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IGNOU MTE-13 Solved Question Paper PDF Download

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IGNOU MTE-13 Solved Question Paper PDF

IGNOU Previous Year Solved Question Papers

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IGNOU MTE-13 Previous Year Solved Question Paper in Hindi

Q1. निम्नलिखित में से कौन-से कथन सत्य हैं और कौन-से असत्य? अपने उत्तरों की पुष्टि कीजिए : (i) पाँच शीर्षों पर कम-से-कम एक ग्राफ तो ऐसा है जिसकी कोटियाँ 2, 2, 2, 2, 3 हैं। (ii) अनुक्रम a_n = n+1 के लिए जनक फलन 1/(1+z) है। (iii) q → (p → q) एक सर्वसत्य कथन है। (iv) सभी n≥4 के लिए, n शीर्षों पर एक 3-नियमित ग्राफ है। (v) 5 का एक स्वसंयुग्मी विभाजन है।

Ans. (i) असत्य । ग्राफ सिद्धांत में, हस्तमेलन प्रमेयिका (Handshaking Lemma) के अनुसार किसी भी ग्राफ में सभी शीर्षों की कोटियों (degrees) का योग, किनारों की संख्या का दोगुना होता है, जो हमेशा एक सम संख्या होती है। दिए गए शीर्षों की कोटियों का योग = 2 + 2 + 2 + 2 + 3 = 11 है। चूँकि योग (11) एक विषम संख्या है, इसलिए ऐसा कोई ग्राफ मौजूद नहीं हो सकता है।

(ii) असत्य । अनुक्रम a_n = n+1 के लिए, अनुक्रम के पद 1, 2, 3, 4, … हैं। इसका जनक फलन G(z) = Σ(n+1)z^n = 1 + 2z + 3z^2 + … है। हम जानते हैं कि 1/(1-z)^2 का मैकलॉरिन श्रेणी विस्तार Σ(n+1)z^n होता है। दिया गया फलन 1/(1+z) है, जिसका विस्तार 1 – z + z^2 – z^3 + … होता है, जो अनुक्रम 1, -1, 1, -1, … को उत्पन्न करता है। अतः, दिया गया कथन असत्य है।

(iii) सत्य । एक कथन को सर्वसत्य (tautology) सिद्ध करने के लिए, हमें यह दिखाना होगा कि यह p और q के सभी सत्य मानों के लिए सत्य है। हम इसे दो स्थितियों में जाँच सकते हैं:

  • स्थिति 1: यदि q सत्य (T) है। तब (p → q) भी सत्य (T) होगा, क्योंकि T किसी भी चीज़ से निहित होता है। इसलिए, पूरा कथन q → (p → q) T → T हो जाता है, जो T है।
  • स्थिति 2: यदि q असत्य (F) है। तब पूरा कथन F → (p → F) हो जाता है। एक निहितार्थ (implication) जिसका पूर्ववर्ती (antecedent) असत्य हो, हमेशा सत्य होता है। इसलिए, यह कथन भी सत्य (T) है।

चूँकि दोनों ही स्थितियों में कथन सत्य है, इसलिए यह एक सर्वसत्य कथन है।

(iv) असत्य । एक k-नियमित ग्राफ में n शीर्षों पर, कोटियों का योग k×n होता है। हस्तमेलन प्रमेयिका के अनुसार, k×n सम होना चाहिए। यदि k=3 है, तो 3n सम होना चाहिए, जिसका अर्थ है कि n (शीर्षों की संख्या) सम होनी चाहिए। कथन में कहा गया है कि यह सभी n≥4 के लिए सत्य है, जिसमें n=5 जैसे विषम मान भी शामिल हैं। n=5 के लिए, कोटियों का योग 3×5=15 होगा, जो एक विषम संख्या है। इसलिए, n=5 पर 3-नियमित ग्राफ मौजूद नहीं हो सकता। अतः, यह कथन असत्य है।

(v) सत्य । संख्या 5 का एक विभाजन स्वसंयुग्मी (self-conjugate) होता है यदि उसका फेरर्स ग्राफ (Ferrers graph) मुख्य विकर्ण के परितः सममित हो। 5 के विभाजनों में से एक 3 + 1 + 1 है। इसका फेरर्स ग्राफ है:

*

*

*

इस ग्राफ का संयुग्मी (conjugate) स्तंभों को पंक्तियों के रूप में पढ़कर प्राप्त किया जाता है: पहली पंक्ति में 3 बिंदु हैं, दूसरी में 1, और तीसरी में 1। यह हमें फिर से 3 + 1 + 1 देता है। चूँकि विभाजन अपने संयुग्मी के बराबर है, यह एक स्वसंयुग्मी विभाजन है।

