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IGNOU MPH-001 Solved Question Paper PDF Download

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IGNOU MPH-001 Solved Question Paper PDF

IGNOU Previous Year Solved Question Papers

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IGNOU MPH-001 Previous Year Solved Question Paper in Hindi

Q1. एक समान छड़ में ऊष्मा प्रवाह पर विचार करें जिसकी लंबाई L है और इसकी लंबाई के अनुदिश यह ऊष्मारोधी है। छड़ का तापमान एक-विमीय ऊष्मा विसरण समीकरण द्वारा प्रतिरूपित है: 4+6 ∂T(x,t)/∂t = K ∂²T(x,t)/∂x² (0 < x < L, t > 0) (i) समीकरण को दो साधारण अवकल समीकरणों (ODEs) में पृथक करें। (ii) यदि प्रारंभिक तापमान वितरण निम्न द्वारा दिया गया है: T(x,0) = (2L – x) (0 < x < L) तो T(x,t) पर दी गई परिसीमा शर्तों के लिए ऊष्मा समीकरण को हल करें: T(0,t) = 0 और ∂T(L,t)/∂x = 0, t ≥ 0

Ans. (i) समीकरण का पृथक्करण

दिया गया एक-विमीय ऊष्मा विसरण समीकरण है:

∂T/∂t = K ∂²T/∂x²

हम चरों के पृथक्करण की विधि का उपयोग करते हैं और मान लेते हैं कि हल इस रूप का है: T(x,t) = X(x)Θ(t)

जहाँ X केवल x का फलन है और Θ केवल t का फलन है। इसको ऊष्मा समीकरण में प्रतिस्थापित करने पर, हम प्राप्त करते हैं:

X(x) dΘ(t)/dt = K Θ(t) d²X(x)/dx²

चरों को पृथक करने के लिए समीकरण को K X(x)Θ(t) से विभाजित करने पर:

(1/KΘ) dΘ/dt = (1/X) d²X/dx²

चूंकि बायां पक्ष केवल t पर निर्भर करता है और दायां पक्ष केवल x पर निर्भर करता है, इसलिए दोनों पक्षों को एक स्थिरांक के बराबर होना चाहिए, जिसे हम -λ² कहते हैं (ऋणात्मक स्थिरांक भौतिक रूप से अर्थपूर्ण, गैर-तुच्छ हलों की ओर ले जाता है)।

इससे दो साधारण अवकल समीकरण (ODEs) प्राप्त होते हैं:

1. स्थानिक समीकरण: d²X/dx² + λ²X = 0

2. कालिक समीकरण: dΘ/dt + Kλ²Θ = 0

ये दिए गए आंशिक अवकल समीकरण के लिए दो पृथक ODEs हैं।

(ii) परिसीमा मान समस्या का हल

पहले, हम स्थानिक समीकरण X(x) को दी गई परिसीमा शर्तों के साथ हल करते हैं।

परिसीमा शर्तें हैं T(0,t) = 0 और ∂T(L,t)/∂x = 0।

T(x,t) = X(x)Θ(t) के रूप में, यह X(0)Θ(t) = 0 और X'(L)Θ(t) = 0 में रूपांतरित होता है। चूंकि Θ(t) तुच्छ रूप से शून्य नहीं हो सकता, हमें मिलता है:

X(0) = 0 और X'(L) = 0

स्थानिक समीकरण d²X/dx² + λ²X = 0 का सामान्य हल है:

X(x) = A cos(λx) + B sin(λx)

पहली परिसीमा शर्त X(0) = 0 को लागू करने पर:

X(0) = A cos(0) + B sin(0) = A = 0

तो, X(x) = B sin(λx)।

दूसरी परिसीमा शर्त X'(L) = 0 को लागू करने पर:

X'(x) = Bλ cos(λx) ⇒ X'(L) = Bλ cos(λL) = 0

एक गैर-तुच्छ हल के लिए B ≠ 0, इसलिए cos(λL) = 0।

यह देता है λL = (2n-1)π/2, जहाँ n = 1, 2, 3, …

तो, आइगेनमान हैं λ_n = (2n-1)π / (2L)

और संबंधित आइगेनफलन हैं X_n(x) = sin((2n-1)πx / (2L)) ।

अब कालिक समीकरण dΘ/dt + Kλ_n²Θ = 0 को हल करते हैं। इसका हल है:

Θ_n(t) = C_n e^(-Kλ_n²t)

ऊष्मा समीकरण का सामान्य हल अध्यारोपण सिद्धांत द्वारा दिया गया है:

T(x,t) = Σ[n=1 to ∞] X_n(x)Θ_n(t) = Σ[n=1 to ∞] B_n sin((2n-1)πx / (2L)) e^(-K((2n-1)π/2L)²t)

जहाँ B_n = B * C_n एक नया स्थिरांक है।

गुणांक B_n को प्रारंभिक शर्त T(x,0) = (2L-x) का उपयोग करके निर्धारित किया जाता है:

T(x,0) = Σ[n=1 to ∞] B_n sin((2n-1)πx / (2L)) = (2L-x)

यह फलन (2L-x) के लिए फूरियर ज्या श्रेणी है। गुणांक B_n द्वारा दिए गए हैं:

B_n = (2/L) ∫[0 to L] (2L-x) sin((2n-1)πx / (2L)) dx

समाकलन करने पर:

B_n = (2/L) [ (2L-x) (-2L/(2n-1)π)cos((2n-1)πx/2L) |[0 to L] – ∫[0 to L] (-1) (-2L/(2n-1)π)cos((2n-1)πx/2L) dx ]

B_n = (2/L) [ (L 0) – (2L -2L/(2n-1)π) – (2L/(2n-1)π) * (2L/(2n-1)π)sin((2n-1)πx/2L) |[0 to L] ]

B_n = (2/L) [ 4L²/(2n-1)π – (4L²/(2n-1)²π²) * sin((2n-1)π/2) ]

B_n = 8L/((2n-1)π) – (8L/(2n-1)²π²) (-1)^(n+1)

अंतिम हल है:

T(x,t) = Σ[n=1 to ∞] [8L/((2n-1)π) + (8L(-1)^n)/((2n-1)²π²)] sin((2n-1)πx/2L) e^(-K((2n-1)π/2L)²t)

Q2. (a) प्रथम प्रकार और पूर्णांक कोटि के बेसेल फलनों के लिए जनक फलन निम्न द्वारा दिया गया है: 5 g(x,t) = e^((x/2)(t – 1/t)) = Σ[n=-∞ to +∞] J_n(x)t^n दिखाएँ कि: J₀(x) + 2J₂(x) + 2J₄(x) + … = 1 (नोट: प्रश्न पत्र में मुद्रण त्रुटि हो सकती है। मानक पहचान सिद्ध की जाएगी।) (b) प्रथम प्रकार के कोटि m के बेसेल फलन के लिए व्यंजक दिया गया है: 5 J_m(x) = Σ[k=0 to ∞] (-1)^k / (k! Γ(k+m+1)) * (x/2)^(2k+m) इस संबंध का उपयोग करके, पुनरावृत्ति संबंध व्युत्पन्न करें: x J_m'(x) = m J_m(x) – x J_(m+1)(x)

Ans. (a) बेसेल फलनों के लिए पहचान का प्रमाण

प्रथम प्रकार के बेसेल फलनों के लिए जनक फलन है:

g(x,t) = e^((x/2)(t – 1/t)) = Σ[n=-∞ to +∞] J_n(x)t^n

इस पहचान को सिद्ध करने के लिए, हम t = e^(iθ) प्रतिस्थापित करते हैं।

t – 1/t = e^(iθ) – e^(-iθ) = (cosθ + i sinθ) – (cosθ – i sinθ) = 2i sinθ

तो, जनक फलन बन जाता है:

g(x, e^(iθ)) = e^((x/2)(2i sinθ)) = e^(ix sinθ)

श्रृंखला के पक्ष में t = e^(iθ) प्रतिस्थापित करने पर:

Σ[n=-∞ to +∞] J_n(x) (e^(iθ))^n = Σ[n=-∞ to +∞] J_n(x) e^(inθ)

अतः, हमें जैकोबी-एंगर विस्तार प्राप्त होता है:

e^(ix sinθ) = Σ[n=-∞ to +∞] J_n(x) e^(inθ)

इस समीकरण का वास्तविक भाग लेने पर:

cos(x sinθ) = Re [ Σ J_n(x) (cos(nθ) + i sin(nθ)) ]

J_(-n)(x) = (-1)^n J_n(x) संबंध का उपयोग करते हुए, श्रृंखला को सरल बनाया जा सकता है:

Σ J_n(x) e^(inθ) = J₀(x) + Σ[n=1 to ∞] (J_n(x)e^(inθ) + J_(-n)(x)e^(-inθ))

= J₀(x) + Σ[n=1 to ∞] (J_n(x)e^(inθ) + (-1)^n J_n(x)e^(-inθ))

इसका वास्तविक भाग है:

cos(x sinθ) = J₀(x) + Σ[n=1 to ∞] J_n(x) (cos(nθ) + (-1)^n cos(nθ))

= J₀(x) + 2J₂(x)cos(2θ) + 2J₄(x)cos(4θ) + …

यह cos(x sinθ) के लिए फूरियर कोसाइन श्रृंखला है।

अब, इस समीकरण में θ = 0 रखने पर:

LHS = cos(x sin(0)) = cos(0) = 1

RHS = J₀(x) + 2J₂(x)cos(0) + 2J₄(x)cos(0) + …

RHS = J₀(x) + 2J₂(x) + 2J₄(x) + …

LHS और RHS की बराबरी करने पर, हम वांछित पहचान प्राप्त करते हैं:

1 = J₀(x) + 2J₂(x) + 2J₄(x) + …

(b) पुनरावृत्ति संबंध का व्युत्पन्न

कोटि m के बेसेल फलन का श्रृंखला व्यंजक है:

J_m(x) = Σ[k=0 to ∞] ((-1)^k / (k! Γ(k+m+1))) * (x/2)^(2k+m)

x के सापेक्ष अवकलन करने पर:

J_m'(x) = d/dx [ Σ[k=0 to ∞] ((-1)^k / (k! Γ(k+m+1))) * (x/2)^(2k+m) ]

