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IGNOU MTE-06 Solved Question Paper PDF

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IGNOU MTE-06 Previous Year Solved Question Paper in Hindi
Q1. (a) ऑयलर φ-फलन को परिभाषित कीजिए। आगे, φ(8) और 7 φ(8) (mod 8) निकालिए। 3 (b) समूह Z₁₅ के सभी जनक अवयवों को सूचित कीजिए। अपनी सूची की पुष्टि कीजिए। 2 (c) कोटि 35 वाले एक समूह के सभी सीलो उपसमूह निकालिए। क्या यह समूह चक्रीय है? अपने उत्तर की पुष्टि कीजिए। 5
Ans. (a) ऑयलर φ-फलन की परिभाषा: एक धनात्मक पूर्णांक n के लिए, ऑयलर φ-फलन, जिसे φ(n) से दर्शाया जाता है, उन धनात्मक पूर्णांकों की संख्या है जो n से कम या बराबर हैं और n के साथ सह-अभाज्य (relatively prime) हैं। अर्थात्, φ(n) = |{k ∈ {1, 2, …, n} | gcd(k, n) = 1}|।
φ(8) का मान: हमें 8 से कम या बराबर उन पूर्णांकों को खोजना है जो 8 के साथ सह-अभाज्य हैं। ये पूर्णांक {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8} हैं। इनमें से 8 के साथ सह-अभाज्य पूर्णांक 1, 3, 5, 7 हैं। अतः, φ(8) = 4 ।
7 φ(8) (mod 8) का मान: हमें 7⁴ (mod 8) का मान ज्ञात करना है। ऑयलर के प्रमेय के अनुसार, यदि gcd(a, n) = 1, तो a φ(n) ≡ 1 (mod n)। यहाँ, a = 7 और n = 8 है। चूँकि gcd(7, 8) = 1, हम प्रमेय का उपयोग कर सकते हैं।
7 φ(8) ≡ 1 (mod 8)
7⁴ ≡ 1 (mod 8)
अतः, 7 φ(8) (mod 8) का मान 1 है।
(b) समूह Z₁₅ , पूर्णांकों का मॉड्यूलो 15 के अंतर्गत योग की संक्रिया के साथ एक चक्रीय समूह है। इस समूह के जनक वे अवयव [k] ∈ Z₁₅ होते हैं जिनके लिए gcd(k, 15) = 1 हो। हमें k ∈ {1, 2, …, 14} के मान ज्ञात करने हैं।
चूँकि 15 = 3 × 5, k को 3 या 5 का गुणज नहीं होना चाहिए।
15 से कम धनात्मक पूर्णांक जो 3 या 5 से विभाज्य नहीं हैं, वे हैं: 1, 2, 4, 7, 8, 11, 13, 14।
अतः, Z₁₅ के जनक निम्नलिखित हैं:
[1], [2], [4], [7], [8], [11], [13], [14] । इनकी कुल संख्या φ(15) = φ(3)φ(5) = (3-1)(5-1) = 2 × 4 = 8 है, जो हमारी सूची से मेल खाती है। (c) मान लीजिए G कोटि 35 का एक समूह है। तो |G| = 35 = 5 × 7।
सीलो उपसमूह:
- सीलो 5-उपसमूह: मान लीजिए सीलो 5-उपसमूहों की संख्या n₅ है। सीलो के तीसरे प्रमेय के अनुसार, n₅ | 7 और n₅ ≡ 1 (mod 5)। 7 के भाजक 1 और 7 हैं। इनमें से केवल 1 ही 1 (mod 5) के सर्वांगसम है (क्योंकि 7 ≡ 2 (mod 5))। अतः, n₅ = 1 । इसका अर्थ है कि G में एक अद्वितीय सीलो 5-उपसमूह है, मान लीजिए P. क्योंकि यह अद्वितीय है, यह G में एक प्रसामान्य उपसमूह है और |P|=5।
- सीलो 7-उपसमूह: मान लीजिए सीलो 7-उपसमूहों की संख्या n₇ है। सीलो के तीसरे प्रमेय के अनुसार, n₇ | 5 और n₇ ≡ 1 (mod 7)। 5 के भाजक 1 और 5 हैं। इनमें से केवल 1 ही 1 (mod 7) के सर्वांगसम है। अतः, n₇ = 1 । इसका अर्थ है कि G में एक अद्वितीय सीलो 7-उपसमूह है, मान लीजिए Q. क्योंकि यह अद्वितीय है, यह G में एक प्रसामान्य उपसमूह है और |Q|=7।
क्या समूह चक्रीय है?
हाँ, समूह चक्रीय है। इसकी पुष्टि इस प्रकार है:
- P और Q क्रमशः कोटि 5 और 7 के समूह हैं, जो अभाज्य संख्याएँ हैं। इसलिए P और Q दोनों चक्रीय समूह हैं।
- P और Q दोनों G के प्रसामान्य उपसमूह हैं।
- चूंकि |P| और |Q| सह-अभाज्य हैं, उनका सर्वनिष्ठ केवल तत्समक अवयव है: P ∩ Q = {e}।
- G में PQ के अवयवों की संख्या |PQ| = (|P| |Q|) / |P ∩ Q| = (5 × 7) / 1 = 35 = |G| है। अतः G = PQ।
- चूँकि P और Q, G के प्रसामान्य उपसमूह हैं, G उनके आंतरिक प्रत्यक्ष गुणनफल के तुल्याकारी है, G ≅ P × Q।
- चूँकि P ≅ Z₅ और Q ≅ Z₇, हम लिख सकते हैं G ≅ Z₅ × Z₇।
- चूँकि gcd(5, 7) = 1, प्रत्यक्ष गुणनफल Z₅ × Z₇ चक्रीय समूह Z₅ₓ₇ = Z₃₅ के तुल्याकारी है।
इसलिए, कोटि 35 का कोई भी समूह चक्रीय होता है।
Q2. (क) मान लीजिए कि G, -1 को छोड़कर सभी वास्तविक संख्याओं का समुच्चय है। G पर संक्रिया सभी a, b ∈ G के लिए a b = ab + a + b द्वारा परिभाषित कीजिए। जाँच कीजिए कि G एक आबेली समूह है या नहीं। 4 (ख) मान लीजिए वलय R इस प्रकार है कि सभी r ∈ R के लिए r² = r। दिखाइए कि R क्रमविनिमेय है। R का अभिलाक्षणिक भी ज्ञात कीजिए। 3 (ग) पुष्टि के साथ एक वलय R का उदाहरण दीजिए जो पूर्णांकीय प्रान्त नहीं है परन्तु उसकी प्रत्येक गुणजावली मुख्य है। 3
Ans. (क) हमें जांचना है कि क्या (G, ), जहाँ G = ℝ \ {-1} और a b = ab + a + b, एक आबेली समूह है। इसके लिए हम समूह के अभिगृहीतों की जाँच करेंगे:
- संवृत गुणधर्म (Closure): मान लीजिए a, b ∈ G, तो a ≠ -1 और b ≠ -1। यदि a b = -1, तो ab + a + b = -1 ⇒ ab + a + b + 1 = 0 ⇒ (a+1)(b+1) = 0। इसका अर्थ है a = -1 या b = -1, जो एक विरोधाभास है। अतः, a b ≠ -1, जिसका अर्थ है a*b ∈ G। G संवृत है।
- साहचर्यता (Associativity): (a b) c = (ab+a+b)*c = (ab+a+b)c + (ab+a+b) + c = abc+ac+bc+ab+a+b+c. a (b c) = a*(bc+b+c) = a(bc+b+c) + a + (bc+b+c) = abc+ab+ac+a+bc+b+c. दोनों परिणाम समान हैं, अतः * साहचर्य है।
- तत्समक अवयव (Identity): एक अवयव e ∈ G ऐसा होना चाहिए कि a*e = a। ae + a + e = a ⇒ ae + e = 0 ⇒ e(a+1) = 0। चूँकि यह सभी a ∈ G (a ≠ -1) के लिए सत्य है, इसलिए e = 0। 0 ∈ G क्योंकि 0 ≠ -1। तो, 0 तत्समक अवयव है ।
- प्रतिलोम अवयव (Inverse): प्रत्येक a ∈ G के लिए, एक a’ ∈ G ऐसा होना चाहिए कि a*a’ = 0। aa’ + a + a’ = 0 ⇒ a'(a+1) = -a ⇒ a’ = -a/(a+1)। चूँकि a ≠ -1, a’ परिभाषित है। यदि a’ = -1, तो -a/(a+1) = -1 ⇒ -a = -a-1 ⇒ 0 = -1, जो असत्य है। अतः a’ ∈ G। प्रत्येक अवयव का प्रतिलोम विद्यमान है।
- क्रमविनिमेयता (Commutativity): a*b = ab + a + b। b*a = ba + b + a। चूँकि वास्तविक संख्याओं का गुणन और योग क्रमविनिमेय है, ab = ba और a+b = b+a। अतः a b = b a।