Q2. (क) आगमन नियम से दिखाइए कि सभी n > 3 के लिए 2n² > (n+1)² होता है। (ख) पुनरावृत्ति संबंध a_n − 3a_(n−1) = 3.2ⁿ का व्यापक हल ज्ञात कीजिए। साथ ही, हल ज्ञात कीजिए यदि a₁ = 6 हो। (ग) सिद्ध या असिद्ध कीजिए : “पूर्ण ग्राफ K₅ का एक ऑयलरीय परिपथ है।”

Ans. (क) हम गणितीय आगमन द्वारा 2n² > (n+1)² को सभी n > 3 के लिए सिद्ध करेंगे।

आधार चरण (Base Case): n = 4 के लिए (जो n>3 का पहला पूर्णांक है)। LHS = 2(4)² = 2(16) = 32. RHS = (4+1)² = 5² = 25. चूंकि 32 > 25, इसलिए कथन n=4 के लिए सत्य है।

आगमन परिकल्पना (Inductive Hypothesis): मान लीजिए कि किसी पूर्णांक k > 3 के लिए कथन सत्य है। अर्थात, 2k² > (k+1)²।

आगमनात्मक चरण (Inductive Step): हमें सिद्ध करना है कि कथन n = k+1 के लिए भी सत्य है। अर्थात, 2(k+1)² > ((k+1)+1)² = (k+2)²। हम LHS से शुरू करते हैं: 2(k+1)² = 2(k² + 2k + 1) = 2k² + 4k + 2। आगमन परिकल्पना से, हम जानते हैं कि 2k² > (k+1)²। इस मान को प्रतिस्थापित करने पर: 2k² + 4k + 2 > (k+1)² + 4k + 2 = (k² + 2k + 1) + 4k + 2 = k² + 6k + 3। अब हमें यह दिखाना है कि k² + 6k + 3 > (k+2)²। (k+2)² = k² + 4k + 4। अतः हमें यह सिद्ध करना है: k² + 6k + 3 > k² + 4k + 4 ⇒ 2k > 1 ⇒ k > 1/2। चूंकि हमारी परिकल्पना k > 3 के लिए है, जो निश्चित रूप से k > 1/2 को संतुष्ट करता है, इसलिए यह असमानता सत्य है। अतः, 2(k+1)² > (k+2)²। आगमन द्वारा, कथन सभी पूर्णांकों n > 3 के लिए सत्य है।

(ख) दिया गया पुनरावृत्ति संबंध है: a_n − 3a_(n−1) = 3.2ⁿ। 1. समघात हल (Homogeneous Solution): समघात समीकरण a_n − 3a_(n−1) = 0 है। अभिलाक्षणिक समीकरण r – 3 = 0 है, जिसका मूल r=3 है। तो, समघात हल a_n⁽ʰ⁾ = A(3)ⁿ है।

2. विशेष हल (Particular Solution): चूंकि दाहिना पक्ष 3.2ⁿ है, हम एक विशेष हल a_n⁽ᵖ⁾ = C(2)ⁿ मानते हैं। इसे समीकरण में प्रतिस्थापित करने पर: C(2)ⁿ – 3(C(2)ⁿ⁻¹) = 3.2ⁿ C(2)ⁿ – (3/2)C(2)ⁿ = 3.2ⁿ (C – 3C/2)(2)ⁿ = 3(2)ⁿ -C/2 = 3 ⇒ C = -6। तो, विशेष हल a_n⁽ᵖ⁾ = -6(2)ⁿ है।

3. व्यापक हल (General Solution): व्यापक हल समघात और विशेष हलों का योग है: a_n = a_n⁽ʰ⁾ + a_n⁽ᵖ⁾ = A(3)ⁿ – 6(2)ⁿ।

अब, हम a₁ = 6 का उपयोग करके A का मान ज्ञात करते हैं: a₁ = A(3)¹ – 6(2)¹ = 6 3A – 12 = 6 3A = 18 A = 6। अतः, दिए गए प्रारंभिक मान के साथ विशिष्ट हल है: a_n = 6(3)ⁿ – 6(2)ⁿ ।

(ग) सिद्ध । एक ग्राफ में एक ऑयलरीय परिपथ (Eulerian circuit) होता है यदि और केवल यदि यह जुड़ा हुआ है और इसके प्रत्येक शीर्ष की कोटि (degree) सम है। पूर्ण ग्राफ K₅ एक ऐसा ग्राफ है जिसमें 5 शीर्ष होते हैं और प्रत्येक शीर्ष दूसरे सभी शीर्षों से जुड़ा होता है। 1. जुड़ाव (Connectivity): K₅ जुड़ा हुआ है क्योंकि प्रत्येक शीर्ष हर दूसरे शीर्ष से सीधे जुड़ा हुआ है। 2. शीर्षों की कोटि (Vertex Degrees): K₅ में, प्रत्येक शीर्ष की कोटि n-1 होती है, जहाँ n शीर्षों की संख्या है। यहाँ n=5 है, इसलिए प्रत्येक शीर्ष की कोटि 5-1 = 4 है। चूंकि संख्या 4 एक सम संख्या है, K₅ के सभी 5 शीर्षों की कोटि सम है। चूंकि K₅ जुड़ा हुआ है और इसके सभी शीर्षों की कोटि सम है, इसलिए इसमें एक ऑयलरीय परिपथ होता है। अतः, दिया गया कथन सत्य है।