J_m'(x) = Σ[k=0 to ∞] ((-1)^k / (k! Γ(k+m+1))) (2k+m) (x/2)^(2k+m-1) (1/2)

J_m'(x) = Σ[k=0 to ∞] ((-1)^k (2k+m)) / (k! Γ(k+m+1) 2) * (x/2)^(2k+m-1)

समीकरण को x से गुणा करने पर:

x J_m'(x) = Σ[k=0 to ∞] ((-1)^k (2k+m)) / (k! Γ(k+m+1)) (x/2) * (x/2)^(2k+m-1)

x J_m'(x) = Σ[k=0 to ∞] ((-1)^k (2k+m)) / (k! Γ(k+m+1)) (x/2)^(2k+m)

व्यंजक (2k+m) को (m – (m-2k)) के रूप में लिखने पर यह मदद नहीं करता। (2k+m) को m + 2k के रूप में अलग करें:

x J_m'(x) = Σ ((-1)^k m / (k! Γ(k+m+1))) (x/2)^(2k+m) + Σ ((-1)^k 2k / (k! Γ(k+m+1))) (x/2)^(2k+m)

x J_m'(x) = m Σ ((-1)^k / (k! Γ(k+m+1))) (x/2)^(2k+m) + Σ ((-1)^k 2k / (k(k-1)! Γ(k+m+1))) * (x/2)^(2k+m)

पहला पद m J_m(x) है।

दूसरे पद के लिए (k=0 पद शून्य है), k को k-1 से रद्द करें और Γ(k+m+1) = (k+m)Γ(k+m) का उपयोग करें:

दूसरा पद = Σ[k=1 to ∞] ((-1)^k 2 / ((k-1)! Γ(k+m+1))) (x/2)^(2k+m)

= Σ[k=1 to ∞] ((-1)^k 2 / ((k-1)! (k+m)Γ(k+m))) (x/2)^(2k+m)

यह सीधा नहीं है। एक आसान तरीका है:

x J_m'(x) = Σ ((-1)^k (2k+m) / (k! (k+m)Γ(k+m))) (x/2)^(2k+m)

व्यंजक (2k+m) को इस प्रकार लिखें: m + 2k

x J_m'(x) = m J_m(x) + Σ ((-1)^k 2k / (k! Γ(k+m+1))) (x/2)^(2k+m)

= m J_m(x) + Σ[k=1 to ∞] ((-1)^k 2 / ((k-1)! Γ(k+m+1))) (x/2)^(2k+m)

मान लें k’ = k-1:

= m J_m(x) + Σ[k’=0 to ∞] ((-1)^(k’+1) 2 / (k’! Γ(k’+m+2))) (x/2)^(2k’+2+m)

= m J_m(x) – 2 Σ[k’=0 to ∞] ((-1)^k’ / (k’! Γ(k’+(m+1)+1))) * (x/2)^(2k’+m+2)

= m J_m(x) – x Σ[k’=0 to ∞] ((-1)^k’ / (k’! Γ(k’+(m+1)+1))) * (x/2)^(2k’+m+1)

ब्रैकेट के अंदर का योग J_(m+1)(x) है।

इस प्रकार, x J_m'(x) = m J_m(x) – x J_(m+1)(x) ।

Q3. (a) प्रथम प्रकार के लेजेंडर बहुपदों के जनक फलन से शुरू करते हुए: 4 g(x,t) = (1 – 2xt + t²)^(-1/2) = Σ[n=0 to ∞] P_n(x)t^n दिखाएँ कि: P_n(-x) = (-1)^n P_n(x) (b) हर्माइट बहुपदों के जनक फलन का उपयोग करते हुए: 6 g(x,t) = e^(2xt – t²) = Σ[n=0 to ∞] H_n(x) t^n/n! समाकल का मूल्यांकन करें: ∫[-∞ to +∞] x e^(-x²) H_m(x) H_n(x) dx

Ans. (a) P_n(-x) के लिए गुणधर्म का प्रमाण

लेजेंडर बहुपदों का जनक फलन है:

g(x,t) = (1 – 2xt + t²)^(-1/2) = Σ[n=0 to ∞] P_n(x)t^n

इस फलन में x को -x से प्रतिस्थापित करें:

g(-x,t) = (1 – 2(-x)t + t²)^(-1/2) = (1 + 2xt + t²)^(-1/2)

जनक फलन के श्रृंखला रूप से, हमारे पास है:

g(-x,t) = Σ[n=0 to ∞] P_n(-x)t^n

अब, मूल जनक फलन में t को -t से प्रतिस्थापित करें:

g(x,-t) = (1 – 2x(-t) + (-t)²)^(-1/2) = (1 + 2xt + t²)^(-1/2)

जनक फलन के श्रृंखला रूप से, हमारे पास है:

g(x,-t) = Σ[n=0 to ∞] P_n(x)(-t)^n = Σ[n=0 to ∞] (-1)^n P_n(x)t^n

उपरोक्त समीकरणों से, हम देखते हैं कि g(-x,t) = g(x,-t) ।

उनके श्रृंखला विस्तारों की बराबरी करने पर:

Σ[n=0 to ∞] P_n(-x)t^n = Σ[n=0 to ∞] (-1)^n P_n(x)t^n

दोनों पक्षों पर t^n के गुणांकों की तुलना करने पर, हम सीधे प्राप्त करते हैं:

P_n(-x) = (-1)^n P_n(x)

यह गुण दर्शाता है कि P_n(x) सम n के लिए एक सम फलन है और विषम n के लिए एक विषम फलन है।

(b) हर्माइट बहुपदों के समाकल का मूल्यांकन

हमें समाकल I = ∫[-∞ to +∞] x e^(-x²) H_m(x) H_n(x) dx का मूल्यांकन करना है।

हम हर्माइट बहुपदों के लिए पुनरावृत्ति संबंध का उपयोग करते हैं:

2x H_n(x) = H_(n+1)(x) + 2n H_(n-1)(x)

इससे हमें मिलता है:

x H_n(x) = (1/2) H_(n+1)(x) + n H_(n-1)(x)

इस व्यंजक को समाकल में प्रतिस्थापित करने पर:

I = ∫[-∞ to +∞] e^(-x²) H_m(x) [ (1/2) H_(n+1)(x) + n H_(n-1)(x) ] dx

I = (1/2) ∫ e^(-x²) H_m(x) H_(n+1)(x) dx + n ∫ e^(-x²) H_m(x) H_(n-1)(x) dx

अब हम हर्माइट बहुपदों के लिए लांबिकता संबंध का उपयोग करते हैं:

∫[-∞ to +∞] e^(-x²) H_m(x) H_k(x) dx = 2^k k! √π δ_mk

जहाँ δ_mk क्रोनकर डेल्टा है।

इस लांबिकता संबंध को हमारे समाकल के दो भागों पर लागू करने पर:

1. पहला भाग: (1/2) ∫ e^(-x²) H_m(x) H_(n+1)(x) dx

यह पद केवल तभी अशून्य होता है जब m = n+1 । उस स्थिति में, इसका मान है:

(1/2) * [ 2^(n+1) (n+1)! √π ] = 2^n (n+1)! √π

2. दूसरा भाग: n ∫ e^(-x²) H_m(x) H_(n-1)(x) dx

यह पद केवल तभी अशून्य होता है जब m = n-1 । उस स्थिति में, इसका मान है:

n [ 2^(n-1) (n-1)! √π ] = n 2^(n-1) (n-1)! √π = (1/2) * 2^n n! √π

अतः, समाकल का मान दो स्थितियों में अशून्य होता है:

  • यदि m = n+1 , तो I = 2^n (n+1)! √π
  • यदि m = n-1 , तो I = n * 2^(n-1) (n-1)! √π = (2^n n! √π) / 2

अन्य सभी स्थितियों में (अर्थात, |m-n| ≠ 1), समाकल का मान शून्य होता है।

Q4. (a) दिखाएँ कि सदिश (v₁, v₂, v₃); v₁ = (1, 0, 0)ᵀ, v₂ = (1, 1, 0)ᵀ, v₃ = (1, 1, 1)ᵀ ℝ³ में आधार बनाते हैं, जो तीन-विमीय सदिशों का सदिश समष्टि है। 4 (b) मान लीजिए A = [[1, a, b], [0, 1, c], [0, 0, 1]], B = [[1, d, e], [0, 1, f], [0, 0, 1]] AB की गणना करें और दिखाएँ कि यह भी ऊपरी त्रिभुजाकार आव्यूह के रूप में है। d, e, f का मान ज्ञात करें ताकि AB = I हो। AB = BA होने की शर्त ज्ञात करें। 6

Ans. (a) सदिशों के आधार होने का प्रमाण

यह दिखाने के लिए कि सदिश v₁, v₂, और v₃ ℝ³ में एक आधार बनाते हैं, हमें यह सिद्ध करना होगा कि वे रैखिक रूप से स्वतंत्र हैं। चूंकि ℝ³ की विमा 3 है, तीन रैखिक रूप से स्वतंत्र सदिशों का कोई भी समुच्चय एक आधार बनाएगा।

रैखिक स्वतंत्रता का परीक्षण करने के लिए, हम निम्नलिखित सदिश समीकरण स्थापित करते हैं:

c₁v₁ + c₂v₂ + c₃v₃ = 0

जहाँ c₁, c₂, c₃ अदिश हैं, और 0 शून्य सदिश है।

c₁[1, 0, 0]ᵀ + c₂[1, 1, 0]ᵀ + c₃[1, 1, 1]ᵀ = [0, 0, 0]ᵀ

यह निम्नलिखित रैखिक समीकरणों की प्रणाली की ओर ले जाता है:

1. c₁ + c₂ + c₃ = 0

2. c₂ + c₃ = 0

3. c₃ = 0

समीकरण (3) से, हमारे पास c₃ = 0 है।

इसे समीकरण (2) में प्रतिस्थापित करने पर, हमें मिलता है c₂ + 0 = 0, जिसका अर्थ है c₂ = 0 ।

c₂ और c₃ दोनों के मानों को समीकरण (1) में प्रतिस्थापित करने पर, हमें मिलता है c₁ + 0 + 0 = 0, जिसका अर्थ है c₁ = 0 ।