चूँकि सभी अभिगृहीत संतुष्ट होते हैं, G एक आबेली समूह है । (ख) दिया गया है कि R एक वलय है जिसमें r² = r सभी r ∈ R के लिए। ऐसे वलय को बूलीय वलय कहते हैं।
क्रमविनिमेयता: मान लीजिए a, b ∈ R। तब (a+b) ∈ R, तो (a+b)² = a+b।
(a+b)(a+b) = a+b ⇒ a² + ab + ba + b² = a+b।
चूँकि a²=a और b²=b, हम पाते हैं a + ab + ba + b = a+b।
दोनों पक्षों से a+b घटाने पर, ab + ba = 0, जिसका अर्थ है ab = -ba ।
अब, किसी भी r ∈ R के लिए, (r+r)² = r+r।
(r+r)² = r² + r² + r² + r² = r+r+r+r = 4r।
लेकिन (r+r) = 2r, तो (2r)² = 4r² = 4r।
इसलिए, 4r = 2r, जिसका अर्थ है 2r = 0 सभी r ∈ R के लिए।
2r = 0 का अर्थ है r = -r।
समीकरण ab = -ba में, हम -ba को ba से प्रतिस्थापित कर सकते हैं, क्योंकि -r = r।
अतः, ab = ba । इसलिए, R क्रमविनिमेय है ।
अभिलाक्षणिक (Characteristic): जैसा कि ऊपर दिखाया गया है, 2r = 0 सभी r ∈ R के लिए। यदि R शून्य वलय {0} नहीं है, तो एक अशून्य r मौजूद है, और इसलिए वलय का अभिलाक्षणिक 2 है। यदि R = {0}, तो अभिलाक्षणिक 1 है। सामान्यतः, एक अशून्य बूलीय वलय का अभिलाक्षणिक 2 होता है। (ग) हमें एक ऐसे वलय R का उदाहरण देना है जो एक पूर्णांकीय प्रांत नहीं है, लेकिन जिसकी प्रत्येक गुणजावली मुख्य है (अर्थात्, एक मुख्य गुणजावली वलय)।
वलय Z₆ (पूर्णांक मॉड्यूलो 6) पर विचार करें।
- पूर्णांकीय प्रांत नहीं: Z₆ में, [2] ≠ [0] और [3] ≠ [0], लेकिन [2] ⋅ [3] = [6] = [0]। चूँकि इसमें शून्य के भाजक हैं, यह एक पूर्णांकीय प्रांत नहीं है।
- प्रत्येक गुणजावली मुख्य है: Zₙ में गुणजावलियाँ उसके योज्य उपसमूहों के समान होती हैं। चूँकि (Z₆, +) एक चक्रीय समूह है, इसके सभी उपसमूह भी चक्रीय होते हैं और एक ही अवयव द्वारा उत्पन्न होते हैं। Z₆ की गुणजावलियाँ (और उपसमूह) हैं:
- <[0]> = {[0]}
- <[1]> = Z₆
- <[2]> = {[0], [2], [4]}
- <[3]> = {[0], [3]}
ये सभी गुणजावलियाँ एक ही अवयव द्वारा उत्पन्न होती हैं, इसलिए वे सभी मुख्य गुणजावलियाँ हैं।
अतः, Z₆ एक ऐसा वलय है जो पूर्णांकीय प्रांत नहीं है, लेकिन एक मुख्य गुणजावली वलय है। Z₄ भी एक अन्य उदाहरण है।
Q3. (क) यदि समूह G में N एक सूचकांक 2 वाला एक उपसमूह है, तो दर्शाइए कि G में N प्रसामान्य उपसमूह है। 3 (ख) मान लीजिए f:Z→Z, f(x)=x²-2 द्वारा परिभाषित है। f⁻¹({0, 1, 2}) निकालिए। 2 (ग) जाँच कीजिए कि Q[x] / <x² + 2x + 2> एक क्षेत्र है या नहीं। 5
Ans. (क) दिया गया है कि N, समूह G का एक उपसमूह है और इसका सूचकांक [G:N] = 2 है। इसका मतलब है कि G में N के ठीक दो वाम सहसमुच्चय (left cosets) और ठीक दो दक्षिण सहसमुच्चय (right cosets) हैं।
एक वाम सहसमुच्चय स्वयं N है। मान लीजिए दूसरा वाम सहसमुच्चय aN है, जहाँ a ∈ G और a ∉ N। तब G, N और aN का असंयुक्त संघ है, अर्थात G = N ∪ aN।
इसी प्रकार, एक दक्षिण सहसमुच्चय स्वयं N है। दूसरा दक्षिण सहसमुच्चय Na होगा। तब G = N ∪ Na।
हमें यह सिद्ध करना है कि N, G में प्रसामान्य है, अर्थात सभी g ∈ G के लिए gN = Ng।
- स्थिति 1: यदि g ∈ N। तब gN = N (क्योंकि N एक उपसमूह है) और Ng = N। अतः, gN = Ng।
- स्थिति 2: यदि g ∉ N। तब gN, N के बराबर नहीं है, इसलिए यह दूसरा वाम सहसमुच्चय होना चाहिए। अतः gN = G \ N। इसी प्रकार, Ng, N के बराबर नहीं है, इसलिए यह दूसरा दक्षिण सहसमुच्चय होना चाहिए। अतः Ng = G \ N। इस प्रकार, gN = Ng।
चूंकि दोनों स्थितियों में gN = Ng सभी g ∈ G के लिए सत्य है, N, G में एक प्रसामान्य उपसमूह है । (ख) दिया गया फलन f: Z → Z, f(x) = x² – 2 है। हमें f⁻¹({0, 1, 2}) का मान ज्ञात करना है।
परिभाषा के अनुसार, f⁻¹({0, 1, 2}) = {x ∈ Z | f(x) ∈ {0, 1, 2}}।
हमें पूर्णांक x के लिए निम्नलिखित समीकरणों को हल करना होगा:
- f(x) = 0: x² – 2 = 0 ⇒ x² = 2। इसका कोई पूर्णांक हल नहीं है।
- f(x) = 1: x² – 2 = 1 ⇒ x² = 3। इसका कोई पूर्णांक हल नहीं है।
- f(x) = 2: x² – 2 = 2 ⇒ x² = 4। इसके पूर्णांक हल x = 2 और x = -2 हैं।
अतः, दिए गए समुच्चय का प्रतिलोम बिम्ब केवल वे पूर्णांक हैं जो समीकरण 3 को संतुष्ट करते हैं।
इसलिए, f⁻¹({0, 1, 2}) = {-2, 2} । (ग) एक विभाग वलय (quotient ring) R/I एक क्षेत्र (field) होता है यदि और केवल यदि गुणजावली I, वलय R में एक उच्चिष्ठ गुणजावली (maximal ideal) हो।
यहाँ, वलय R = Q[x] है, जो परिमेय गुणांकों वाले बहुपदों का वलय है। यह एक मुख्य गुणजावली प्रांत (PID) है।
एक मुख्य गुणजावली प्रांत में, एक गुणजावली
यहाँ, आधार क्षेत्र Q (परिमेय संख्याएँ) है और बहुपद p(x) = x² + 2x + 2 है।
हमें यह जांचना है कि क्या p(x) = x² + 2x + 2, Q पर अखंडनीय है।
द्विघात सूत्र का उपयोग करके p(x) के मूल ज्ञात करते हैं:
x = [-b ± √(b² – 4ac)] / 2a
x = [-2 ± √(2² – 4⋅1⋅2)] / 2 = [-2 ± √(4 – 8)] / 2 = [-2 ± √(-4)] / 2 = [-2 ± 2i] / 2 = -1 ± i।
चूँकि मूल -1 + i और -1 – i सम्मिश्र संख्याएँ हैं और परिमेय नहीं हैं, बहुपद p(x) का Q में कोई मूल नहीं है।
एक द्विघात बहुपद एक क्षेत्र पर अखंडनीय होता है यदि उसका उस क्षेत्र में कोई मूल न हो। अतः, p(x) = x² + 2x + 2, Q पर अखंडनीय है।
चूँकि p(x), Q पर अखंडनीय है, गुणजावली I =
इसलिए, विभाग वलय Q[x] /
Q4. (क) क्रमचय σ = (1 2 3 4 5 6 7 8 9 / 8 9 2 3 7 6 5 4 1) को असंयुक्त चक्रों के गुणनफल के रूप में लिखिए। क्या यह σ सम है? अपने उत्तर की पुष्टि कीजिए। 3 (ख) वलयों के लिए समाकारिता का मूल प्रमेय लिखिए। आगे, उसको उपयोग करके सिद्ध कीजिए कि R[x]/<x> ≅ R। 7
Ans. (क) दिया गया क्रमचय है:
σ = (1 2 3 4 5 6 7 8 9 / 8 9 2 3 7 6 5 4 1)
असंयुक्त चक्रों का गुणनफल:
हम चक्रों का पता लगाते हैं:
1 → 8 → 4 → 3 → 2 → 9 → 1। यह चक्र (1 8 4 3 2 9) देता है।
5 → 7 → 5। यह चक्र (5 7) देता है।
6 → 6। यह एक स्थिर बिंदु है।
अतः, असंयुक्त चक्रों के गुणनफल के रूप में, σ = (1 8 4 3 2 9)(5 7) ।
क्या σ सम है?
