কোনো ভেক্টরের মান ধ্রুব হলে A⃗⋅A⃗=A2\vec{A}\cdot\vec{A} = A^2 ধ্রুব, তাই

ddt(A⃗⋅A⃗)=2A⃗⋅dA⃗dt=0  ⇒  dA⃗dt⊥A⃗\frac{d}{dt}(\vec{A}\cdot\vec{A}) = 2\vec{A}\cdot\frac{d\vec{A}}{dt} = 0 \;\Rightarrow\; \frac{d\vec{A}}{dt} \perp \vec{A}

সুষম বৃত্তীয় গতিতে (uniform circular motion) অবস্থান ভেক্টরের মান সবসময় ব্যাসার্ধ — তাই বেগ সবসময় ব্যাসার্ধের লম্ব। একই যুক্তিতে, দ্রুতি ধ্রুব থাকলে ত্বরণ বেগের লম্ব — ত্বরণ তখন শুধু দিক বদলায়।

Orva|r| ধ্রুব (constant)⇒ r · v = 0⇒ v ⊥ r (90°)
বৃত্তে ঘোরা কণার অবস্থান ভেক্টরের মান সবসময় ব্যাসার্ধ, তাই তার অবকলন (বেগ) তার সাথে লম্ব। ত্বরণ কেন্দ্রের দিকে — কেন্দ্রমুখী (centripetal)।
নিজে যাচাই করো

একটি কণা সমদ্রুতিতে বৃত্তপথে ঘুরছে। বেগ v আর অবস্থান ভেক্টর r-এর (কেন্দ্র থেকে) মধ্যে কোণ কত?

ধাপ ৫: সমাকলন — লেখচিত্রের নিচের ক্ষেত্রফল

অবকলনের উল্টো পথে হাঁটো। বেগ জানা থাকলে সরণ পাওয়া যায় ছোট ছোট সরণ v⃗ Δt\vec{v}\,\Delta t যোগ করে — অর্থাৎ বেগ–সময় লেখচিত্রের নিচের ক্ষেত্রফল: s⃗=∫v⃗ dt\vec{s} = \int \vec{v}\,dt।

একইভাবে, বল FF যদি সরণ xx-এর সাথে বদলায় (যেমন স্প্রিং টানলে), তাহলে ছোট সরণ Δx\Delta x-এ কাজ প্রায় F ΔxF\,\Delta x। সব টুকরো যোগ করে সীমা নিলে কাজ (work):

W=∫x1x2F dx= বল–সরণ লেখচিত্রের নিচের ক্ষেত্রফলW = \int_{x_1}^{x_2} F\,dx \quad = \text{ বল–সরণ লেখচিত্রের নিচের ক্ষেত্রফল}

বল ধ্রুব হলে ক্ষেত্রফলটি আয়তক্ষেত্র, W=FsW = F s। স্প্রিংয়ে F=kxF = kx, ক্ষেত্রফল ত্রিভুজ: W=∫0xkx dx=12kx2W = \int_0^x kx\,dx = \tfrac{1}{2}kx^2। নিচে বল বেছে নাও, ফালির সংখ্যা বাড়াও:

0246810120.511.52সরণ x (m)বল F (N)
N2
Σ F Δx — ফালির যোগফল (sum)3.000 J
∫ F dx — আসল কাজ (exact work)6.000 J
ত্রুটি (error)50.00 %

N বাড়াও (স্লাইডার), আর হলুদ বিন্দু টেনে সরণ বদলাও — ফালিগুলো কখন বক্ররেখা পুরো ঢেকে দেয়?

নিজে যাচাই করো

F = 3x² N বল x = 0 থেকে x = 2 m পর্যন্ত কত কাজ করে?

ধাপ ৬: এবার নিজে করে দেখো

নিচের ট্রেসারে তিনটি ট্যাব:

অবস্থান–বেগ–ত্বরণ ট্রেসার

Position–velocity tracer: d/dt, product rules, ∫F dx
↗
-2246-4-224xyvaতীর স্কেলে নয় (arrows not to grid scale)
সময় t-2.40 s
দ্রুতি |v| (speed)5.20
|a|2.00
v ও a-এর কোণ157.4°

চ্যালেঞ্জ (challenges)

0/6
  1. বইয়ের উদা. ২.১০-৩: r = 3t²i + (t² − 2t)j + (3t − 4)k — t = 2 s-এ v আর a বের করো।
  2. গুণফল ট্যাবে A = t²i − tj + (2t+1)k, B = 5ti + tj − t³k নিয়ে t = 1-এ d(A·B)/dt দেখো।
  3. বৃত্ত (circle) বেছে অন্তত তিনটি আলাদা সময়ে r আর v-এর কোণ দেখো।
  4. প্রক্ষেপকে (projectile) কোন সময়ে বেগ ত্বরণের লম্ব? সময় স্লাইডার টেনে খুঁজে বের করো।
  5. সমাকলন ট্যাবে F = 3x², x = 0 থেকে 2 m — কাজ 0.01 J-এর মধ্যে মেলাও (N বাড়াও)।
  6. r = t³i − 6t²j + 5tk — t = 3 s-এ দ্রুতি |v| কত?