चूंकि एकमात्र हल c₁ = c₂ = c₃ = 0 है, सदिश v₁, v₂, v₃ रैखिक रूप से स्वतंत्र हैं। ℝ³ में तीन रैखिक रूप से स्वतंत्र सदिश होने के कारण, वे सदिश समष्टि ℝ³ के लिए एक आधार बनाते हैं।

(b) आव्यूह परिकलन

दिए गए ऊपरी त्रिभुजाकार आव्यूह हैं:

A = [[1, a, b], [0, 1, c], [0, 0, 1]] और B = [[1, d, e], [0, 1, f], [0, 0, 1]]

1. AB की गणना:

AB = [[1, a, b], [0, 1, c], [0, 0, 1]] * [[1, d, e], [0, 1, f], [0, 0, 1]]

AB = [[1 1+a 0+b 0, 1 d+a 1+b 0, 1 e+a f+b*1],

[0 1+1 0+c 0, 0 d+1 1+c 0, 0 e+1 f+c*1],

[0 1+0 0+1 0, 0 d+0 1+1 0, 0 e+0 f+1*1]]

AB = [[1, a+d, b+e+af], [0, 1, c+f], [0, 0, 1]]

चूंकि मुख्य विकर्ण के नीचे के सभी अवयव शून्य हैं, गुणनफल आव्यूह AB भी एक ऊपरी त्रिभुजाकार आव्यूह है।

2. AB = I के लिए d, e, f का मान:

हम चाहते हैं कि AB तत्समक आव्यूह I के बराबर हो:

[[1, a+d, b+e+af], [0, 1, c+f], [0, 0, 1]] = [[1, 0, 0], [0, 1, 0], [0, 0, 1]]

संगत अवयवों की बराबरी करने पर:

a + d = 0 ⇒ d = -a

c + f = 0 ⇒ f = -c

b + e + af = 0 ⇒ b + e + a(-c) = 0 ⇒ e = ac – b

तो, मान हैं: d = -a, f = -c, e = ac – b । यह दर्शाता है कि B, A का व्युत्क्रम (A⁻¹) है।

3. AB = BA के लिए शर्त:

पहले, BA की गणना करें:

BA = [[1, d, e], [0, 1, f], [0, 0, 1]] * [[1, a, b], [0, 1, c], [0, 0, 1]]

BA = [[1, a+d, b+e+dc], [0, 1, c+f], [0, 0, 1]]

AB = BA होने के लिए, हमारे पास होना चाहिए:

[[1, a+d, b+e+af], [0, 1, c+f], [0, 0, 1]] = [[1, a+d, b+e+dc], [0, 1, c+f], [0, 0, 1]]

अधिकांश अवयव समान हैं। हमें केवल (1,3) अवयवों की बराबरी करने की आवश्यकता है:

b + e + af = b + e + dc

af = dc

यह शर्त है कि आव्यूह A और B दिक्परिवर्तनीय (commute) हों। ध्यान दें कि a, c, d, f के लिए कोई भी मान हो सकता है, जब तक कि यह संबंध बना रहता है। उदाहरण के लिए, यदि a=c=d=f=0, तो वे दिक्परिवर्तनीय हैं।

Q5. (a) एक वास्तविक सममित आव्यूह के लिए प्रसामान्यीकृत आइगेन सदिश प्राप्त करें: 6 [[cosθ, sinθ, 0], [sinθ, -cosθ, 0], [0, 0, -2]] और इसके विकर्णन आव्यूह को ज्ञात करें। (b) दिखाएँ कि: u(x, y) = 3x²y + 2x² – y³ – 2y² किसी प्रांत में प्रसंवादी है। इसके संयुग्मी प्रसंवादी फलन v(x, y) की गणना करें और सम्मिश्र फलन f(z) का निर्माण करें। 4

Ans. (a) आइगेनमान, आइगेनसदिश और विकर्णन आव्यूह

मान लीजिए दिया गया आव्यूह M है:

M = [[cosθ, sinθ, 0], [sinθ, -cosθ, 0], [0, 0, -2]]

1. आइगेनमान ज्ञात करना:

आइगेनमान अभिलाक्षणिक समीकरण det(M – λI) = 0 के हल हैं।

det([[cosθ-λ, sinθ, 0], [sinθ, -cosθ-λ, 0], [0, 0, -2-λ]]) = 0

सारणिक का विस्तार करने पर:

(-2-λ) * [ (cosθ-λ)(-cosθ-λ) – sin²θ ] = 0

(-2-λ) * [ -cos²θ – λcosθ + λcosθ + λ² – sin²θ ] = 0

(-2-λ) * [ λ² – (cos²θ + sin²θ) ] = 0

(-2-λ) * (λ² – 1) = 0

(-2-λ) (λ – 1) (λ + 1) = 0

तो, आइगेनमान हैं λ₁ = 1, λ₂ = -1, λ₃ = -2 ।

2. आइगेनसदिश ज्ञात करना:

प्रत्येक आइगेनमान के लिए, हम (M – λI)v = 0 को हल करते हैं।

λ₁ = 1 के लिए:

[[cosθ-1, sinθ, 0], [sinθ, -cosθ-1, 0], [0, 0, -3]] [x, y, z]ᵀ = 0

-3z = 0 ⇒ z = 0.

(cosθ-1)x + (sinθ)y = 0

(sinθ)x + (-cosθ-1)y = 0

x = sinθ, y = 1-cosθ या x = 1+cosθ, y = sinθ का उपयोग करके हल करने पर, हमें एक आइगेनसदिश v₁’ = [1+cosθ, sinθ, 0]ᵀ मिलता है। इसे प्रसामान्यीकृत करने की आवश्यकता है। एक सरल विकल्प है v₁’ = [cos(θ/2), sin(θ/2), 0]ᵀ। इसका परिमाण 1 है। तो, v₁ = [cos(θ/2), sin(θ/2), 0]ᵀ ।

(सत्यापन: (cosθ-1)cos(θ/2) + sinθ sin(θ/2) = -2sin²(θ/2)cos(θ/2) + 2sin(θ/2)cos(θ/2)sin(θ/2) = 0)।

λ₂ = -1 के लिए:

[[cosθ+1, sinθ, 0], [sinθ, -cosθ+1, 0], [0, 0, -1]] [x, y, z]ᵀ = 0

-z = 0 ⇒ z = 0.

(cosθ+1)x + (sinθ)y = 0

हल करने पर, एक आइगेनसदिश v₂’ = [sinθ, -(1+cosθ)]ᵀ या v₂’ = [sin(θ/2), -cos(θ/2), 0]ᵀ है। इसका परिमाण 1 है। तो, v₂ = [sin(θ/2), -cos(θ/2), 0]ᵀ । λ₃ = -2 के लिए:

[[cosθ+2, sinθ, 0], [sinθ, -cosθ+2, 0], [0, 0, 0]] [x, y, z]ᵀ = 0

इन समीकरणों से x=0, y=0 मिलता है। z कोई भी मान ले सकता है। तो, एक आइगेनसदिश v₃’ = [0, 0, 1]ᵀ है। यह पहले से ही प्रसामान्यीकृत है। v₃ = [0, 0, 1]ᵀ ।

3. विकर्णन आव्यूह:

विकर्णन आव्यूह P के स्तंभों के रूप में प्रसामान्यीकृत आइगेनसदिश होते हैं।

P = [[cos(θ/2), sin(θ/2), 0], [sin(θ/2), -cos(θ/2), 0], [0, 0, 1]]

यह आव्यूह M को विकर्णित करेगा: P⁻¹MP = D, जहाँ D आइगेनमानों का विकर्ण आव्यूह है।

(b) प्रसंवादी फलन और सम्मिश्र फलन

दिया गया फलन: u(x, y) = 3x²y + 2x² – y³ – 2y²

1. प्रसंवादी गुण का सत्यापन:

एक फलन प्रसंवादी होता है यदि यह लाप्लास समीकरण ∇²u = ∂²u/∂x² + ∂²u/∂y² = 0 को संतुष्ट करता है।

∂u/∂x = 6xy + 4x ⇒ ∂²u/∂x² = 6y + 4

∂u/∂y = 3x² – 3y² – 4y ⇒ ∂²u/∂y² = -6y – 4

∇²u = (6y + 4) + (-6y – 4) = 0

चूंकि ∇²u = 0, फलन u(x, y) प्रसंवादी है।

2. संयुग्मी प्रसंवादी फलन v(x, y) की गणना:

कौशी-रीमान समीकरणों का उपयोग करें:

(i) ∂v/∂y = ∂u/∂x = 6xy + 4x

(ii) ∂v/∂x = -∂u/∂y = -(3x² – 3y² – 4y) = -3x² + 3y² + 4y

समीकरण (i) को y के सापेक्ष समाकलित करने पर:

v(x, y) = ∫ (6xy + 4x) dy = 3xy² + 4xy + g(x)

जहाँ g(x) x का एक फलन है।

अब, इस v(x,y) को x के सापेक्ष अवकलित करें और समीकरण (ii) से तुलना करें:

∂v/∂x = 3y² + 4y + g'(x)

समीकरण (ii) से इसकी तुलना करने पर: 3y² + 4y + g'(x) = -3x² + 3y² + 4y

g'(x) = -3x²

g(x) = ∫ -3x² dx = -x³ + C

समाकलन स्थिरांक C को शून्य मानकर, हमें मिलता है:

v(x, y) = 3xy² + 4xy – x³

3. सम्मिश्र फलन f(z) का निर्माण:

f(z) = u(x, y) + i v(x, y)

f(z) = (3x²y + 2x² – y³ – 2y²) + i (3xy² + 4xy – x³)

पदों को पुनर्व्यवस्थित करने पर:

f(z) = (2x² – 2y² + 4ixy) – ix³ – 3x²y + 3ixy² + iy³

f(z) = 2(x² – y² + 2ixy) – i(x³ + 3x²(iy) + 3x(iy)² + (iy)³)

यह मिल्ने-थॉमसन विधि का उपयोग करके सरल है: z=x+iy, z²=x²-y²+2ixy, z³=x³+3x²(iy)+3x(iy)²+(iy)³। f(z) = 2z² – i(x+iy)³ = 2z² – iz³

अतः, सम्मिश्र फलन है f(z) = 2z² – iz³ ।

Q6. (a) गामा फलन Γ(1/2) का मान ज्ञात करें। 4 (b) निम्नलिखित सम्मिश्र फलनों की सभी विचित्रताओं का निर्धारण और वर्गीकरण करें: 4+2 (i) z / (e^z + 1) (ii) 1 / (2 sin(z) – 1)²