एक क्रमचय सम (even) होता है यदि उसे पक्षांतरणों (transpositions or 2-cycles) की सम संख्या के गुणनफल के रूप में लिखा जा सकता है।
- चक्र (1 8 4 3 2 9) की लंबाई 6 है। इसे 6 – 1 = 5 पक्षांतरणों के गुणनफल के रूप में लिखा जा सकता है: (1 9)(1 2)(1 3)(1 4)(1 8)। यह एक विषम क्रमचय है।
- चक्र (5 7) की लंबाई 2 है। यह स्वयं एक पक्षांतरण है। यह एक विषम क्रमचय है।
σ एक विषम क्रमचय और एक अन्य विषम क्रमचय का गुणनफल है। दो विषम क्रमचयों का गुणनफल हमेशा एक सम क्रमचय होता है। (विषम + विषम = सम)।
कुल पक्षांतरणों की संख्या 5 + 1 = 6 है, जो एक सम संख्या है।
अतः, σ एक सम क्रमचय है । (ख) वलयों के लिए समाकारिता का मूल प्रमेय (Fundamental Theorem of Homomorphism for Rings):
यदि f: R → S एक आच्छादक (surjective) वलय समाकारिता है, तो विभाग वलय R/ker(f) वलय S के तुल्याकारी (isomorphic) होता है। अर्थात्, R/ker(f) ≅ S । R[x]/
हम इस प्रमेय का उपयोग करने के लिए R[x] से R तक एक उपयुक्त आच्छादक समाकारिता परिभाषित करेंगे।
मानचित्रण f: R[x] → R को f(p(x)) = p(0) के रूप में परिभाषित करें। यह “0 पर मूल्यांकन” मानचित्र है।
- f एक वलय समाकारिता है: मान लीजिए p(x), q(x) ∈ R[x]।
- f(p(x) + q(x)) = (p+q)(0) = p(0) + q(0) = f(p(x)) + f(q(x))।
- f(p(x)q(x)) = (pq)(0) = p(0)q(0) = f(p(x))f(q(x))।
अतः f एक वलय समाकारिता है।
- f आच्छादक (surjective) है: मान लीजिए r ∈ R कोई भी अवयव है। हमें एक बहुपद p(x) ∈ R[x] खोजना है जिसके लिए f(p(x)) = r हो। अचर बहुपद p(x) = r पर विचार करें। यह R[x] में है। तब f(p(x)) = p(0) = r। चूंकि R के प्रत्येक अवयव के लिए R[x] में एक पूर्व-बिम्ब मौजूद है, f आच्छादक है।
- f की अष्टि (kernel) ज्ञात करना: ker(f) = {p(x) ∈ R[x] | f(p(x)) = 0}। f(p(x)) = p(0) = 0। यदि p(x) = a₀ + a₁x + … + aₙxⁿ, तो p(0) = a₀। p(0) = 0 का अर्थ है कि बहुपद का अचर पद शून्य है। p(x) = a₁x + a₂x² + … + aₙxⁿ = x(a₁ + a₂x + … + aₙxⁿ⁻¹)। इसका मतलब है कि p(x), x का एक गुणज है। अतः, ker(f) उन सभी बहुपदों का समुच्चय है जो x से विभाज्य हैं, जो कि x द्वारा उत्पन्न मुख्य गुणजावली है। अर्थात्, ker(f) = <x> ।
- मूल प्रमेय का अनुप्रयोग: हमारे पास एक आच्छादक वलय समाकारिता f: R[x] → R है जिसकी अष्टि ker(f) = <x> है। वलयों के लिए समाकारिता के मूल प्रमेय के अनुसार, R[x]/ker(f) ≅ R अतः, R[x]/<x> ≅ R ।
Q5. (क) यह दिखाने के लिए, पुष्टि के साथ उदाहरण दीजिए कि यदि N समूह G का प्रसामान्य उपसमूह है तो N का केन्द्र G के केन्द्र में आविष्ट नहीं हो सकता है। 3 (ख) दिखाइए कि एक यूक्लिडीय प्रान्त R में किसी भी शून्येतर r ∈ R के लिए, d(1) ≤ d(r), जहाँ d एक यूक्लिडीय मानांकन है। 2 (ग) पुष्टि के साथ एक तत्समकी वलय का उदाहरण दीजिए जिसके एक उपवलय में तत्समक अवयव नहीं है। 2 (घ) गणितीय आगमन विधि द्वारा सिद्ध कीजिए कि प्रत्येक n ∈ N, n > 3 के लिए n² < 2ⁿ। 3
Ans. (क) हमें एक समूह G और उसके एक प्रसामान्य उपसमूह N का उदाहरण देना है, जहाँ N का केंद्र Z(N), G के केंद्र Z(G) में समाहित न हो।
सममित समूह G = S₃ पर विचार करें, जो 3 अवयवों पर क्रमचयों का समूह है। |S₃| = 6।
G = {e, (12), (13), (23), (123), (132)}।
मान लीजिए N = A₃ = {e, (123), (132)} , जो सम क्रमचयों का उपसमूह है।
N, G का एक प्रसामान्य उपसमूह है क्योंकि इसका सूचकांक [G:N] = 6/3 = 2 है।
अब हम केंद्र ज्ञात करते हैं:
- N का केंद्र, Z(N): N कोटि 3 का एक चक्रीय समूह है, इसलिए यह आबेली है। अतः, इसका केंद्र स्वयं N के बराबर है। Z(N) = N = {e, (123), (132)} ।
- G का केंद्र, Z(G): G = S₃ का केंद्र केवल तत्समक अवयव होता है। उदाहरण के लिए, (123)(12) = (13) जबकि (12)(123) = (23)। चूँकि (123)(12) ≠ (12)(123), (123) केंद्र में नहीं है। इसी प्रकार, कोई भी अन्य गैर-तत्समक अवयव सभी अवयवों के साथ क्रम-विनिमय नहीं करता है। अतः, Z(G) = {e} ।
यहाँ, Z(N) = {e, (123), (132)} और Z(G) = {e}। स्पष्ट रूप से, Z(N) ⊄ Z(G) क्योंकि (123) ∈ Z(N) लेकिन (123) ∉ Z(G)।
अतः, S₃ एक उपयुक्त उदाहरण है। (ख) मान लीजिए R एक यूक्लिडीय प्रांत है जिसका यूक्लिडीय मानांकन (valuation) d है। यूक्लिडीय प्रांत की परिभाषा के अनुसार, किसी भी दो शून्येतर अवयवों a, b ∈ R के लिए, d(a) ≤ d(ab) होता है।
मान लीजिए r ∈ R एक कोई भी शून्येतर अवयव है।
वलय R में तत्समक अवयव 1 भी एक शून्येतर अवयव है।
उपरोक्त गुण में a = 1 और b = r रखने पर, हम पाते हैं:
d(1) ≤ d(1 ⋅ r)
d(1) ≤ d(r)
यह दर्शाता है कि किसी भी शून्येतर अवयव r के लिए, d(1) ≤ d(r) । इसका अर्थ है कि तत्समक अवयव का मानांकन मान सभी शून्येतर अवयवों में न्यूनतम होता है। (ग) हमें एक ऐसे वलय R का उदाहरण देना है जिसमें तत्समक हो, और उसका एक उपवलय S हो जिसमें R का तत्समक न हो।
वलय R = Z₆ = {[0], [1], [2], [3], [4], [5]} पर विचार करें। R का तत्समक अवयव [1] है।
अब इसके उपसमुच्चय S = {[0], [2], [4]} पर विचार करें।
हम जांचेंगे कि S एक उपवलय है या नहीं:
- (S, +) एक उपसमूह है: [2]+[4]=[0]∈S, [2]+[2]=[4]∈S, [4]+[4]=[2]∈S। यह योग के अंतर्गत संवृत है और प्रत्येक अवयव का प्रतिलोम S में है।
- (S, ⋅) गुणन के अंतर्गत संवृत है: [2]⋅[2]=[4]∈S, [2]⋅[4]=[8]=[2]∈S, [4]⋅[4]=[16]=[4]∈S।
चूंकि S योग के अंतर्गत एक उपसमूह है और गुणन के अंतर्गत संवृत है, S, R का एक उपवलय है।
R का तत्समक अवयव [1] है, और स्पष्ट रूप से [1] ∉ S ।
अतः, S = {[0], [2], [4]}, Z₆ का एक उपवलय है जिसमें Z₆ का तत्समक अवयव नहीं है। (ध्यान दें: S का अपना तत्समक अवयव [4] है, लेकिन यह R का तत्समक नहीं है।) (घ) हमें गणितीय आगमन विधि द्वारा सिद्ध करना है कि n² < 2ⁿ सभी n ∈ N, n > 3 के लिए।
टिप्पणी: यह कथन n=4 के लिए असत्य है, क्योंकि 4² = 16 और 2⁴ = 16, तो 4² < 2⁴ असत्य है। यह कथन n ≥ 5 के लिए सत्य है। हम इसे n ≥ 5 के लिए सिद्ध करेंगे और प्रश्न में त्रुटि का उल्लेख करेंगे।
मान लीजिए P(n) कथन n² < 2ⁿ है।
आधार चरण (Base Case): n = 5 के लिए।
LHS = 5² = 25। RHS = 2⁵ = 32।
चूंकि 25 < 32, P(5) सत्य है।
आगमनात्मक परिकल्पना (Inductive Hypothesis): मान लीजिए कि P(k) किसी पूर्णांक k ≥ 5 के लिए सत्य है। अर्थात्, k² < 2ᵏ।
आगमनात्मक चरण (Inductive Step): हमें सिद्ध करना है कि P(k+1) सत्य है, अर्थात् (k+1)² < 2ᵏ⁺¹।
(k+1)² = k² + 2k + 1।
आगमनात्मक परिकल्पना से, k² < 2ᵏ, इसलिए
(k+1)² < 2ᵏ + 2k + 1।
अब हमें यह दिखाना है कि 2ᵏ + 2k + 1 < 2ᵏ⁺¹।
2ᵏ⁺¹ = 2 ⋅ 2ᵏ = 2ᵏ + 2ᵏ।
अतः, हमें यह सिद्ध करना है कि 2k + 1 < 2ᵏ जब k ≥ 5।
k=5 के लिए, 2(5)+1 = 11 और 2⁵ = 32, तो 11 < 32, जो सत्य है। यह असमानता k ≥ 3 के लिए सभी k पर लागू होती है।
इसलिए, (k+1)² < 2ᵏ + 2k + 1 < 2ᵏ + 2ᵏ = 2ᵏ⁺¹।
अतः, (k+1)² < 2ᵏ⁺¹। P(k+1) सत्य है।
गणितीय आगमन के सिद्धांत द्वारा, n² < 2ⁿ सभी पूर्णांकों n ≥ 5 के लिए सत्य है ।
Q6. (क) (Z, +) के सभी उपसमूहों का वर्णन कीजिए जो 5Z और 7Z को आविष्ट करते हैं। 2 (ख) समतल में सरल रेखाओं का समुच्चय T लीजिए। T पर संबंध R, L₁RL₂ यदि और केवल यदि L₁, L₂ पर लम्बवत् है, द्वारा परिभाषित कीजिए। क्या यह सम्बन्ध स्वतुल्य है? क्या यह सम्बन्ध सममित है? क्या यह संबंध संक्रामक है? अपने उत्तर की पुष्टि कीजिए। 3 (ग) मान लीजिए: R = {a/b | a,b∈Z s.t. b=2ᵐ·3ⁿ, m,n ∈ Z, m, n≥0}। दिखाइए कि परिमेय संख्याओं के साधारण जोड़ एवं गुणन के सापेक्ष R एक वलय है। क्या R क्रम-विनिमेय है? क्या R में तत्समक अवयव है? अपने उत्तर की पुष्टि कीजिए। 5
Ans. (क) (Z, +) के सभी उपसमूह nZ के रूप में होते हैं, जहाँ n एक गैर-ऋणात्मक पूर्णांक है।
हमें ऐसे उपसमूह nZ खोजने हैं जिनमें 5Z और 7Z दोनों समाहित हों।
- 5Z ⊆ nZ: इसका मतलब है कि 5 का प्रत्येक गुणज n का भी गुणज है। यह तभी संभव है जब n, 5 का भाजक हो। अतः, n ∈ {1, 5}।
- 7Z ⊆ nZ: इसका मतलब है कि 7 का प्रत्येक गुणज n का भी गुणज है। यह तभी संभव है जब n, 7 का भाजक हो। अतः, n ∈ {1, 7}।
दोनों शर्तों को एक साथ संतुष्ट करने के लिए, n को 5 और 7 दोनों का सार्व भाजक होना चाहिए। 5 और 7 का एकमात्र धनात्मक सार्व भाजक 1 है।
अतः, n = 1।
इस प्रकार, एकमात्र उपसमूह जो 5Z और 7Z दोनों को समाहित करता है, वह 1Z = Z है।
वैकल्पिक रूप से, 5Z और 7Z को समाहित करने वाला सबसे छोटा उपसमूह 5Z + 7Z = gcd(5, 7)Z = 1Z = Z है। कोई भी अन्य उपसमूह जिसमें 5Z और 7Z हों, उसमें Z भी होना चाहिए, इसलिए वह स्वयं Z ही होगा। (ख) संबंध R, T पर L₁RL₂ ⇔ L₁ ⊥ L₂ (L₁, L₂ पर लंबवत है) के रूप में परिभाषित है।
- स्वतुल्य (Reflexive): क्या LRL सत्य है? अर्थात्, क्या कोई रेखा स्वयं पर लंबवत होती है? नहीं, कोई भी रेखा स्वयं के समानांतर होती है (या स्वयं के साथ 0° का कोण बनाती है), लंबवत (90°) नहीं। अतः, संबंध स्वतुल्य नहीं है ।
- सममित (Symmetric): यदि L₁RL₂, तो क्या L₂RL₁ सत्य है? अर्थात्, यदि L₁, L₂ पर लंबवत है, तो क्या L₂, L₁ पर लंबवत है? हाँ। लंबवत होने का गुण सममित है। अतः, संबंध सममित है ।
- संक्रामक (Transitive): यदि L₁RL₂ और L₂RL₃, तो क्या L₁RL₃ सत्य है? अर्थात्, यदि L₁ ⊥ L₂ और L₂ ⊥ L₃, तो क्या L₁ ⊥ L₃ है? नहीं। मान लीजिए L₁ x-अक्ष है। यदि L₁ ⊥ L₂, तो L₂ y-अक्ष के समानांतर एक ऊर्ध्वाधर रेखा होगी। यदि L₂ ⊥ L₃, तो L₃ x-अक्ष के समानांतर एक क्षैतिज रेखा होगी। इस स्थिति में, L₁ और L₃ समानांतर हैं, लंबवत नहीं। अतः, संबंध संक्रामक नहीं है ।
(ग) दिया गया समुच्चय है R = {a/b | a,b∈Z, b=2ᵐ3ⁿ, m,n≥0}। हम उपवलय परीक्षण का उपयोग करके दिखाएंगे कि R, (Q, +, ⋅) का एक उपवलय है।
- R अरिक्त है, क्योंकि 0 = 0/1 ∈ R (यहाँ m=0, n=0)।
- मान लीजिए x = a/b और y = c/d R में हैं। जहाँ b = 2ᵐ3ⁿ और d = 2ᵖ3۹। घटाव के अंतर्गत संवरक: x – y = a/b – c/d = (ad – bc) / bd। अंश ad – bc एक पूर्णांक है। हर bd = (2ᵐ3ⁿ)(2ᵖ3۹) = 2ᵐ⁺ᵖ3ⁿ⁺۹। चूँकि m, p, n, q ≥ 0, तो m+p ≥ 0 और n+q ≥ 0। अतः, हर आवश्यक रूप में है। इसलिए, x – y ∈ R।
- गुणा के अंतर्गत संवरक: x ⋅ y = (a/b) ⋅ (c/d) = ac / bd। अंश ac एक पूर्णांक है। हर bd = 2ᵐ⁺ᵖ3ⁿ⁺۹, जो आवश्यक रूप में है। इसलिए, x ⋅ y ∈ R।