Q3. (क) एक द्विभाजित ग्राफ में एक पूर्ण सुमेलन परिभाषित कीजिए। जाँच कीजिए कि नीचे दिए गए ग्राफ में एक पूर्ण सुमेलन है या नहीं। (ख) स्टर्लिंग संख्या S(5, 4) की गणना कीजिए। (ग) जनक फलन विधि से, योगफल: Σ k 2ᵏ C(n, k) (k=1 से n तक) का मान ज्ञात कीजिए।

Ans. (क) पूर्ण सुमेलन (Complete Matching) की परिभाषा: एक द्विभाजित ग्राफ G = (U ∪ V, E) में, जहाँ U और V शीर्षों के दो असंयुक्त समुच्चय हैं, एक सुमेलन (matching) किनारों का एक ऐसा उपसमुच्चय M ⊆ E होता है जिसमें कोई भी दो किनारे एक ही शीर्ष पर आपतित नहीं होते हैं। एक सुमेलन को U से V में पूर्ण सुमेलन कहा जाता है यदि यह U के प्रत्येक शीर्ष को संतृप्त करता है, अर्थात U में प्रत्येक शीर्ष M के किसी किनारे का एक अंत बिंदु है। इसके लिए, |U| ≤ |V| होना आवश्यक है। यदि |U| = |V|, तो इसे एक पूर्ण सुमेलन भी कहा जाता है।

दिए गए ग्राफ की जाँच: दिया गया ग्राफ द्विभाजित है जिसके विभाजन X = {A, B, C, D} और Y = {a, b, c, d} हैं। यहाँ |X| = |Y| = 4। हमें यह जांचना है कि क्या X से Y तक कोई पूर्ण सुमेलन है। हम एक सुमेलन बनाने का प्रयास कर सकते हैं जो X के सभी शीर्षों को कवर करता है। एक संभावित सुमेलन M है: M = {(A, a), (B, b), (C, c), (D, d)} आइए जांचें कि क्या यह एक वैध सुमेलन है:

  • किनारा (A, a) ग्राफ में मौजूद है।
  • किनारा (B, b) ग्राफ में मौजूद है।
  • किनारा (C, c) ग्राफ में मौजूद है।
  • किनारा (D, d) ग्राफ में मौजूद है।

इन चारों किनारों में कोई भी उभयनिष्ठ शीर्ष नहीं है। यह सुमेलन M, समुच्चय X के सभी शीर्षों {A, B, C, D} को कवर करता है। अतः, हाँ, दिए गए ग्राफ में एक पूर्ण सुमेलन मौजूद है ।

(ख) स्टर्लिंग संख्या S(5, 4): दूसरी तरह की स्टर्लिंग संख्या, जिसे S(n, k) या {n k} द्वारा दर्शाया जाता है, n अवयवों वाले एक समुच्चय को k गैर-रिक्त असंयुक्त उपसमुच्चयों में विभाजित करने के तरीकों की संख्या है। हमें S(5, 4) की गणना करनी है, जो 5 अवयवों वाले एक समुच्चय (मान लीजिए {1, 2, 3, 4, 5}) को 4 गैर-रिक्त उपसमुच्चयों में विभाजित करने के तरीकों की संख्या है। 5 अवयवों को 4 उपसमुच्चयों में विभाजित करने के लिए, विभाजन का एकमात्र संभव रूप एक उपसमुच्चय में 2 अवयव और शेष तीन उपसमुच्चयों में 1-1 अवयव होना है। उदाहरण के लिए: {{1, 2}, {3}, {4}, {5}}। इसलिए, कार्य केवल उन 2 अवयवों को चुनने के तरीकों की संख्या ज्ञात करना है जो एक साथ एक ही उपसमुच्चय में होंगे। 5 अवयवों में से 2 अवयवों को चुनने के तरीकों की संख्या C(5, 2) है। C(5, 2) = 5! / (2! * (5-2)!) = (5 × 4) / (2 × 1) = 10। अतः, S(5, 4) = 10 ।