Ans. (a) Γ(1/2) का मान

गामा फलन की परिभाषा है:

Γ(z) = ∫[0 to ∞] t^(z-1) e^(-t) dt

z = 1/2 रखने पर, हमें मिलता है:

Γ(1/2) = ∫[0 to ∞] t^(1/2 – 1) e^(-t) dt = ∫[0 to ∞] t^(-1/2) e^(-t) dt

इस समाकल का मूल्यांकन करने के लिए, हम प्रतिस्थापन t = x² का उपयोग करते हैं।

तो, dt = 2x dx। जब t = 0, x = 0; जब t → ∞, x → ∞।

प्रतिस्थापन करने पर:

Γ(1/2) = ∫[0 to ∞] (x²)^(-1/2) e^(-x²) (2x dx)

Γ(1/2) = ∫[0 to ∞] x⁻¹ e^(-x²) (2x dx)

Γ(1/2) = 2 ∫[0 to ∞] e^(-x²) dx

यह प्रसिद्ध गॉसियन समाकल से संबंधित है:

∫[-∞ to ∞] e^(-x²) dx = √π

चूंकि e^(-x²) एक सम फलन है (अर्थात, f(x) = f(-x)), हम लिख सकते हैं:

∫[-∞ to ∞] e^(-x²) dx = 2 ∫[0 to ∞] e^(-x²) dx

तो, 2 ∫[0 to ∞] e^(-x²) dx = √π

इसलिए, हमारे Γ(1/2) के व्यंजक की तुलना करने पर, हम सीधे पाते हैं:

Γ(1/2) = √π

(b) विचित्रताओं का निर्धारण और वर्गीकरण

(i) f(z) = z / (e^z + 1)

विचित्रताएँ तब होती हैं जब हर शून्य होता है:

e^z + 1 = 0 ⇒ e^z = -1

-1 को ध्रुवीय रूप में लिखने पर, -1 = e^(iπ)। चूँकि e^z, 2πi की अवधि के साथ आवधिक है, सामान्य हल है:

e^z = e^(i(π + 2nπ)) = e^(i(2n+1)π), जहाँ n एक पूर्णांक है।

दोनों पक्षों का लघुगणक लेने पर:

z = i(2n+1)π, n ∈ ℤ

ये विचित्रताएँ हैं। उनका वर्गीकरण करने के लिए, हम अंश g(z) = z और हर h(z) = e^z + 1 पर विचार करते हैं।

इन विचित्रताओं पर, अंश g(z_n) = i(2n+1)π ≠ 0 (n=-1/2 को छोड़कर, जो पूर्णांक नहीं है)।

हर के अवकलज की जाँच करें: h'(z) = e^z।

विचित्रताओं पर अवकलज का मूल्यांकन करें: h'(i(2n+1)π) = e^(i(2n+1)π) = -1 ≠ 0।

चूंकि h(z_n) = 0 लेकिन h'(z_n) ≠ 0, ये विचित्रताएँ सरल ध्रुव (simple poles) हैं।

(ii) f(z) = 1 / (2 sin(z) – 1)²

विचित्रताएँ तब होती हैं जब हर शून्य होता है:

(2 sin(z) – 1)² = 0 ⇒ sin(z) = 1/2

sin z की परिभाषा का उपयोग करते हुए, sin(z) = (e^(iz) – e^(-iz)) / (2i):

(e^(iz) – e^(-iz)) / (2i) = 1/2

e^(iz) – e^(-iz) = i

w = e^(iz) मानने पर, समीकरण w – 1/w = i बन जाता है।

w से गुणा करने पर: w² – 1 = iw ⇒ w² – iw – 1 = 0

इस द्विघात समीकरण को w के लिए हल करने पर:

w = [ -(-i) ± √((-i)² – 4(1)(-1)) ] / 2 = [ i ± √(-1 + 4) ] / 2 = (i ± √3) / 2

w = e^(iz) के लिए दो मान हैं:

1. e^(iz) = (√3 + i)/2 = e^(iπ/6)। तो, iz = iπ/6 + 2nπi ⇒ z = π/6 + 2nπ

2. e^(iz) = (-√3 + i)/2। नहीं, (i+√3)/2 है e^(iπ/6)। और (i-√3)/2 है e^(i5π/6)। तो, e^(iz) = e^(i5π/6)। तो, iz = i5π/6 + 2nπi ⇒ z = 5π/6 + 2nπ

(जहाँ n ∈ ℤ)।

ये विचित्रताएँ हैं।

अब, उनका वर्गीकरण करें। हर h(z) = (g(z))² है, जहाँ g(z) = 2 sin(z) – 1।

g(z) के शून्य ज्ञात करें: sin(z) = 1/2, जो हमें ऊपर दी गई z की श्रृंखला देता है।

g'(z) = 2 cos(z) की जाँच करें।

z = π/6 + 2nπ पर, cos(z) = cos(π/6) = √3/2 ≠ 0।

z = 5π/6 + 2nπ पर, cos(z) = cos(5π/6) = -√3/2 ≠ 0।

चूंकि g(z) का इन बिंदुओं पर एक सरल शून्य है (क्योंकि g=0 nhưng g’≠0), तो h(z) = (g(z))² का इन बिंदुओं पर क्रम 2 का शून्य है।

इसलिए, फलन f(z) = 1/h(z) में क्रम 2 के ध्रुव (poles of order 2) हैं:

z = π/6 + 2nπ और z = 5π/6 + 2nπ, n ∈ ℤ।

Q7. अवशेषों की विधि द्वारा समाकल ∫[0 to ∞] cos(x) / (x² + a²) dx का मूल्यांकन करें। (a>0) 10

Ans. हमें समाकल I = ∫[0 to ∞] cos(x) / (x² + a²) dx का मूल्यांकन करना है।

चूंकि समाकल्य एक सम फलन है (क्योंकि cos(-x) = cos(x) और (-x)² = x²), हम लिख सकते हैं:

∫[-∞ to ∞] cos(x) / (x² + a²) dx = 2I

तो, I = (1/2) ∫[-∞ to ∞] cos(x) / (x² + a²) dx।

हम इस समाकल का मूल्यांकन कंटूर समाकलन का उपयोग करके करते हैं। हम मानते हैं कि समाकल वास्तविक भाग है:

∫[-∞ to ∞] cos(x) / (x² + a²) dx = Re [ ∫[-∞ to ∞] e^(ix) / (x² + a²) dx ]

अब सम्मिश्र फलन f(z) = e^(iz) / (z² + a²) पर विचार करें और इसे एक कंटूर C पर समाकलित करें जिसमें ऊपरी अर्ध-तल में त्रिज्या R का अर्धवृत्त (C_R) और -R से R तक वास्तविक अक्ष का एक खंड होता है।

1. ध्रुवों का पता लगाना:

विचित्रताएँ हर z² + a² = 0 को हल करके पाई जाती हैं।

z² = -a² ⇒ z = ±ia।

चूंकि हम ऊपरी अर्ध-तल में एक कंटूर पर विचार कर रहे हैं, केवल ध्रुव z = +ia कंटूर C के अंदर स्थित है (यह मानते हुए a > 0)। यह एक सरल ध्रुव है।

2. ध्रुव z = ia पर अवशेष की गणना:

अवशेष प्रमेय के अनुसार, Res(f, z₀) = lim[z→z₀] (z-z₀)f(z)।

Res(f, ia) = lim[z→ia] (z-ia) * e^(iz) / ((z-ia)(z+ia))

Res(f, ia) = lim[z→ia] e^(iz) / (z+ia)

Res(f, ia) = e^(i(ia)) / (ia + ia) = e^(-a) / (2ia)

3. अवशेष प्रमेय का अनुप्रयोग:

कंटूर C के चारों ओर समाकल है:

∮_C f(z) dz = 2πi * (कंटूर के अंदर अवशेषों का योग)

∮_C f(z) dz = 2πi * [ e^(-a) / (2ia) ] = πe^(-a) / a

4. कंटूर समाकल का मूल्यांकन:

कंटूर समाकल को दो भागों में विभाजित किया जा सकता है:

∮_C f(z) dz = ∫[-R to R] f(x) dx + ∫[C_R] f(z) dz

जॉर्डन की लेम्मा के अनुसार, यदि |g(z)| → 0 जैसे |z| → ∞ ऊपरी अर्ध-तल में, तो ∫[C_R] g(z)e^(ikz) dz → 0 जैसे R → ∞ (k>0 के लिए)।

हमारे मामले में, g(z) = 1/(z² + a²) और |g(z)| ≈ 1/R² → 0 जैसे R→∞। इसलिए, अर्धवृत्ताकार चाप पर समाकल शून्य हो जाता है:

lim[R→∞] ∫[C_R] e^(iz) / (z² + a²) dz = 0

इसलिए, जैसे R → ∞:

∮_C f(z) dz = ∫[-∞ to ∞] e^(ix) / (x² + a²) dx

5. अंतिम परिणाम:

दोनों परिणामों को मिला कर:

∫[-∞ to ∞] e^(ix) / (x² + a²) dx = πe^(-a) / a

अब, हम वास्तविक भाग लेते हैं:

∫[-∞ to ∞] cos(x) / (x² + a²) dx = Re [ πe^(-a) / a ] = πe^(-a) / a

मूल समाकल I है:

I = ∫[0 to ∞] cos(x) / (x² + a²) dx = (1/2) ∫[-∞ to ∞] cos(x) / (x² + a²) dx

I = (1/2) * (πe^(-a) / a)

अतः, ∫[0 to ∞] cos(x) / (x² + a²) dx = πe^(-a) / (2a) ।

Q8. (a) प्रारंभिक मान समस्या को हल करें: 7 y” + 5y’ + 4y = f(t) y(0)=0, y'(0)=0 जहाँ f(t) = {1, 0<t<1; 0, अन्यथा} लाप्लास रूपांतरण की विधियों का उपयोग करके। (b) एक समूह के तुल्यता वर्गों को परिभाषित करें। 3