उपवलय परीक्षण से, R परिमेय संख्याओं का एक उपवलय है, और इसलिए यह स्वयं एक वलय है ।
- क्या R क्रम-विनिमेय है? हाँ। चूँकि R, क्रम-विनिमेय वलय Q का एक उपवलय है, और Q में गुणन क्रम-विनिमेय है, इसलिए R में भी गुणन क्रम-विनिमेय होगा।
- क्या R में तत्समक अवयव है? हाँ। गुणन के लिए तत्समक अवयव 1 है। हम 1 को 1/1 के रूप में लिख सकते हैं। यहाँ हर 1 = 2⁰3⁰ है, जो m=0, n=0 के लिए आवश्यक रूप का है। अतः 1 ∈ R। इसलिए, R में एक तत्समक अवयव है ।
Q7. निम्नलिखित कथनों में से कौन-से कथन सत्य और कौन-से असत्य हैं? अपने उत्तर की पुष्टि कीजिए। (उचित पुष्टिकरण देने से ही अंक दिए जाएँगे): 10 (i) क्लाइन 4-समूह में प्रत्येक अवयव की कोटि 2 होती है। (ii) Z₁₈ और Z₃ × Z₆ तुल्याकारी समूह हैं। (iii) Z₉ में कोई भी शून्येतर शून्यभावी अवयव नहीं है। (iv) एक तत्समकी वलय में कोई भी मात्रक शून्य का भाजक नहीं हो सकता। (v) Zₚ एक क्षेत्र है, जहाँ p एक अभाज्य संख्या है।
Ans. (i) असत्य। क्लाइन 4-समूह V = {e, a, b, c} है, जहाँ e तत्समक है। इसमें, गैर-तत्समक अवयवों a, b, और c की कोटि 2 है, लेकिन तत्समक अवयव e की कोटि 1 है । चूंकि कथन “प्रत्येक अवयव” कहता है, यह तत्समक अवयव के कारण असत्य है।
(ii) असत्य। समूह Z₁₈ एक चक्रीय समूह है, जिसकी कोटि 18 है। समूह Z₃ × Z₆ की कोटि भी 3 × 6 = 18 है। हालांकि, एक प्रत्यक्ष गुणनफल Zₘ × Zₙ चक्रीय होता है यदि और केवल यदि gcd(m, n) = 1। यहाँ, gcd(3, 6) = 3 ≠ 1 , इसलिए Z₃ × Z₆ एक चक्रीय समूह नहीं है। चूंकि Z₁₈ चक्रीय है और Z₃ × Z₆ चक्रीय नहीं है, वे तुल्याकारी नहीं हो सकते। (iii) असत्य। एक शून्येतर अवयव ‘a’ शून्यभावी (nilpotent) कहलाता है यदि किसी धनात्मक पूर्णांक n के लिए aⁿ = 0 हो। वलय Z₉ में, अवयव [3] पर विचार करें। यह शून्येतर है। [3]² = [9] = [0] (mod 9)। चूँकि [3]² = [0], [3] Z₉ में एक शून्येतर शून्यभावी अवयव है। अतः दिया गया कथन असत्य है। (iv) सत्य। मान लीजिए R एक तत्समकी वलय है और u ∈ R एक मात्रक (unit) है। इसका मतलब है कि एक u⁻¹ ∈ R मौजूद है जिससे uu⁻¹ = u⁻¹u = 1। अब मान लीजिए कि u एक शून्य का भाजक भी है। इसका मतलब है कि एक शून्येतर v ∈ R मौजूद है जिससे uv = 0। इस समीकरण को बाईं ओर से u⁻¹ से गुणा करने पर, हम पाते हैं: u⁻¹(uv) = u⁻¹(0) ⇒ (u⁻¹u)v = 0 ⇒ 1v = 0 ⇒ v = 0। यह इस धारणा का खंडन करता है कि v शून्येतर है। अतः, एक मात्रक शून्य का भाजक नहीं हो सकता। (v) सत्य। Zₚ को एक क्षेत्र होने के लिए, यह एक क्रमविनिमेय तत्समकी वलय होना चाहिए जिसमें प्रत्येक शून्येतर अवयव का गुणात्मक प्रतिलोम हो। Zₚ एक क्रमविनिमेय तत्समकी वलय है। मान लीजिए [a] ∈ Zₚ एक शून्येतर अवयव है (a 0 mod p)। चूँकि p एक अभाज्य संख्या है और a, p का गुणज नहीं है, gcd(a, p) = 1 । बेज़ाउट की सर्वसमिका के अनुसार, ऐसे पूर्णांक x और y मौजूद हैं कि ax + py = 1। इस समीकरण को मॉड्यूलो p लेने पर, हमें ax ≡ 1 (mod p) मिलता है। इसका मतलब है कि [a][x] = [1], और [x], [a] का गुणात्मक प्रतिलोम है। चूँकि प्रत्येक शून्येतर अवयव का प्रतिलोम है, Zₚ एक क्षेत्र है।
IGNOU MTE-06 Previous Year Solved Question Paper in English
Q1. (a) Define the Euler φ-function. Further, find φ(8) and 7 φ(8) (mod 8). 3 (b) List all the generators of the group Z₁₅. Justify your list. 2 (c) Find all the Sylow subgroups of a group of order 35. Is this group cyclic? Justify your answer. 5
Ans. (a) Definition of Euler φ-function: For a positive integer n, the Euler’s totient function, denoted by φ(n), counts the number of positive integers up to a given integer n that are relatively prime to n. That is, φ(n) = |{k ∈ {1, 2, …, n} | gcd(k, n) = 1}|. Finding φ(8): We need to find the integers less than or equal to 8 that are relatively prime to 8. The integers are {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8}. The numbers among these that are relatively prime to 8 (i.e., their greatest common divisor with 8 is 1) are {1, 3, 5, 7}. Thus, φ(8) = 4 . Finding 7 φ(8) (mod 8): We need to compute 7⁴ (mod 8). By Euler’s Totient Theorem, if gcd(a, n) = 1, then a φ(n) ≡ 1 (mod n). Here, a = 7 and n = 8. Since gcd(7, 8) = 1, the theorem applies. 7 φ(8) ≡ 1 (mod 8) 7⁴ ≡ 1 (mod 8) Therefore, the value of 7 φ(8) (mod 8) is 1 .
(b) The group Z₁₅ is the cyclic group of integers modulo 15 under addition. The generators of this group are the elements [k] ∈ Z₁₅ such that gcd(k, 15) = 1 . We need to find the values of k in the set {1, 2, …, 14}. Since 15 = 3 × 5, k must not be a multiple of 3 or 5. The positive integers less than 15 that are not divisible by 3 or 5 are: 1, 2, 4, 7, 8, 11, 13, 14. Thus, the list of all generators of Z₁₅ is: [1], [2], [4], [7], [8], [11], [13], [14] . The total number of generators is φ(15) = φ(3)φ(5) = (3-1)(5-1) = 2 × 4 = 8, which matches our list.
