আচ্ছা বলুন তো $π^e$ আর $e^π$ এর কোনটা বেশি বড়? কিংবা $30^{31}$ আর $31^{30}$ এর কোনটি বড়?
একটু ঘাবড়ে গিয়ে হাতে ক্যালকুলেটর নিচ্ছেন? এর বদলে একটু মাথা ঘামানো যাক।
এই পোস্টে আমি চেষ্টা করবো $a^b$ নাকি $b^a$ বড় এরকম সমস্যাগুলোর একটা সাধারণ সমাধান দিতে।
একটি ফাংশন বিবেচনা করি, $ f(x)= x^\frac{1}{x} $
এই ফাংশনটির গ্রাফ কেমন হবে তা অ্যানালাইসিস করা যাক।
y=f(x) ধরি। তাহলে $ln(y)= \frac{ln(x)}{x}$
এখন উভয়পক্ষকে x সাপেক্ষে ব্যবকলন করে পাই, $\frac{y’}{y}=\frac{1-ln(x)}{x^2}$
কাজেই $f'(x)=\frac{f(x)}{x^2}(1-ln(x))$
যদি $x \geq 0$ হয় তবে $f(x) \geq 0$, কাজেই f'(x) এর চিহ্ন (1-lnx) এর ওপর নির্ভর করে।
$(0,e)$ ব্যবধিতে $ln(x) \leq 1$ , কাজেই f'(x) এই $(0,e)$ ব্যবধিতে পজিটিভ, অর্থাৎ এই ইন্টারভ্যালে x বাড়ালে f(x) বাড়ে।
আবার x=e তে $f'(x)=0$ , অর্থাৎ f(x) সর্বোচ্চ হয়।
আর $x \geq e$ এর জন্য আবার $ln(x) >1$ , কাজেই তখন x বাড়লে f(x) কমে। সব মিলিয়ে গ্রাফ হয় নিচের মতো।
এখন তাহলে a<b≤e এর জন্য আমরা বলতেই পারি, এই অংশে f(x) যেহেতু increasing, কাজেই $b^\frac{1}{b}>a^\frac{1}{a}$ বা, $b^a>a^b$ , অর্থাৎ e এর চেয়ে ছোট সংখ্যাগুলোর জন্য বেজ বড় যার সেই বড়।
যেমন $2^1>1^2$
আবার a>b≥e এর জন্য ফাংশন decreasing, কাজেই এক্ষেত্রে উল্টাটা, মানে ছোট বেজ যার সেই বড় হবে।
কাজেই $30^{31}>31^{30}$ হবে।
আর যদি a,b এখানে e এর দুই দিকে অবস্থিত হয়, তবে এক্ষেত্রে এতো সহজে ডিসিশন নেয়া যাবে না।
ধরি a<e, b>e
তাহলে এখন $a^b$ আর $b^a$ এর তুলনা করতে হলে বেশ কয়েকটি জিনিস ভাবতে হবে।
যদি $a^b>b^a$ হয়, তবে $a^\frac{1}{a}>b^\frac{1}{b} ⇒ f(a)>f(b)$ হতে হবে।
গ্রাফ থেকে এটা পরিষ্কার যে এক্ষেত্রে প্রতিটা x=a এর জন্য x=e এর অপর পাশে একটা করেস্পন্ডেন্ট x=c আছে।
তাহলে ধরি f(a)=f(c)
বা, $a^c=c^a$
তাহলে b>c নাকি b<c তার ওপর নির্ভর করে বলতে হবে $a^b$ ও $b^a$ এর কোনটা বড়।
এখন তার জন্য আবার আরেকটা ঝামেলা এসে উপস্থিত।
এর জন্য $x^y=y^x$ এর সমাধান করতে হবে, যেখানে x≠y
এটা ম্যাথের একটা ক্লাসিক প্রবলেম! সমস্যাটি নিয়ে বার্নুলি, গোল্ডবাক, ইউলার অনেকেই কাজ করেছেন।
আমরা সবাই জানি (2,4),(4,2) হলো x≠y এর জন্য একটি সমাধান, আর x=y একটি ট্রিভিয়াল সল্যুশন, এটি নিয়ে তাই মাথা ঘামানোর দরকার বোধ করছি না।
এখন তাহলে আমরা x≠y এর জন্য সমাধান বের করবো। এখন এদের যেকোন একটি বড়, ধরে নেই x বড়। তাহলে ধরি x=ky, এখানে k>1
এবার তাহলে $x^y=y^x$ থেকে বলা যায় $(ky)^y= y^{ky}$
উভয়পক্ষে ln() নিয়ে পাই,
y[ln(y)+ln(k)]= ky.ln(y)
এখন y≠0 , কেননা এতে x=0 হবে। কিন্তু আমরা x≠y খুঁজছি।
কাজেই, ln(y)+ln(k)=k.ln(y)
অতএব $ln(y)= \frac{ln(k)}{k-1}$
এখন k>1 বিধায়, ধরি k=1+1/n , যেখানে n>0
তাহলে, $ln(y)=n.ln(1+1/n)= ln((1+1/n)^n)$
সুতরাং $y=(1+1/n)^n$ …………(i)
আর $x=k.y=(1+1/n)^{n+1}$ ……….. (ii)
এখন n এর বিভিন্ন মানের জন্য আমরা (x,y) ক্রমজোড় নিয়ে একটি গ্রাফ পাবো। আর x=y ট্রিভিয়াল সল্যুশন দিবে একটি সরলরেখা। এই সরলরেখা সাপেক্ষে আগের কার্ভের ইমেজ নিলে পেয়ে যাবো কাঙ্খিত গ্রাফ (কেননা y=kx ও হতে পারে)
সব মিলিয়ে সমাধানের গ্রাফটা এরকম হয়:
যাহোক, এতোক্ষণ আমরা জেনারেল সল্যুশন পেয়ে গেলাম।
এখন আমরা খেয়াল করি (i) ,(ii) পূর্ণসংখ্যা হতে গেলে n=1 হতে হবে, নাহলে (1+1/n) ভগ্নাংশ হবে।
কাজেই n=1 এর জন্য (4,2) , তদ্রুপে (2,4) এর পূর্ণসংখ্যায় সমাধান। এর বাইরে কোন পূর্ণসংখ্যায় সমাধান নেই।
যাহোক, (x,y) এর মূলদ সমাধান থাকার শর্ত n পূর্ণসংখ্যা হতে হবে। n ভগ্নাংশ হলে root চলে আসবে, যা সচারচর অমূলদ হয়, আমরা সবাই জানি। এর কড়াকড়ি প্রমাণে আপাতত যাচ্ছি না। কেউ কমপ্লেক্স সল্যুশন জানতে চাইলে অন্যভাবে আগাতে হবে, কেননা আমরা এতোক্ষণ x,y বাস্তব ধরেই এগিয়েছি।
এবার এখান থেকে একটু ভেবে বলুন $π^e,e^π$ এর মাঝে কোনটি বড় হবে?
পুনশ্চ: ‘বর্গমূল’ ব্লগে এটি আমার প্রথম পোস্ট। গণিত নিয়ে খুব বেশি একটা জানি নে, তাই কঠিন কোন টপিকস নিয়ে আসলে লেখার সাহস পেলাম না। ইচ্ছা ছিল এবস্ট্র্যাক্ট এলজেব্রা নিয়ে লেখার। সামনে দেখা যাক লেখা হয় কিনা।
1 comment
Author
@ঝিলমিল k=1+1/n, আপনি (i) থেকে y জানেন। এবার x=ky করলেই x পেয়ে যাবেন।