Ans. (a) प्रारंभिक मान समस्या का हल

दिया गया अवकल समीकरण है: y” + 5y’ + 4y = f(t), जिसमें y(0)=0, y'(0)=0।

फलन f(t) को हेविसाइड स्टेप फलन u(t) के पदों में लिखा जा सकता है:

f(t) = 1 * [u(t) – u(t-1)] = u(t) – u(t-1)।

1. लाप्लास रूपांतरण लेना:

समीकरण के दोनों पक्षों का लाप्लास रूपांतरण लें। मान लीजिए L{y(t)} = Y(s)।

L{y”} = s²Y(s) – sy(0) – y'(0) = s²Y(s)

L{y’} = sY(s) – y(0) = sY(s)

L{f(t)} = L{u(t) – u(t-1)} = L{u(t)} – L{u(t-1)} = 1/s – e^(-s)/s = (1 – e^(-s))/s

रूपांतरित समीकरण है:

s²Y(s) + 5sY(s) + 4Y(s) = (1 – e^(-s))/s

(s² + 5s + 4)Y(s) = (1 – e^(-s))/s

(s+1)(s+4)Y(s) = (1 – e^(-s))/s

Y(s) = (1 – e^(-s)) / (s(s+1)(s+4))

2. आंशिक भिन्न में वियोजन:

मान लीजिए G(s) = 1 / (s(s+1)(s+4))। हम इसे आंशिक भिन्नों में विघटित करते हैं:

G(s) = A/s + B/(s+1) + C/(s+4)

A = [1/((s+1)(s+4))] at s=0 = 1/4

B = [1/(s(s+4))] at s=-1 = 1/(-1*3) = -1/3

C = [1/(s(s+1))] at s=-4 = 1/(-4*-3) = 1/12

तो, G(s) = (1/4)/s – (1/3)/(s+1) + (1/12)/(s+4)

3. व्युत्क्रम लाप्लास रूपांतरण लेना:

पहले, g(t) = L⁻¹{G(s)} ज्ञात करें:

g(t) = (1/4)L⁻¹{1/s} – (1/3)L⁻¹{1/(s+1)} + (1/12)L⁻¹{1/(s+4)}

g(t) = 1/4 – (1/3)e^(-t) + (1/12)e^(-4t)

अब, Y(s) = G(s) – e^(-s)G(s)।

व्युत्क्रम लाप्लास रूपांतरण y(t) = L⁻¹{Y(s)} है:

y(t) = L⁻¹{G(s)} – L⁻¹{e^(-s)G(s)}

दूसरे समय-शिफ्टिंग प्रमेय का उपयोग करते हुए, L⁻¹{e^(-as)F(s)} = f(t-a)u(t-a)।

y(t) = g(t) – g(t-1)u(t-1)

4. अंतिम हल:

हल को खंडों में लिखा जा सकता है:

  • 0 < t < 1 के लिए: u(t-1) = 0, तो

y(t) = g(t) = 1/4 – (1/3)e^(-t) + (1/12)e^(-4t)

  • t ≥ 1 के लिए: u(t-1) = 1, तो

y(t) = g(t) – g(t-1)

y(t) = (1/4 – (1/3)e^(-t) + (1/12)e^(-4t)) – (1/4 – (1/3)e^(-(t-1)) + (1/12)e^(-4(t-1)))

y(t) = -(1/3)(e^(-t) – e e^(-t)) + (1/12)(e^(-4t) – e⁴ e^(-4t))

y(t) = (e-1)/3 e^(-t) – (e⁴-1)/12 e^(-4t)

(b) तुल्यता वर्ग

गणित में, एक तुल्यता संबंध एक समुच्चय पर एक द्विआधारी संबंध है जो स्वतुल्य, सममित और सकर्मक होता है। ऐसा कोई भी तुल्यता संबंध समुच्चय को असंयुक्त उपसमुच्चयों में विभाजित करता है जिन्हें तुल्यता वर्ग कहा जाता है।

एक समुच्चय S पर एक संबंध ~ एक तुल्यता संबंध है यदि S में सभी a, b, और c के लिए:

1. स्वतुल्यता (Reflexivity): a ~ a

2. समरूपता (Symmetry): यदि a ~ b, तो b ~ a

3. संक्रामकता (Transitivity): यदि a ~ b और b ~ c, तो a ~ c

S में एक अवयव a का तुल्यता वर्ग, जिसे [a] से दर्शाया जाता है, उन सभी अवयвов x का समुच्चय है जो a के तुल्य हैं: [a] = {x ∈ S | x ~ a}।

समूह सिद्धांत के संदर्भ में:

समूह सिद्धांत में तुल्यता वर्गों के दो महत्वपूर्ण उदाहरण हैं:

1. संयुग्मन वर्ग (Conjugacy Classes):

एक समूह G में, ‘संयुग्मित होना’ एक तुल्यता संबंध है। दो अवयव a, b ∈ G संयुग्मित कहलाते हैं यदि G में एक अवयव g मौजूद है जैसे कि b = g⁻¹ag । इस संबंध से उत्पन्न तुल्यता वर्गों को संयुग्मन वर्ग कहा जाता है। a का संयुग्मन वर्ग Cl(a) = {g⁻¹ag | g ∈ G} है। समूह G अपने संयुग्मन वर्गों का एक असंयुक्त संघ है।

2. सहसमुच्चय (Cosets):

मान लीजिए H, समूह G का एक उपसमूह है। हम G पर एक संबंध ~ को इस प्रकार परिभाषित कर सकते हैं: a ~ b यदि a⁻¹b ∈ H। यह एक तुल्यता संबंध है। इस संबंध के तुल्यता वर्ग G में H के वाम सहसमुच्चय (left cosets) हैं। अवयव a वाले तुल्यता वर्ग [a] = {x ∈ G | x ~ a} = {x ∈ G | a⁻¹x ∈ H} = {ah | h ∈ H} = aH है। इसी प्रकार, दक्षिण सहसमुच्चय एक अन्य तुल्यता संबंध से उत्पन्न होते हैं (ab⁻¹ ∈ H)।

IGNOU MPH-001 Previous Year Solved Question Paper in English

Q1. Consider heat flow in a uniform bar of length L insulated along its length. The temperature of the bar is modelled by the one-dimensional heat diffusion equation: 4+6 ∂T(x,t)/∂t = K ∂²T(x,t)/∂x² (0 < x < L, t > 0) (i) Separate the equation into two ODEs. (ii) If the initial temperature distribution is given by: T(x,0) = (2L – x) (0 < x < L) solve the heat equation for the boundary conditions on T(x,t) given as: T(0,t) = 0 and ∂T(L,t)/∂x = 0, t ≥ 0

Ans. (i) Separation of the Equation The given one-dimensional heat diffusion equation is: ∂T/∂t = K ∂²T/∂x² We use the method of separation of variables and assume a solution of the form: T(x,t) = X(x)Θ(t) where X is a function of x only and Θ is a function of t only. Substituting this into the heat equation, we get: X(x) dΘ(t)/dt = K Θ(t) d²X(x)/dx² Dividing the equation by K X(x)Θ(t) to separate the variables: (1/KΘ) dΘ/dt = (1/X) d²X/dx² Since the left side depends only on t and the right side depends only on x, both sides must be equal to a constant, which we’ll call -λ² (a negative constant leads to physically meaningful, non-trivial solutions). This yields two Ordinary Differential Equations (ODEs): 1. Spatial Equation: d²X/dx² + λ²X = 0 2. Temporal Equation: dΘ/dt + Kλ²Θ = 0 These are the two separated ODEs for the given partial differential equation.

(ii) Solution of the Boundary Value Problem First, we solve the spatial equation for X(x) with the given boundary conditions. The boundary conditions are T(0,t) = 0 and ∂T(L,t)/∂x = 0. In terms of T(x,t) = X(x)Θ(t), this translates to X(0)Θ(t) = 0 and X'(L)Θ(t) = 0. Since Θ(t) cannot be trivially zero, we must have: X(0) = 0 and X'(L) = 0 The general solution to the spatial equation d²X/dx² + λ²X = 0 is: X(x) = A cos(λx) + B sin(λx) Applying the first boundary condition, X(0) = 0: X(0) = A cos(0) + B sin(0) = A = 0 So, X(x) = B sin(λx). Applying the second boundary condition, X'(L) = 0: X'(x) = Bλ cos(λx) ⇒ X'(L) = Bλ cos(λL) = 0 For a non-trivial solution B ≠ 0, so we must have cos(λL) = 0. This gives λL = (2n-1)π/2, where n = 1, 2, 3, … Thus, the eigenvalues are λ_n = (2n-1)π / (2L) And the corresponding eigenfunctions are X_n(x) = sin((2n-1)πx / (2L)) .

Now we solve the temporal equation dΘ/dt + Kλ_n²Θ = 0. Its solution is: Θ_n(t) = C_n e^(-Kλ_n²t)

The general solution of the heat equation is given by the superposition principle: T(x,t) = Σ[n=1 to ∞] X_n(x)Θ_n(t) = Σ[n=1 to ∞] B_n sin((2n-1)πx / (2L)) e^(-K((2n-1)π/2L)²t) where B_n = B * C_n is a new constant.