(c) Let G be a group of order 35. So, |G| = 35 = 5 × 7. Sylow Subgroups:
- Sylow 5-subgroups: Let n₅ be the number of Sylow 5-subgroups. By Sylow’s Third Theorem, n₅ must divide 7 and n₅ ≡ 1 (mod 5). The divisors of 7 are 1 and 7. Checking the congruence: 1 ≡ 1 (mod 5) and 7 ≡ 2 (mod 5). The only possibility is n₅ = 1 . This means there is a unique Sylow 5-subgroup, let’s call it P. Since it is unique, it is a normal subgroup of G, and |P|=5.
- Sylow 7-subgroups: Let n₇ be the number of Sylow 7-subgroups. By Sylow’s Third Theorem, n₇ must divide 5 and n₇ ≡ 1 (mod 7). The divisors of 5 are 1 and 5. Checking the congruence: 1 ≡ 1 (mod 7) and 5 ≡ 5 (mod 7). The only possibility is n₇ = 1 . This means there is a unique Sylow 7-subgroup, let’s call it Q. Since it is unique, it is a normal subgroup of G, and |Q|=7.
Is the group cyclic?
Yes, the group is cyclic. The justification is as follows:
- P and Q are groups of prime order 5 and 7, respectively. Therefore, both P and Q are cyclic groups.
- P and Q are both normal subgroups of G.
- Since |P| and |Q| are coprime, their intersection is the trivial subgroup: P ∩ Q = {e}.
- The number of elements in PQ is |PQ| = (|P| |Q|) / |P ∩ Q| = (5 × 7) / 1 = 35 = |G|. So, G = PQ.
- Since P and Q are normal subgroups of G, G is isomorphic to their internal direct product, G ≅ P × Q.
- Since P ≅ Z₅ and Q ≅ Z₇, we have G ≅ Z₅ × Z₇.
- Because gcd(5, 7) = 1, the direct product Z₅ × Z₇ is isomorphic to the cyclic group Z₅ₓ₇ = Z₃₅.
Therefore, any group of order 35 is
cyclic
.
Q2. (a) Let G be the set of all real numbers except -1. Define an operation on G by a b = ab + a + b for all a, b ∈ G. Check whether or not G is an abelian group. 4 (b) Let R be a ring such that r² = r for all r ∈ R. Show that R is commutative. Also find the characteristic of R. 3 (c) Give an example, with justification, of a ring R which is not an integral domain, but for which every ideal is principal. 3
Ans. (a) To check if (G, ), where G = ℝ \ {-1} and a b = ab + a + b, is an abelian group, we verify the group axioms:
- Closure: Let a, b ∈ G, so a ≠ -1 and b ≠ -1. We must show a b ∈ G, i.e., a b ≠ -1. Assume a b = -1. Then ab + a + b = -1 ⇒ ab + a + b + 1 = 0 ⇒ a(b+1) + 1(b+1) = 0 ⇒ (a+1)(b+1) = 0. This implies a+1=0 or b+1=0, so a=-1 or b=-1. This contradicts that a, b ∈ G. Thus, a b ≠ -1, so G is closed under *.
- Associativity: For a, b, c ∈ G: (a b) c = (ab+a+b)*c = (ab+a+b)c + (ab+a+b) + c = abc+ac+bc+ab+a+b+c. a (b c) = a*(bc+b+c) = a(bc+b+c) + a + (bc+b+c) = abc+ab+ac+a+bc+b+c. The results are equal, so * is associative.
- Identity Element: We seek an element e ∈ G such that a*e = a for all a ∈ G. ae + a + e = a ⇒ ae + e = 0 ⇒ e(a+1) = 0. Since this must hold for all a ∈ G (a ≠ -1), we must have e = 0 . Since 0 ≠ -1, 0 ∈ G. Thus, 0 is the identity element.
- Inverse Element: For each a ∈ G, we seek an a’ ∈ G such that a*a’ = 0. aa’ + a + a’ = 0 ⇒ a'(a+1) = -a ⇒ a’ = -a/(a+1). Since a ≠ -1, the inverse a’ is well-defined. We must also check a’ ≠ -1. If a’ = -1, then -a/(a+1) = -1 ⇒ -a = -a-1 ⇒ 0 = -1, a contradiction. So a’ ∈ G. Every element has an inverse.
- Commutativity: We check if a b = b a. a*b = ab + a + b. b*a = ba + b + a. Since multiplication and addition of real numbers are commutative, ab = ba and a+b = b+a. Hence, a b = b a.
Since all axioms are satisfied,
G is an abelian group
.
(b) Given R is a ring where r² = r for all r ∈ R. Such a ring is a Boolean ring. Commutativity: Let a, b ∈ R. Then (a+b) ∈ R, so (a+b)² = a+b. (a+b)(a+b) = a+b ⇒ a² + ab + ba + b² = a+b. Since a²=a and b²=b, this becomes a + ab + ba + b = a+b. Subtracting a+b from both sides gives ab + ba = 0, which means ab = -ba . Now for any r ∈ R, consider r+r. (r+r)² = r+r. (r+r)² = r² + r² + r² + r² = r+r+r+r = 4r. Note that (r+r) is 2r, so (2r)² = 4r² = 4r. Thus, 4r = 2r, which implies 2r = 0 for all r ∈ R. This means r = -r for all r ∈ R. Substituting this into our earlier result ab = -ba, we get ab = ba. Thus, R is commutative . Characteristic: As shown above, 2r = 0 for all r ∈ R. If R is not the zero ring {0}, there exists a non-zero r, so the characteristic must be 2. If R is the zero ring, the characteristic is 1. For any non-trivial Boolean ring, the characteristic is 2 .
(c) We need an example of a ring that is not an integral domain (i.e., has zero divisors) but is a Principal Ideal Ring (PIR, a ring where every ideal is principal). Consider the ring Z₆ (the integers modulo 6).
- Not an Integral Domain: In Z₆, we have [2] ≠ [0] and [3] ≠ [0], but their product is [2] ⋅ [3] = [6] = [0]. Since Z₆ has zero divisors, it is not an integral domain.
- Every Ideal is Principal: The ideals of Zₙ correspond to the additive subgroups. Since (Z₆, +) is a cyclic group, all of its subgroups are also cyclic, and hence generated by a single element. The ideals of Z₆ are:
- <[0]> = {[0]}
- <[1]> = Z₆
- <[2]> = {[0], [2], [4]}
- <[3]> = {[0], [3]}
All these ideals are generated by a single element, so they are principal ideals.
Therefore,
Z₆
is a ring which is not an integral domain, but for which every ideal is principal. Another simple example is Z₄.
Q3. (a) If N is a subgroup of index 2 in a group G, then show that N is a normal subgroup in G. 3 (b) Let f:Z→Z be defined by f(x)=x²-2. Find f⁻¹({0, 1, 2}). 2 (c) Check whether or not Q[x] / <x² + 2x + 2> is a field. 5
Ans. (a) Given that N is a subgroup of G with index [G:N] = 2. This means there are exactly two distinct left cosets of N in G, and also two distinct right cosets. One of the left cosets is N itself (since eN = N). Let the other left coset be gN for some g ∈ G, g ∉ N. Then G is the disjoint union G = N ∪ gN. Similarly, one of the right cosets is N (since Ne = N). The other must be Ng. Then G is the disjoint union G = N ∪ Ng. We need to show that N is normal, which means we must show that gN = Ng for all g ∈ G.
- Case 1: g ∈ N. If g is in N, then gN = N (by closure property of a subgroup) and Ng = N. Thus, gN = Ng.
- Case 2: g ∉ N. If g is not in N, then the left coset gN is not equal to N. Since there are only two left cosets, gN must be the other one. So, gN = G \ N. Similarly, the right coset Ng is not equal to N. It must be the other right coset. So, Ng = G \ N. Therefore, gN = Ng.
Since gN = Ng for all g ∈ G,
N is a normal subgroup in G
.
(b) The function is f: Z → Z, defined by f(x) = x² – 2. We need to find f⁻¹({0, 1, 2}). By definition, f⁻¹({0, 1, 2}) is the set of all integers x such that f(x) is in the set {0, 1, 2}. We solve for x in each case:
- f(x) = 0: x² – 2 = 0 ⇒ x² = 2. There are no integer solutions for x.