পর্যবেক্ষণ খাতা (observation notebook)

এখনো কিছু লেখা হয়নি। গতি ট্যাবে সময় বেছে “খাতায় লেখো” চাপো।

বই পড়ার সময় সাবধান — পাঠ্যবইয়ের এই অংশে কিছু ভুল আর অসম্পূর্ণ কথা আছে:

  • অন্তরকের সংজ্ঞা (পৃ. 108): “t এর সাপেক্ষে x এর পরিবর্তনের হারকে x-এর সাপেক্ষে t-এর অন্তরক dx/dt বলে” — উল্টো লেখা। dx/dtdx/dt হলো tt-এর সাপেক্ষে xx-এর অন্তরক।
  • “অন্তরীকরণের সাধারণ নিয়ম” (পৃ. 108): “ঘাত দিয়ে গুণ করে ঘাত থেকে 1 বিয়োগ” — এটি সব স্কেলারের সাধারণ নিয়ম নয়, শুধু ঘাতের নিয়ম d(tn)/dt=ntn−1d(t^n)/dt = nt^{n-1}। sin⁡t\sin t বা ete^t-এ এভাবে চলে না।
  • উদাহরণ ২.১০-৩ (পৃ. 109): প্রশ্নে বেগ ও ত্বরণের মান চাওয়া হলেও স্ক্যানে মান পর্যন্ত সমাধান নেই। সঠিক: ∣v⃗∣=157=12.53|\vec{v}| = \sqrt{157} = 12.53 m/s, ∣a⃗∣=40=6.32|\vec{a}| = \sqrt{40} = 6.32 m/s²।
  • ডেল (∇) (পৃ. 107): “∇-এরও ভেক্টর ধর্ম রয়েছে”, “∇² একটি স্কেলার রাশি” — ∇ একটি ভেক্টর অপারেটর (operator), কোনো রাশি নয়; ∇⋅A⃗≠A⃗⋅∇\nabla\cdot\vec{A} \neq \vec{A}\cdot\nabla। ∇² একটি স্কেলার অপারেটর। (বিস্তারিত পরের পাঠে।)
  • গাণিতিক প্রশ্ন 107 (পৃ. 170): r⃗=t3i^−6t2j^+5tk^\vec{r} = t^3\hat{i} - 6t^2\hat{j} + 5t\hat{k}, t=3t = 3-এ ছাপা উত্তর √468 — এটি ত্বরণের মান (∣18i^−12j^∣|18\hat{i} - 12\hat{j}|)। প্রশ্নে দ্রুতি চাইলে উত্তর √2050 = 45.28। কোনটি চাওয়া হয়েছে, প্রশ্ন দেখে মিলিয়ে নাও।

ঘরে বসে পরীক্ষা: মার্বেলের পথে Δr তীর

তোমার লাগবে: একটি লম্বা কার্ডবোর্ডের ফালি, একটি মার্বেল, একটু আটা বা চক-গুঁড়া, আর একটি ফোন (স্লো-মোশন ভিডিও থাকলে ভালো)।

  1. কার্ডবোর্ডের ফালিটি বাঁকিয়ে মেঝেতে একটি বাঁকা নালা (track) বানাও; বই দিয়ে দুই পাশ ঠেকিয়ে রাখো। নালায় হালকা আটা ছিটিয়ে দাও।
  2. একটু উঁচু থেকে মার্বেল ছেড়ে দাও, আর ওপর থেকে ফোনে ভিডিও করো — মার্বেলের দাগ আটায় পথ এঁকে রাখবে।
  3. ভিডিও থামিয়ে থামিয়ে প্রতি কয়েক ফ্রেমে মার্বেলের অবস্থান একটি স্বচ্ছ কাগজে (বা স্ক্রিনশটে) বিন্দু দিয়ে চিহ্নিত করো।
  4. পরপর বিন্দুগুলো তীর দিয়ে জোড়ো — এরা Δr। দেখো: তীরগুলো নালা বরাবর সারি বেঁধে থাকে (বেগ স্পর্শক বরাবর), আর যেখানে মার্বেল জোরে চলে সেখানে তীর লম্বা (সমান ফ্রেম-ব্যবধানে বেশি সরণ = বেশি বেগ)।