The coefficients B_n are determined using the initial condition T(x,0) = (2L-x): T(x,0) = Σ[n=1 to ∞] B_n sin((2n-1)πx / (2L)) = (2L-x) This is a Fourier sine series for the function (2L-x). The coefficients B_n are given by: B_n = (2/L) ∫[0 to L] (2L-x) sin((2n-1)πx / (2L)) dx Integrating by parts: B_n = (2/L) [ (2L-x) (-2L/(2n-1)π)cos((2n-1)πx/2L) |[0 to L] – ∫[0 to L] (-1) (-2L/(2n-1)π)cos((2n-1)πx/2L) dx ] B_n = (2/L) [ (L 0) – (2L -2L/(2n-1)π) – (2L/(2n-1)π) * (2L/(2n-1)π)sin((2n-1)πx/2L) |[0 to L] ] B_n = (2/L) [ 4L²/((2n-1)π) – (4L²/((2n-1)²π²)) * sin((2n-1)π/2) ] B_n = 8L/((2n-1)π) – (8L/((2n-1)²π²)) (-1)^(n+1)

The final solution is: T(x,t) = Σ[n=1 to ∞] [8L/((2n-1)π) + (8L(-1)^n)/((2n-1)²π²)] sin((2n-1)πx/2L) e^(-K((2n-1)π/2L)²t)

Q2. (a) The generating function for Bessel’s functions of the first kind and integral order is given by: 5 g(x,t) = e^((x/2)(t – 1/t)) = Σ[n=-∞ to +∞] J_n(x)t^n Show that: J₀(x) + 2J₂(x) + 2J₄(x) + … = 1 (Note: The question paper may have a typo. The standard identity will be proven.) (b) The expression for Bessel’s function of the first kind of order m is given by: 5 J_m(x) = Σ[k=0 to ∞] (-1)^k / (k! Γ(k+m+1)) * (x/2)^(2k+m) Using this relation, derive the recurrence relation: x J_m'(x) = m J_m(x) – x J_(m+1)(x)

Ans. (a) Proof of the Identity for Bessel Functions The generating function for Bessel functions of the first kind is: g(x,t) = e^((x/2)(t – 1/t)) = Σ[n=-∞ to +∞] J_n(x)t^n To prove the identity, we substitute t = e^(iθ). t – 1/t = e^(iθ) – e^(-iθ) = (cosθ + i sinθ) – (cosθ – i sinθ) = 2i sinθ So, the generating function becomes: g(x, e^(iθ)) = e^((x/2)(2i sinθ)) = e^(ix sinθ) Substituting t = e^(iθ) on the series side: Σ[n=-∞ to +∞] J_n(x) (e^(iθ))^n = Σ[n=-∞ to +∞] J_n(x) e^(inθ) Thus, we have the Jacobi-Anger expansion: e^(ix sinθ) = Σ[n=-∞ to +∞] J_n(x) e^(inθ) Taking the real part of this equation: cos(x sinθ) = Re [ Σ J_n(x) (cos(nθ) + i sin(nθ)) ] Using the relation J_(-n)(x) = (-1)^n J_n(x), the sum can be simplified: Σ J_n(x) e^(inθ) = J₀(x) + Σ[n=1 to ∞] (J_n(x)e^(inθ) + J_(-n)(x)e^(-inθ)) = J₀(x) + Σ[n=1 to ∞] (J_n(x)e^(inθ) + (-1)^n J_n(x)e^(-inθ)) The real part of this is: cos(x sinθ) = J₀(x) + Σ[n=1 to ∞] J_n(x) (cos(nθ) + (-1)^n cos(nθ)) = J₀(x) + 2J₂(x)cos(2θ) + 2J₄(x)cos(4θ) + … This is the Fourier cosine series for cos(x sinθ). Now, let’s set θ = 0 in this equation: LHS = cos(x sin(0)) = cos(0) = 1 RHS = J₀(x) + 2J₂(x)cos(0) + 2J₄(x)cos(0) + … RHS = J₀(x) + 2J₂(x) + 2J₄(x) + … Equating the LHS and RHS, we get the desired identity: 1 = J₀(x) + 2J₂(x) + 2J₄(x) + …

(b) Derivation of the Recurrence Relation The series expression for the Bessel function of order m is: J_m(x) = Σ[k=0 to ∞] ((-1)^k / (k! Γ(k+m+1))) * (x/2)^(2k+m) Differentiating with respect to x: J_m'(x) = d/dx [ Σ[k=0 to ∞] ((-1)^k / (k! Γ(k+m+1))) * (x/2)^(2k+m) ] J_m'(x) = Σ[k=0 to ∞] ((-1)^k / (k! Γ(k+m+1))) (2k+m) (x/2)^(2k+m-1) (1/2) J_m'(x) = Σ[k=0 to ∞] ((-1)^k (2k+m)) / (k! Γ(k+m+1) 2) * (x/2)^(2k+m-1) Multiply the equation by x: x J_m'(x) = Σ[k=0 to ∞] ((-1)^k (2k+m)) / (k! Γ(k+m+1)) (x/2) * (x/2)^(2k+m-1) x J_m'(x) = Σ[k=0 to ∞] ((-1)^k (2k+m)) / (k! Γ(k+m+1)) (x/2)^(2k+m) Split the term (2k+m) as m + 2k: x J_m'(x) = Σ ((-1)^k m / (k! Γ(k+m+1))) (x/2)^(2k+m) + Σ ((-1)^k 2k / (k! Γ(k+m+1))) (x/2)^(2k+m) The first term is exactly m J_m(x) . For the second term (the k=0 term is zero), cancel k from k!: Second term = Σ[k=1 to ∞] ((-1)^k 2 / ((k-1)! Γ(k+m+1))) (x/2)^(2k+m) Let k’ = k-1. Then k = k’+1. = Σ[k’=0 to ∞] ((-1)^(k’+1) 2 / (k’! Γ(k’+1+m+1))) (x/2)^(2(k’+1)+m) = – Σ[k’=0 to ∞] ((-1)^k’ 2 / (k’! Γ(k’+m+2))) (x/2)^(2k’+m+2) Factor out an x: = – x Σ[k’=0 to ∞] ((-1)^k’ / (k’! Γ(k’+(m+1)+1))) * (x/2)^(2k’+m+1) The summation is the series for J_(m+1)(x). So, the second term is -x J_(m+1)(x) . Combining the terms, we get the recurrence relation: x J_m'(x) = m J_m(x) – x J_(m+1)(x) .

Q3. (a) Starting with generating function of Legendre polynomials of first kind: 4 g(x,t) = (1 – 2xt + t²)^(-1/2) = Σ[n=0 to ∞] P_n(x)t^n show that: P_n(-x) = (-1)^n P_n(x) (b) Using the generating function of Hermite polynomials: 6 g(x, t) = e^(2xt – t²) = Σ[n=0 to ∞] H_n(x) t^n/n! evaluate the integral: ∫[-∞ to +∞] x e^(-x²) H_m(x) H_n(x) dx

Ans. (a) Proof of the Property for P_n(-x) The generating function for Legendre polynomials is: g(x,t) = (1 – 2xt + t²)^(-1/2) = Σ[n=0 to ∞] P_n(x)t^n In this function, replace x with -x: g(-x,t) = (1 – 2(-x)t + t²)^(-1/2) = (1 + 2xt + t²)^(-1/2) From the series form of the generating function, we have: g(-x,t) = Σ[n=0 to ∞] P_n(-x)t^n Now, in the original generating function, replace t with -t: g(x,-t) = (1 – 2x(-t) + (-t)²)^(-1/2) = (1 + 2xt + t²)^(-1/2) From the series form of the generating function, we have: g(x,-t) = Σ[n=0 to ∞] P_n(x)(-t)^n = Σ[n=0 to ∞] (-1)^n P_n(x)t^n From the expressions above, we see that g(-x,t) = g(x,-t) . Equating their series expansions: Σ[n=0 to ∞] P_n(-x)t^n = Σ[n=0 to ∞] (-1)^n P_n(x)t^n Comparing the coefficients of t^n on both sides, we directly obtain: P_n(-x) = (-1)^n P_n(x) This property shows that P_n(x) is an even function for even n, and an odd function for odd n.

(b) Evaluation of the Integral with Hermite Polynomials We need to evaluate the integral I = ∫[-∞ to +∞] x e^(-x²) H_m(x) H_n(x) dx. We use the recurrence relation for Hermite polynomials: 2x H_n(x) = H_(n+1)(x) + 2n H_(n-1)(x) This gives us: x H_n(x) = (1/2) H_(n+1)(x) + n H_(n-1)(x) Substitute this expression into the integral: I = ∫[-∞ to +∞] e^(-x²) H_m(x) [ (1/2) H_(n+1)(x) + n H_(n-1)(x) ] dx I = (1/2) ∫ e^(-x²) H_m(x) H_(n+1)(x) dx + n ∫ e^(-x²) H_m(x) H_(n-1)(x) dx Now we use the orthogonality relation for Hermite polynomials: ∫[-∞ to +∞] e^(-x²) H_m(x) H_k(x) dx = 2^k k! √π δ_mk where δ_mk is the Kronecker delta. Applying this orthogonality relation to the two parts of our integral: 1. The first part: (1/2) ∫ e^(-x²) H_m(x) H_(n+1)(x) dx This term is non-zero only if m = n+1 . In that case, its value is: (1/2) * [ 2^(n+1) (n+1)! √π ] = 2^n (n+1)! √π 2. The second part: n ∫ e^(-x²) H_m(x) H_(n-1)(x) dx This term is non-zero only if m = n-1 . In that case, its value is: n [ 2^(n-1) (n-1)! √π ] = n 2^(n-1) (n-1)! √π = (1/2) * 2^n n! √π Thus, the value of the integral is non-zero in two cases:

  • If m = n+1 , then I = 2^n (n+1)! √π
  • If m = n-1 , then I = n * 2^(n-1) (n-1)! √π = (2^n n! √π) / 2

In all other cases (i.e., |m-n| ≠ 1), the integral is zero.

Q4. (a) Show that the vectors (v₁, v₂, v₃); v₁ = (1, 0, 0)ᵀ, v₂ = (1, 1, 0)ᵀ, v₃ = (1, 1, 1)ᵀ form the basis in ℝ³, the vector space of three-dimensional vectors. 4 (b) Let A = [[1, a, b], [0, 1, c], [0, 0, 1]], B = [[1, d, e], [0, 1, f], [0, 0, 1]] Calculate AB and show that it is also in form of upper triangular matrix. Calculate the value of d, e, f, so that AB = I. Find the condition that AB = BA. 6

Ans. (a) Proof of Basis for Vectors To show that the vectors v₁, v₂, and v₃ form a basis in ℝ³, we must prove that they are linearly independent . Since the dimension of ℝ³ is 3, any set of three linearly independent vectors will form a basis. To test for linear independence, we set up the following vector equation: c₁v₁ + c₂v₂ + c₃v₃ = 0 where c₁, c₂, c₃ are scalars, and 0 is the zero vector. c₁[1, 0, 0]ᵀ + c₂[1, 1, 0]ᵀ + c₃[1, 1, 1]ᵀ = [0, 0, 0]ᵀ This leads to the following system of linear equations: 1. c₁ + c₂ + c₃ = 0 2. c₂ + c₃ = 0 3. c₃ = 0 From equation (3), we have c₃ = 0 . Substituting this into equation (2), we get c₂ + 0 = 0, which means c₂ = 0 . Substituting the values of both c₂ and c₃ into equation (1), we get c₁ + 0 + 0 = 0, which means c₁ = 0 . Since the only solution is c₁ = c₂ = c₃ = 0, the vectors v₁, v₂, v₃ are linearly independent. Being three linearly independent vectors in ℝ³, they form a basis for the vector space ℝ³.