- f(x) = 1: x² – 2 = 1 ⇒ x² = 3. There are no integer solutions for x.
- f(x) = 2: x² – 2 = 2 ⇒ x² = 4. The integer solutions are x = 2 and x = -2.
Combining the solutions from all cases, we find the set of pre-images.
Therefore,
f⁻¹({0, 1, 2}) = {-2, 2}
.
(c) A quotient ring R/I is a field if and only if the ideal I is a maximal ideal in the ring R. Here, the ring is R = Q[x], the ring of polynomials with rational coefficients. This is a Principal Ideal Domain (PID). In a PID, a non-zero ideal <p(x)> is maximal if and only if the polynomial p(x) is irreducible over the base field. The base field is Q (the rational numbers) and the polynomial is p(x) = x² + 2x + 2. To check for irreducibility, we can find the roots of p(x) using the quadratic formula: x = [-b ± √(b² – 4ac)] / 2a. x = [-2 ± √(2² – 4⋅1⋅2)] / 2 = [-2 ± √(4 – 8)] / 2 = [-2 ± √(-4)] / 2 = [-2 ± 2i] / 2 = -1 ± i. The roots of the polynomial are -1 + i and -1 – i. These are complex numbers, not rational numbers. Since the quadratic polynomial p(x) has no roots in the field Q, it is irreducible over Q. Since p(x) = x² + 2x + 2 is irreducible over Q, the ideal I = <x² + 2x + 2> is a maximal ideal in Q[x]. Therefore, the quotient ring Q[x] / <x² + 2x + 2> is a field .
Q4. (a) Express the permutation σ = (1 2 3 4 5 6 7 8 9 / 8 9 2 3 7 6 5 4 1) as a product of disjoint cycles. Is σ even? Give reasons for your answer. 3 (b) State the Fundamental Theorem of Homomorphism for rings. Further, apply it to prove that R[x]/<x> ≅ R. 7
Ans. (a) The permutation is given in two-line notation: σ = (1 2 3 4 5 6 7 8 9 / 8 9 2 3 7 6 5 4 1) Product of disjoint cycles: We trace the paths of the elements: 1 maps to 8, 8 maps to 4, 4 maps to 3, 3 maps to 2, 2 maps to 9, and 9 maps to 1. This forms the cycle (1 8 4 3 2 9). 5 maps to 7, and 7 maps to 5. This forms the cycle (5 7). 6 maps to 6, which is a fixed point and usually omitted in cycle notation. So, the disjoint cycle decomposition is σ = (1 8 4 3 2 9)(5 7) .
Is σ even? A permutation is even if it can be expressed as a product of an even number of transpositions (2-cycles). Method 1: Decomposing into transpositions. A k-cycle can be written as a product of k-1 transpositions.
- The 6-cycle (1 8 4 3 2 9) = (1 9)(1 2)(1 3)(1 4)(1 8). This is 5 transpositions (odd).
- The 2-cycle (5 7) is 1 transposition (odd).
The total number of transpositions is 5 + 1 = 6.
Since 6 is an even number,
σ is an even permutation
.
Method 2: Parity of cycles.
The parity of a k-cycle is odd if k is even, and even if k is odd.
- (1 8 4 3 2 9) is a 6-cycle (length 6, even), so it is an odd permutation.
- (5 7) is a 2-cycle (length 2, even), so it is an odd permutation.
The permutation σ is the product of two odd permutations. The product of two odd permutations is an even permutation. Thus,
σ is even
.
(b) Fundamental Theorem of Homomorphism for Rings: Let R and S be rings and let f: R → S be a surjective ring homomorphism. Then the quotient ring R/ker(f) is isomorphic to the ring S. In symbols, R/ker(f) ≅ S .
Proof of R[x]/<x> ≅ R: To prove this, we will define a suitable surjective homomorphism from R[x] to R and then apply the theorem. Consider the evaluation map f: R[x] → R defined by f(p(x)) = p(0) .
- Show f is a ring homomorphism: Let p(x), q(x) ∈ R[x].
- f(p(x) + q(x)) = (p+q)(0) = p(0) + q(0) = f(p(x)) + f(q(x)).
- f(p(x)q(x)) = (pq)(0) = p(0)q(0) = f(p(x))f(q(x)).
Thus, f is a ring homomorphism.
- Show f is surjective: Let r be any element in the codomain R. We need to find a polynomial p(x) ∈ R[x] such that f(p(x)) = r. Consider the constant polynomial p(x) = r. This polynomial is in R[x]. Then f(p(x)) = f(r) = p(0) = r. Since for every r ∈ R, there exists a pre-image in R[x], f is surjective.
- Find the kernel of f: The kernel is ker(f) = {p(x) ∈ R[x] | f(p(x)) = 0}. f(p(x)) = p(0) = 0. If p(x) = a₀ + a₁x + … + aₙxⁿ, then p(0) = a₀. So p(0) = 0 implies the constant term a₀ is 0. Any such polynomial can be written as p(x) = a₁x + a₂x² + … + aₙxⁿ = x(a₁ + a₂x + … + aₙxⁿ⁻¹). This means p(x) is a multiple of x. The set of all polynomials that are multiples of x is precisely the principal ideal generated by x. Thus, ker(f) = <x> .
- Apply the Fundamental Theorem: We have a surjective ring homomorphism f: R[x] → R with kernel <x>. By the Fundamental Theorem of Homomorphism, R[x]/ker(f) ≅ R. Substituting the kernel, we get R[x]/<x> ≅ R .
Q5. (a) Give an example, with justification, to show that if N is a normal subgroup of a group G, then the centre of N may not be contained in the centre of G. 3 (b) In a Euclidean domain R, show that for any non-zero r ∈ R, d(1) ≤ d(r), where d is a Euclidean valuation. 2 (c) Give an example, with justification, of a ring with identity that has a subring not containing identity. 2 (d) Use the principle of mathematical induction to prove that n² < 2ⁿ for all n ∈ N, n > 3. 3
Ans. (a) We need an example of a group G and a normal subgroup N ⊲ G such that the center of N, Z(N), is not a subset of the center of G, Z(G). Consider the symmetric group on 3 elements, G = S₃ . |S₃| = 6. G = {e, (12), (13), (23), (123), (132)}. Let N = A₃ = {e, (123), (132)} , the subgroup of even permutations. N is a normal subgroup of G because its index is [G:N] = 6/3 = 2. Now we find the centers:
- Center of N, Z(N): N is a cyclic group of order 3, so it is abelian. Therefore, its center is the entire group N. Z(N) = N = {e, (123), (132)} .
- Center of G, Z(G): The center of S₃ is the trivial subgroup {e}. For example, (123)(12) = (13) but (12)(123) = (23), so (123) does not commute with (12). No non-identity element commutes with all elements of S₃. Thus, Z(G) = {e} .
Comparing the two centers, Z(N) = {e, (123), (132)} and Z(G) = {e}.
Clearly,
Z(N) is not contained in Z(G)
, because (123) ∈ Z(N) but (123) ∉ Z(G). This serves as the required example.
(b) Let R be a Euclidean domain with a Euclidean valuation d. One of the properties of the Euclidean valuation d is that for any two non-zero elements a, b ∈ R, d(a) ≤ d(ab) . Let r be any non-zero element in R. The multiplicative identity, 1, is also a non-zero element in R. We can write r as r = 1 ⋅ r. Now, apply the property d(a) ≤ d(ab) by setting a = 1 and b = r. Since both are non-zero, the property holds. We get: d(1) ≤ d(1 ⋅ r) Which simplifies to d(1) ≤ d(r) . This shows that the d-value of the identity element 1 is less than or equal to the d-value of any other non-zero element in the domain.
(c) We need an example of a ring R with identity, which has a subring S that does not contain the identity of R. Let the ring be R = Z₆ = {[0], [1], [2], [3], [4], [5]} . The identity element of R is [1]. Consider the subset S = {[0], [2], [4]} . We check if S is a subring of R using the subring test:
- S is non-empty.
- S is closed under subtraction: [2]-[4] = [-2]=[4]∈S, [2]-[2]=[0]∈S, etc. It forms a subgroup under addition.
- S is closed under multiplication: [2]⋅[2]=[4]∈S, [2]⋅[4]=[8]=[2]∈S, [4]⋅[4]=[16]=[4]∈S.
Since S is closed under subtraction and multiplication, it is a subring of R.