নিরাপত্তা: মার্বেল ছোট শিশুদের নাগালের বাইরে রাখো — গিলে ফেলার ঝুঁকি আছে। কাজ শেষে মেঝে থেকে মার্বেল ও আটা পরিষ্কার করো, যাতে কেউ পিছলে না পড়ে।

পরীক্ষার প্রস্তুতি

১. ভেক্টরের অন্তরক (derivative of a vector) কাকে বলে? A⃗=Axi^+Ayj^+Azk^\vec{A} = A_x\hat{i} + A_y\hat{j} + A_z\hat{k} হলে dA⃗/dtd\vec{A}/dt লেখো। একক ভেক্টরগুলোর অন্তরক কেন আসে না?

উত্তর দেখো

সময় (বা অন্য কোনো স্কেলার) সামান্য Δt\Delta t বদলালে ভেক্টরের পরিবর্তন ΔA⃗\Delta\vec{A}; Δt→0\Delta t \to 0 সীমায় ΔA⃗/Δt\Delta\vec{A}/\Delta t-এর মানই ভেক্টরের অন্তরক:

dA⃗dt=lim⁡Δt→0ΔA⃗Δt=dAxdti^+dAydtj^+dAzdtk^\frac{d\vec{A}}{dt} = \lim_{\Delta t\to 0}\frac{\Delta\vec{A}}{\Delta t} = \frac{dA_x}{dt}\hat{i} + \frac{dA_y}{dt}\hat{j} + \frac{dA_z}{dt}\hat{k}

কার্তেসীয় অক্ষে i^,j^,k^\hat{i}, \hat{j}, \hat{k}-এর মান (1) আর দিক দুটোই ধ্রুব, তাই এদের অন্তরক শূন্য — শুধু উপাংশগুলোর অন্তরক থাকে। ফলটিও একটি ভেক্টর।

২. একটি কণার অবস্থান r⃗=3t2i^+(t2−2t)j^+(3t−4)k^\vec{r} = 3t^2\hat{i} + (t^2 - 2t)\hat{j} + (3t - 4)\hat{k} m। t=2t = 2 s-এ কণাটির (ক) বেগ ও দ্রুতি, (খ) ত্বরণ ও তার মান নির্ণয় করো।

উত্তর দেখো

v⃗=6ti^+(2t−2)j^+3k^\vec{v} = 6t\hat{i} + (2t - 2)\hat{j} + 3\hat{k}, তাই v⃗(2)=12i^+2j^+3k^\vec{v}(2) = 12\hat{i} + 2\hat{j} + 3\hat{k}; দ্রুতি 144+4+9=157=12.53\sqrt{144 + 4 + 9} = \sqrt{157} = 12.53 m s⁻¹।

a⃗=6i^+2j^\vec{a} = 6\hat{i} + 2\hat{j} (ধ্রুব); ∣a⃗∣=36+4=40=6.32|\vec{a}| = \sqrt{36 + 4} = \sqrt{40} = 6.32 m s⁻²।

৩. A⃗=t2i^−tj^+(2t+1)k^\vec{A} = t^2\hat{i} - t\hat{j} + (2t + 1)\hat{k} এবং B⃗=5ti^+tj^−t3k^\vec{B} = 5t\hat{i} + t\hat{j} - t^3\hat{k}। (ক) t=1t = 1-এ ddt(A⃗⋅B⃗)\dfrac{d}{dt}(\vec{A}\cdot\vec{B}) নির্ণয় করো। (খ) ddt(A⃗×B⃗)\dfrac{d}{dt}(\vec{A}\times\vec{B}) বের করো।

উত্তর দেখো

(ক) A⃗⋅B⃗=5t3−t2−(2t+1)t3=4t3−2t4−t2\vec{A}\cdot\vec{B} = 5t^3 - t^2 - (2t+1)t^3 = 4t^3 - 2t^4 - t^2, তাই অন্তরক 12t2−8t3−2t12t^2 - 8t^3 - 2t; t=1t = 1-এ =2= 2। গুণন নিয়মে A⃗⋅B⃗˙+A⃗˙⋅B⃗\vec{A}\cdot\dot{\vec{B}} + \dot{\vec{A}}\cdot\vec{B} দিয়েও একই আসে।