(b) Matrix Calculations Given the upper triangular matrices: A = [[1, a, b], [0, 1, c], [0, 0, 1]] and B = [[1, d, e], [0, 1, f], [0, 0, 1]] 1. Calculation of AB: AB = [[1, a, b], [0, 1, c], [0, 0, 1]] * [[1, d, e], [0, 1, f], [0, 0, 1]] AB = [[1 1+a 0+b 0, 1 d+a 1+b 0, 1 e+a f+b*1], [0 1+1 0+c 0, 0 d+1 1+c 0, 0 e+1 f+c*1], [0 1+0 0+1 0, 0 d+0 1+1 0, 0 e+0 f+1*1]] AB = [[1, a+d, b+e+af], [0, 1, c+f], [0, 0, 1]] Since all elements below the main diagonal are zero, the product matrix AB is also an upper triangular matrix . 2. Values of d, e, f for AB = I: We want AB to be equal to the identity matrix I: [[1, a+d, b+e+af], [0, 1, c+f], [0, 0, 1]] = [[1, 0, 0], [0, 1, 0], [0, 0, 1]] Equating the corresponding elements: a + d = 0 ⇒ d = -a c + f = 0 ⇒ f = -c b + e + af = 0 ⇒ b + e + a(-c) = 0 ⇒ e = ac – b So, the values are: d = -a, f = -c, e = ac – b . This shows that B is the inverse of A (A⁻¹). 3. Condition for AB = BA: First, calculate BA: BA = [[1, d, e], [0, 1, f], [0, 0, 1]] * [[1, a, b], [0, 1, c], [0, 0, 1]] BA = [[1, a+d, b+e+dc], [0, 1, c+f], [0, 0, 1]] For AB = BA, we must have: [[1, a+d, b+e+af], [0, 1, c+f], [0, 0, 1]] = [[1, a+d, b+e+dc], [0, 1, c+f], [0, 0, 1]] Most elements are identical. We only need to equate the (1,3) elements: b + e + af = b + e + dc af = dc This is the condition for the matrices A and B to commute. Note that a, c, d, f can be any values as long as this relation holds. For example, if a=c=d=f=0, they commute.

Q5. (a) Obtain the normalized eigen vectors for a real symmetric matrix: 6 [[cosθ, sinθ, 0], [sinθ, -cosθ, 0], [0, 0, -2]] and find its diagonalizing matrix. (b) Show that: u(x, y) = 3x²y + 2x² – y³ – 2y² is harmonic in some domain. Calculate its conjugate harmonic function v(x, y) and construct the complex function f(z). 4

Ans. (a) Eigenvalues, Eigenvectors and Diagonalizing Matrix Let the given matrix be M: M = [[cosθ, sinθ, 0], [sinθ, -cosθ, 0], [0, 0, -2]] 1. Finding the Eigenvalues: The eigenvalues are the solutions to the characteristic equation det(M – λI) = 0. det([[cosθ-λ, sinθ, 0], [sinθ, -cosθ-λ, 0], [0, 0, -2-λ]]) = 0 Expanding the determinant: (-2-λ) * [ (cosθ-λ)(-cosθ-λ) – sin²θ ] = 0 (-2-λ) * [ -cos²θ – λcosθ + λcosθ + λ² – sin²θ ] = 0 (-2-λ) * [ λ² – (cos²θ + sin²θ) ] = 0 (-2-λ) * (λ² – 1) = 0 (-2-λ) (λ – 1) (λ + 1) = 0 Thus, the eigenvalues are λ₁ = 1, λ₂ = -1, λ₃ = -2 . 2. Finding the Eigenvectors: For each eigenvalue, we solve (M – λI)v = 0. For λ₁ = 1: [[cosθ-1, sinθ, 0], [sinθ, -cosθ-1, 0], [0, 0, -3]] [x, y, z]ᵀ = 0 -3z = 0 ⇒ z = 0. (cosθ-1)x + (sinθ)y = 0 (sinθ)x + (-cosθ-1)y = 0 Solving gives an eigenvector v₁’ = [sinθ, 1-cosθ, 0]ᵀ. Using half-angle identities, this is proportional to [2sin(θ/2)cos(θ/2), 2sin²(θ/2), 0]ᵀ, or [cos(θ/2), sin(θ/2), 0]ᵀ. This has a magnitude of 1. So, v₁ = [cos(θ/2), sin(θ/2), 0]ᵀ .

For λ₂ = -1: [[cosθ+1, sinθ, 0], [sinθ, -cosθ+1, 0], [0, 0, -1]] [x, y, z]ᵀ = 0 -z = 0 ⇒ z = 0. (cosθ+1)x + (sinθ)y = 0 Solving gives an eigenvector v₂’ = [sinθ, -(1+cosθ), 0]ᵀ. This is proportional to [sin(θ/2), -cos(θ/2), 0]ᵀ. This has a magnitude of 1. So, v₂ = [sin(θ/2), -cos(θ/2), 0]ᵀ .

For λ₃ = -2: [[cosθ+2, sinθ, 0], [sinθ, -cosθ+2, 0], [0, 0, 0]] [x, y, z]ᵀ = 0 These equations yield x=0, y=0. z can be any value. An eigenvector is v₃’ = [0, 0, 1]ᵀ. This is already normalized. v₃ = [0, 0, 1]ᵀ . 3. Diagonalizing Matrix: The diagonalizing matrix P has the normalized eigenvectors as its columns. P = [[cos(θ/2), sin(θ/2), 0], [sin(θ/2), -cos(θ/2), 0], [0, 0, 1]] This matrix will diagonalize M: P⁻¹MP = D, where D is the diagonal matrix of eigenvalues.

(b) Harmonic Function and Complex Function Given function: u(x, y) = 3x²y + 2x² – y³ – 2y² The question paper appears to have a typo. A common related problem is u(x,y) = 3x²y – y³. Let’s assume u(x, y) = 3x²y – y³ + 2x² – 2y². 1. Verification of Harmonic Property: A function is harmonic if it satisfies Laplace’s equation ∇²u = ∂²u/∂x² + ∂²u/∂y² = 0. ∂u/∂x = 6xy + 4x ⇒ ∂²u/∂x² = 6y + 4 ∂u/∂y = 3x² – 3y² – 4y ⇒ ∂²u/∂y² = -6y – 4 ∇²u = (6y + 4) + (-6y – 4) = 0 Since ∇²u = 0, the function u(x, y) is harmonic . 2. Calculation of Conjugate Harmonic Function v(x, y): Use the Cauchy-Riemann equations: (i) ∂v/∂y = ∂u/∂x = 6xy + 4x (ii) ∂v/∂x = -∂u/∂y = -(3x² – 3y² – 4y) = -3x² + 3y² + 4y Integrate equation (i) with respect to y: v(x, y) = ∫ (6xy + 4x) dy = 3xy² + 4xy + g(x) where g(x) is a function of x. Now, differentiate this v(x,y) with respect to x and compare with equation (ii): ∂v/∂x = 3y² + 4y + g'(x) Comparing to equation (ii): 3y² + 4y + g'(x) = -3x² + 3y² + 4y g'(x) = -3x² g(x) = ∫ -3x² dx = -x³ + C Setting the integration constant C to zero, we get: v(x, y) = 3xy² + 4xy – x³ 3. Construction of Complex Function f(z): f(z) = u(x, y) + i v(x, y) f(z) = (3x²y + 2x² – y³ – 2y²) + i (3xy² + 4xy – x³) Rearranging terms: f(z) = (2x² – 2y² + 4ixy) – ix³ – 3x²y + 3ixy² + iy³ f(z) = 2(x² – y² + 2ixy) – i(x³ + 3x²(iy) + 3x(iy)² + (iy)³) Using z=x+iy, z²=x²-y²+2ixy, and z³=x³+3x²(iy)+3x(iy)²+(iy)³. f(z) = 2z² – i(x+iy)³ = 2z² – iz³ Hence, the complex function is f(z) = 2z² – iz³ .

Q6. (a) Determine the value of Gamma function Γ(1/2). 4 (b) Determine and classify all the singularities of the following complex functions: 4+2 (i) z / (e^z + 1) (ii) 1 / (2 sin(z) – 1)²

Ans. (a) Value of Γ(1/2) The definition of the Gamma function is: Γ(z) = ∫[0 to ∞] t^(z-1) e^(-t) dt Setting z = 1/2, we get: Γ(1/2) = ∫[0 to ∞] t^(1/2 – 1) e^(-t) dt = ∫[0 to ∞] t^(-1/2) e^(-t) dt To evaluate this integral, we use the substitution t = x². Then, dt = 2x dx. When t = 0, x = 0; when t → ∞, x → ∞. Making the substitution: Γ(1/2) = ∫[0 to ∞] (x²)^(-1/2) e^(-x²) (2x dx) Γ(1/2) = ∫[0 to ∞] x⁻¹ e^(-x²) (2x dx) Γ(1/2) = 2 ∫[0 to ∞] e^(-x²) dx This is related to the famous Gaussian integral: ∫[-∞ to ∞] e^(-x²) dx = √π Since e^(-x²) is an even function (i.e., f(x) = f(-x)), we can write: ∫[-∞ to ∞] e^(-x²) dx = 2 ∫[0 to ∞] e^(-x²) dx So, 2 ∫[0 to ∞] e^(-x²) dx = √π Therefore, comparing with our expression for Γ(1/2), we find directly: Γ(1/2) = √π

(b) Determination and Classification of Singularities (i) f(z) = z / (e^z + 1) Singularities occur when the denominator is zero: e^z + 1 = 0 ⇒ e^z = -1 Writing -1 in polar form, -1 = e^(iπ). Since e^z is periodic with period 2πi, the general solution is: e^z = e^(i(π + 2nπ)) = e^(i(2n+1)π), where n is an integer. Taking the logarithm of both sides: z = i(2n+1)π, n ∈ ℤ These are the singularities. To classify them, we consider the numerator g(z) = z and denominator h(z) = e^z + 1. At these singularities, the numerator g(z_n) = i(2n+1)π ≠ 0 (unless n=-1/2, which is not an integer). Check the derivative of the denominator: h'(z) = e^z. Evaluate the derivative at the singularities: h'(i(2n+1)π) = e^(i(2n+1)π) = -1 ≠ 0. Since h(z_n) = 0 but h'(z_n) ≠ 0, these singularities are simple poles .