The identity element of the ring R is [1].
Clearly,
[1] ∉ S
.
Therefore, S is a subring of Z₆ that does not contain the identity of Z₆.
(
Note: S has its own multiplicative identity, which is [4], since [2]⋅[4]=[2] and [4]⋅[4]=[4]. But this is not the identity of the parent ring R.
)
(d) We want to prove n² < 2ⁿ for all n ∈ N, n > 3. Note on the question: The statement is false for n=4, since 4² = 16 and 2⁴ = 16, so 4² < 2⁴ is not true. The inequality holds for n ≥ 5. We will prove it for n ≥ 5, acknowledging the error in the question’s range. Let P(n) be the statement n² < 2ⁿ. Base Case: For n = 5. LHS = 5² = 25. RHS = 2⁵ = 32. Since 25 < 32, P(5) is true. Inductive Hypothesis: Assume P(k) is true for some integer k ≥ 5. That is, assume k² < 2ᵏ . Inductive Step: We must prove that P(k+1) is true, i.e., (k+1)² < 2ᵏ⁺¹. Start with the LHS: (k+1)² = k² + 2k + 1. By the inductive hypothesis, k² < 2ᵏ. So, (k+1)² < 2ᵏ + 2k + 1. Now we need to show that 2ᵏ + 2k + 1 < 2ᵏ⁺¹. We know 2ᵏ⁺¹ = 2 ⋅ 2ᵏ = 2ᵏ + 2ᵏ. So we need to show that 2k + 1 < 2ᵏ for k ≥ 5. This inequality can be separately proven by induction for k ≥ 3. For k=5, 2(5)+1 = 11 and 2⁵=32. Clearly 11 < 32. Since 2k+1 < 2ᵏ for k≥5, we can conclude: (k+1)² < 2ᵏ + 2k + 1 < 2ᵏ + 2ᵏ = 2ᵏ⁺¹. Thus, (k+1)² < 2ᵏ⁺¹, and P(k+1) is true. By the principle of mathematical induction, n² < 2ⁿ is true for all integers n ≥ 5 .
Q6. (a) Describe all subgroups of (Z, +) which contain 5Z and 7Z. 2 (b) Let T be the set of straight lines in a plane. Define a relation on T by L₁RL₂ iff L₁ is perpendicular to L₂. Is the relation reflexive? Is it symmetric? Is it transitive? Justify your answers. 3 (c) Let R = {a/b | a,b∈Z s.t. b=2ᵐ·3ⁿ, m,n ∈ Z, m, n≥0}. Show that R is a ring with respect to the usual addition and multiplication of rational numbers. Is R commutative? Does R have an identity element? Justify your answers. 5
Ans. (a) The subgroups of (Z, +) are all of the form nZ for some non-negative integer n. We are looking for subgroups nZ that contain both 5Z and 7Z.
- If 5Z ⊆ nZ , it means every multiple of 5 is also a multiple of n. This is only possible if n divides 5. So, n must be 1 or 5.
- If 7Z ⊆ nZ , it means every multiple of 7 is also a multiple of n. This is only possible if n divides 7. So, n must be 1 or 7.
For both conditions to hold, n must be a common divisor of 5 and 7. Since 5 and 7 are coprime, their only positive common divisor is 1.
So, n = 1.
The only subgroup containing both 5Z and 7Z is
1Z = Z
.
Alternatively, the smallest subgroup containing two subgroups H and K is their sum H+K. Here, H=5Z and K=7Z. The subgroup generated by them is 5Z + 7Z = {5x + 7y | x, y ∈ Z}. Since gcd(5, 7) = 1, this subgroup is 1Z = Z. Any other subgroup containing 5Z and 7Z must contain Z, and must therefore be Z itself.
(b) The relation R is defined on the set T of lines in a plane by L₁ R L₂ ⇔ L₁ is perpendicular to L₂.
- Reflexive: Is L R L true for any line L? This means, is a line perpendicular to itself? No. A line makes an angle of 0° with itself, not 90°. Therefore, the relation is not reflexive .
- Symmetric: If L₁ R L₂, is L₂ R L₁ true? If L₁ is perpendicular to L₂, then L₂ is also perpendicular to L₁. The property of being perpendicular is mutual. Therefore, the relation is symmetric .
- Transitive: If L₁ R L₂ and L₂ R L₃, is L₁ R L₃ true? Let L₁ be the x-axis. If L₁ ⊥ L₂, then L₂ must be a vertical line (e.g., the y-axis). If L₂ ⊥ L₃, then L₃ must be a horizontal line, parallel to the x-axis. In this case, L₁ is parallel to L₃, not perpendicular to it. Therefore, the relation is not transitive .
(c) Given R = {a/b | a,b∈Z, b=2ᵐ3ⁿ, m, n≥0}. We use the subring test to show it is a ring. R is a subset of the rational numbers Q.
- R is non-empty, as 0 = 0/1 ∈ R (with m=0, n=0).
- Closure under subtraction: Let x = a/b and y = c/d be in R, where b=2ᵐ3ⁿ and d=2ᵖ3۹. x – y = a/b – c/d = (ad – bc) / bd. The numerator ad-bc is an integer. The denominator is bd = (2ᵐ3ⁿ)(2ᵖ3۹) = 2ᵐ⁺ᵖ3ⁿ⁺۹. Since m,n,p,q are non-negative, so are m+p and n+q. Thus the denominator is of the required form. Hence, x-y ∈ R.
- Closure under multiplication: x ⋅ y = (a/b) ⋅ (c/d) = ac / bd. The numerator ac is an integer. The denominator bd = 2ᵐ⁺ᵖ3ⁿ⁺۹ is of the required form. Hence, x⋅y ∈ R.
By the subring test,
R is a subring of Q, and therefore is a ring
.
- Is R commutative? Yes. Since R is a subring of the field of rational numbers Q, which is commutative, the multiplication in R must also be commutative .
- Does R have an identity element? Yes. The multiplicative identity in Q is 1. We can write 1 as 1/1. The denominator b=1 can be expressed as 1 = 2⁰3⁰, which fits the required form with m=0, n=0. Thus, 1 ∈ R. So, R has an identity element .
Q7. Which of the following statements are true and which are false? Give reason for your answers. (Marks will only be given for proper justification): 10 (i) In the Klein 4-group, every element has order 2. (ii) Z₁₈ and Z₃ × Z₆ are isomorphic groups. (iii) Z₉ has no non-zero nilpotent elements. (iv) In a ring with identity, a unit cannot be a zero divisor. (v) Zₚ is a field, where p is a prime.
Ans. (i) False. The Klein 4-group is V = {e, a, b, c}, where e is the identity. The non-identity elements a, b, and c each have order 2. However, the identity element e has order 1 . Since the statement says “every element”, it is false because of the identity element.
(ii) False. The group Z₁₈ is a cyclic group of order 18. The group Z₃ × Z₆ has order 3 × 6 = 18. However, a direct product Zₘ × Zₙ is cyclic if and only if gcd(m, n) = 1. Here, gcd(3, 6) = 3 ≠ 1 , so Z₃ × Z₆ is not a cyclic group. Since Z₁₈ is cyclic and Z₃ × Z₆ is not, they cannot be isomorphic.
(iii) False. A non-zero element ‘a’ in a ring is nilpotent if aⁿ = 0 for some positive integer n. In the ring Z₉, consider the element [3] . It is non-zero. We have [3]² = [9] = [0] (mod 9). Since [3]² = [0], [3] is a non-zero nilpotent element in Z₉. Therefore, the statement is false.
(iv) True. Let R be a ring with identity 1 and let u be a unit in R. This means there exists an inverse u⁻¹ ∈ R such that uu⁻¹ = u⁻¹u = 1. Now, assume for contradiction that u is also a zero divisor. Then there exists a non-zero element v ∈ R such that uv = 0. Multiplying this equation on the left by u⁻¹, we get: u⁻¹(uv) = u⁻¹(0) ⇒ (u⁻¹u)v = 0 ⇒ 1v = 0 ⇒ v = 0. This contradicts our assumption that v was non-zero. Thus, a unit cannot be a zero divisor.
(v) True. For Zₚ to be a field, it must be a commutative ring with identity in which every non-zero element has a multiplicative inverse. Zₚ is a commutative ring with identity [1]. Let [a] be a non-zero element in Zₚ (so a
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