(খ) A⃗×B⃗=(t4−2t2−t)i^+(t5+10t2+5t)j^+(t3+5t2)k^\vec{A}\times\vec{B} = (t^4 - 2t^2 - t)\hat{i} + (t^5 + 10t^2 + 5t)\hat{j} + (t^3 + 5t^2)\hat{k}, তাই

ddt(A⃗×B⃗)=(4t3−4t−1)i^+(5t4+20t+5)j^+(3t2+10t)k^\frac{d}{dt}(\vec{A}\times\vec{B}) = (4t^3 - 4t - 1)\hat{i} + (5t^4 + 20t + 5)\hat{j} + (3t^2 + 10t)\hat{k}

৪. প্রমাণ করো: কোনো ভেক্টরের মান ধ্রুব হলে তার অন্তরক ভেক্টরটির লম্ব। সুষম বৃত্তীয় গতিতে এর অর্থ কী?

উত্তর দেখো

A⃗⋅A⃗=A2=\vec{A}\cdot\vec{A} = A^2 = ধ্রুব। দুই পাশে অন্তরীকরণ: A⃗⋅dA⃗dt+dA⃗dt⋅A⃗=2A⃗⋅dA⃗dt=0\vec{A}\cdot\dfrac{d\vec{A}}{dt} + \dfrac{d\vec{A}}{dt}\cdot\vec{A} = 2\vec{A}\cdot\dfrac{d\vec{A}}{dt} = 0। দুটি অশূন্য ভেক্টরের ডট গুণফল শূন্য মানে তারা লম্ব। সুষম বৃত্তীয় গতিতে ∣r⃗∣=R|\vec{r}| = R ধ্রুব, তাই v⃗⊥r⃗\vec{v} \perp \vec{r} (বেগ স্পর্শক বরাবর); আবার ∣v⃗∣|\vec{v}| ধ্রুব, তাই a⃗⊥v⃗\vec{a} \perp \vec{v} — ত্বরণ কেন্দ্রের দিকে।

৫. একটি বল F=3x2F = 3x^2 N একটি বস্তুকে x=0x = 0 থেকে x=2x = 2 m পর্যন্ত সরায়। কৃতকাজ নির্ণয় করো এবং দেখাও যে এটি F–x লেখচিত্রের নিচের ক্ষেত্রফল। স্প্রিংয়ের (F=kxF = kx) ক্ষেত্রে কাজের রাশিমালা কী?

উত্তর দেখো

W=∫023x2 dx=[x3]02=8W = \int_0^2 3x^2\,dx = [x^3]_0^2 = 8 J। ছোট সরণ dxdx-এ কাজ F dxF\,dx = সরু ফালির ক্ষেত্রফল; সব ফালির যোগফলই লেখচিত্রের নিচের ক্ষেত্রফল। স্প্রিংয়ে W=∫0xkx dx=12kx2W = \int_0^x kx\,dx = \tfrac{1}{2}kx^2 — ত্রিভুজের ক্ষেত্রফল (12×x×kx\tfrac{1}{2}\times x \times kx)।

৬. (ক) অপারেটর (operator) কী? (খ) একটি কণার অবস্থান r⃗=(t2−1)i^+2tj^\vec{r} = (t^2 - 1)\hat{i} + 2t\hat{j} m। এর গতিপথের সমীকরণ নির্ণয় করো এবং দেখাও যে ত্বরণ ধ্রুব।

উত্তর দেখো

(ক) অপারেটর এমন একটি গাণিতিক নির্দেশ, যা কোনো ফাংশনের ওপর প্রয়োগ করলে নতুন ফাংশন দেয় — নিজে কোনো রাশি নয়। যেমন ddt\dfrac{d}{dt} একটি অপারেটর: x(t)x(t)-এর ওপর বসালে পাই dx/dtdx/dt। ডেল ∇\nabla একটি ভেক্টর অপারেটর।

(খ) x=t2−1x = t^2 - 1, y=2t⇒t=y/2y = 2t \Rightarrow t = y/2, তাই x=y2/4−1x = y^2/4 - 1, অর্থাৎ y2=4(x+1)y^2 = 4(x + 1) — একটি পরাবৃত্ত। v⃗=2ti^+2j^\vec{v} = 2t\hat{i} + 2\hat{j}, a⃗=2i^\vec{a} = 2\hat{i} — সময়ের ওপর নির্ভর করে না, তাই ত্বরণ ধ্রুব (মান 2 m s⁻², +x দিকে)।