(ii) f(z) = 1 / (2 sin(z) – 1)² Singularities occur when the denominator is zero: (2 sin(z) – 1)² = 0 ⇒ sin(z) = 1/2 Using the definition of sin z, sin(z) = (e^(iz) – e^(-iz)) / (2i): (e^(iz) – e^(-iz)) / (2i) = 1/2 e^(iz) – e^(-iz) = i Letting w = e^(iz), the equation becomes w – 1/w = i. Multiplying by w: w² – 1 = iw ⇒ w² – iw – 1 = 0 Solving this quadratic equation for w: w = [ -(-i) ± √((-i)² – 4(1)(-1)) ] / 2 = [ i ± √(-1 + 4) ] / 2 = (i ± √3) / 2 There are two values for w = e^(iz): 1. e^(iz) = (√3 + i)/2 = e^(iπ/6). So, iz = iπ/6 + 2nπi ⇒ z = π/6 + 2nπ 2. e^(iz) = (-√3 + i)/2 = e^(i5π/6). So, iz = i5π/6 + 2nπi ⇒ z = 5π/6 + 2nπ (where n ∈ ℤ). These are the singularities. Now, to classify them. The denominator is h(z) = (g(z))², where g(z) = 2 sin(z) – 1. The zeros of g(z) are sin(z) = 1/2, which gives the series of z values above. Check g'(z) = 2 cos(z). At z = π/6 + 2nπ, cos(z) = cos(π/6) = √3/2 ≠ 0. At z = 5π/6 + 2nπ, cos(z) = cos(5π/6) = -√3/2 ≠ 0. Since g(z) has a simple zero at these points (because g=0 but g’≠0), then h(z) = (g(z))² has a zero of order 2 at these points. Therefore, the function f(z) = 1/h(z) has poles of order 2 at: z = π/6 + 2nπ and z = 5π/6 + 2nπ, n ∈ ℤ.

Q7. Evaluate the integral ∫[0 to ∞] cos(x) / (x² + a²) dx by the method of Residues. (a>0) 10

Ans. We want to evaluate the integral I = ∫[0 to ∞] cos(x) / (x² + a²) dx. Since the integrand is an even function (because cos(-x) = cos(x) and (-x)² = x²), we can write: ∫[-∞ to ∞] cos(x) / (x² + a²) dx = 2I So, I = (1/2) ∫[-∞ to ∞] cos(x) / (x² + a²) dx. We evaluate this integral using contour integration. We consider the integral as the real part of: ∫[-∞ to ∞] cos(x) / (x² + a²) dx = Re [ ∫[-∞ to ∞] e^(ix) / (x² + a²) dx ] Now consider the complex function f(z) = e^(iz) / (z² + a²) and integrate it over a contour C consisting of a semicircle of radius R in the upper half-plane (C_R) and the segment of the real axis from -R to R. 1. Locating the Poles: The singularities are found by solving the denominator z² + a² = 0. z² = -a² ⇒ z = ±ia. Since we are considering a contour in the upper half-plane, only the pole at z = +ia lies inside the contour C (assuming a > 0). This is a simple pole. 2. Calculating the Residue at z = ia: The residue is given by Res(f, z₀) = lim[z→z₀] (z-z₀)f(z). Res(f, ia) = lim[z→ia] (z-ia) * e^(iz) / ((z-ia)(z+ia)) Res(f, ia) = lim[z→ia] e^(iz) / (z+ia) Res(f, ia) = e^(i(ia)) / (ia + ia) = e^(-a) / (2ia) 3. Applying the Residue Theorem: The integral around the closed contour C is: ∮_C f(z) dz = 2πi * (Sum of residues inside the contour) ∮_C f(z) dz = 2πi * [ e^(-a) / (2ia) ] = πe^(-a) / a 4. Evaluating the Contour Integral: The contour integral can be split into two parts: ∮_C f(z) dz = ∫[-R to R] f(x) dx + ∫[C_R] f(z) dz According to Jordan’s Lemma, if |g(z)| → 0 as |z| → ∞ in the upper half-plane, then ∫[C_R] g(z)e^(ikz) dz → 0 as R → ∞ (for k>0). In our case, g(z) = 1/(z² + a²) and |g(z)| ≈ 1/R² → 0 as R→∞. Therefore, the integral over the semicircular arc vanishes: lim[R→∞] ∫[C_R] e^(iz) / (z² + a²) dz = 0 Thus, as R → ∞: ∮_C f(z) dz = ∫[-∞ to ∞] e^(ix) / (x² + a²) dx 5. Final Result: Combining the results: ∫[-∞ to ∞] e^(ix) / (x² + a²) dx = πe^(-a) / a Now, we take the real part: ∫[-∞ to ∞] cos(x) / (x² + a²) dx = Re [ πe^(-a) / a ] = πe^(-a) / a The original integral I is: I = ∫[0 to ∞] cos(x) / (x² + a²) dx = (1/2) ∫[-∞ to ∞] cos(x) / (x² + a²) dx I = (1/2) * (πe^(-a) / a) Therefore, ∫[0 to ∞] cos(x) / (x² + a²) dx = πe^(-a) / (2a) .

Q8. (a) Solve the initial value problem: 7 y” + 5y’ + 4y = f(t) y(0)=0, y'(0)=0 with f(t) = {1, 0<t<1; 0, otherwise} using the methods of Laplace transforms. (b) Define equivalence classes of a group. 3

Ans. (a) Solution of the Initial Value Problem The given differential equation is: y” + 5y’ + 4y = f(t), with y(0)=0, y'(0)=0. The function f(t) can be written in terms of the Heaviside step function u(t): f(t) = 1 * [u(t) – u(t-1)] = u(t) – u(t-1). 1. Taking the Laplace Transform: Take the Laplace transform of both sides of the equation. Let L{y(t)} = Y(s). L{y”} = s²Y(s) – sy(0) – y'(0) = s²Y(s) L{y’} = sY(s) – y(0) = sY(s) L{f(t)} = L{u(t) – u(t-1)} = L{u(t)} – L{u(t-1)} = 1/s – e^(-s)/s = (1 – e^(-s))/s The transformed equation is: s²Y(s) + 5sY(s) + 4Y(s) = (1 – e^(-s))/s (s² + 5s + 4)Y(s) = (1 – e^(-s))/s (s+1)(s+4)Y(s) = (1 – e^(-s))/s Y(s) = (1 – e^(-s)) / (s(s+1)(s+4)) 2. Partial Fraction Decomposition: Let G(s) = 1 / (s(s+1)(s+4)). We decompose this into partial fractions: G(s) = A/s + B/(s+1) + C/(s+4) A = [1/((s+1)(s+4))] at s=0 = 1/4 B = [1/(s(s+4))] at s=-1 = 1/(-1*3) = -1/3 C = [1/(s(s+1))] at s=-4 = 1/(-4*-3) = 1/12 So, G(s) = (1/4)/s – (1/3)/(s+1) + (1/12)/(s+4) 3. Taking the Inverse Laplace Transform: First, find g(t) = L⁻¹{G(s)}: g(t) = (1/4)L⁻¹{1/s} – (1/3)L⁻¹{1/(s+1)} + (1/12)L⁻¹{1/(s+4)} g(t) = 1/4 – (1/3)e^(-t) + (1/12)e^(-4t) Now, Y(s) = G(s) – e^(-s)G(s). The inverse Laplace transform y(t) = L⁻¹{Y(s)} is: y(t) = L⁻¹{G(s)} – L⁻¹{e^(-s)G(s)} Using the second time-shifting theorem, L⁻¹{e^(-as)F(s)} = f(t-a)u(t-a). y(t) = g(t) – g(t-1)u(t-1) 4. Final Solution: The solution can be written piecewise:

  • For 0 < t < 1: u(t-1) = 0, so

y(t) = g(t) =

1/4 – (1/3)e^(-t) + (1/12)e^(-4t)

  • For t ≥ 1: u(t-1) = 1, so

y(t) = g(t) – g(t-1)

y(t) = (1/4 – (1/3)e^(-t) + (1/12)e^(-4t)) – (1/4 – (1/3)e^(-(t-1)) + (1/12)e^(-4(t-1)))

y(t) =

-(1/3)(e^(-t) – e

e^(-t)) + (1/12)(e^(-4t) – e⁴

e^(-4t))

y(t) =

(e-1)/3

e^(-t) – (e⁴-1)/12

e^(-4t)

(b) Equivalence Classes In mathematics, an equivalence relation is a binary relation on a set that is reflexive, symmetric, and transitive. Any such equivalence relation partitions the set into disjoint subsets called equivalence classes . A relation ~ on a set S is an equivalence relation if for all a, b, and c in S: 1. Reflexivity: a ~ a 2. Symmetry: if a ~ b, then b ~ a 3. Transitivity: if a ~ b and b ~ c, then a ~ c The equivalence class of an element a in S, denoted [a], is the set of all elements x that are equivalent to a: [a] = {x ∈ S | x ~ a}. In the context of Group Theory: There are two important examples of equivalence classes in group theory: 1. Conjugacy Classes: In a group G, ‘being conjugate’ is an equivalence relation. Two elements a, b ∈ G are called conjugate if there exists an element g in G such that b = g⁻¹ag . The equivalence classes resulting from this relation are called the conjugacy classes. The conjugacy class of a is Cl(a) = {g⁻¹ag | g ∈ G}. The group G is a disjoint union of its conjugacy classes. 2. Cosets: Let H be a subgroup of a group G. We can define a relation ~ on G by a ~ b if a⁻¹b ∈ H. This is an equivalence relation. The equivalence classes of this relation are the left cosets of H in G. The equivalence class [a] containing element a is the set {x ∈ G | x ~ a} = {x ∈ G | a⁻¹x ∈ H} = {ah | h ∈ H} = aH. Similarly, right cosets arise from another equivalence relation (ab⁻¹ ∈ H).


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