(ग) हम योगफल S = Σ k 2ᵏ C(n, k) (k=1 से n तक) का मान ज्ञात करने के लिए जनक फलन तकनीक का उपयोग करेंगे। द्विपद प्रमेय से हम जानते हैं: (1 + x)ⁿ = Σ C(n, k) xᵏ (k=0 से n तक) अब, हम इस समीकरण को x के सापेक्ष अवकलित करते हैं: d/dx [(1 + x)ⁿ] = d/dx [Σ C(n, k) xᵏ] n(1 + x)ⁿ⁻¹ = Σ C(n, k) k xᵏ⁻¹ (k=1 से n तक) (k=0 पद एक स्थिरांक है, इसलिए इसका अवकलज 0 है) अब, हम दिए गए योगफल से मिलान करने के लिए समीकरण को पुनर्व्यवस्थित करते हैं। हम समीकरण के दोनों पक्षों को x से गुणा करते हैं: n x (1 + x)ⁿ⁻¹ = Σ C(n, k) k xᵏ (k=1 से n तक) यह लगभग वांछित योगफल है, सिवाय इसके कि हमारे पास xᵏ के बजाय 2ᵏ है। यह इंगित करता है कि हमें x=2 प्रतिस्थापित करना चाहिए। x = 2 रखने पर: n 2 (1 + 2)ⁿ⁻¹ = Σ C(n, k) k 2ᵏ (k=1 से n तक) 2n (3)ⁿ⁻¹ = S अतः, योगफल का मान 2n * 3ⁿ⁻¹ है।

Q4. (क) सत्य सारणी का प्रयोग करके, निम्नलिखित तर्क की वैधता की जाँच कीजिए: p→q, r∨~q, r ∴ ~p (ख) मान लीजिए G एक n शीर्षों वाला ग्राफ है। सिद्ध कीजिए कि यदि G एक वृक्ष है, तो G अचक्रीय है और इसमें n-1 किनारे हैं।

Ans. (क) एक तर्क वैध होता है यदि और केवल यदि हर बार जब सभी आधार-वाक्य (premises) सत्य हों, तो निष्कर्ष (conclusion) भी सत्य हो। आधार-वाक्य: P1: p→q, P2: r∨~q, P3: r निष्कर्ष: C: ~p

हम तर्क की वैधता की जांच के लिए एक सत्य सारणी बनाएंगे। हमें उन पंक्तियों को खोजना होगा जहां P1, P2, और P3 सभी सत्य (T) हैं, और फिर उन पंक्तियों में C के सत्य मान की जांच करनी होगी। | p | q | r | ~q | p→q (P1) | r∨~q (P2) | r (P3) | ~p (C) | |—|—|—|—|—|—|—|—| | T | T | T | F | T | T | T | F | | T | T | F | F | T | F | F | F | | T | F | T | T | F | T | T | F | | T | F | F | T | F | T | F | F | | F | T | T | F | T | T | T | T | | F | T | F | F | T | F | F | T | | F | F | T | T | T | T | T | T | | F | F | F | T | T | T | F | T | अब, हम उन पंक्तियों की पहचान करते हैं जहाँ सभी आधार-वाक्य P1, P2, और P3 सत्य हैं। ये पंक्तियाँ हैं:

  • पंक्ति 1: p=T, q=T, r=T. यहाँ P1, P2, P3 सभी T हैं। इस पंक्ति में, निष्कर्ष C (~p) F (असत्य) है।
  • पंक्ति 5: p=F, q=T, r=T. यहाँ P1, P2, P3 सभी T हैं। इस पंक्ति में, निष्कर्ष C (~p) T (सत्य) है।
  • पंक्ति 7: p=F, q=F, r=T. यहाँ P1, P2, P3 सभी T हैं। इस पंक्ति में, निष्कर्ष C (~p) T (सत्य) है।

चूंकि पंक्ति 1 में एक ऐसी स्थिति (p=T, q=T, r=T) है जहाँ सभी आधार-वाक्य सत्य हैं लेकिन निष्कर्ष असत्य है, इसलिए तर्क अवैध (invalid) है।

(ख) हमें सिद्ध करना है कि यदि G एक वृक्ष (tree) है, तो (1) G अचक्रीय (acyclic) है और (2) इसमें n-1 किनारे हैं।

1. अचक्रीयता (Acyclicity): एक वृक्ष की परिभाषा के अनुसार, यह एक जुड़ा हुआ अचक्रीय ग्राफ होता है। इसलिए, यदि G एक वृक्ष है, तो यह परिभाषा से ही अचक्रीय है।

2. किनारों की संख्या (Number of Edges): हम इसे n, शीर्षों की संख्या, पर गणितीय आगमन द्वारा सिद्ध करेंगे। आधार चरण (Base Case): n=1 के लिए। एक शीर्ष वाला एक वृक्ष में कोई किनारा नहीं होता है। किनारों की संख्या = 0, और n-1 = 1-1 = 0. तो यह n=1 के लिए सत्य है।

आगमन परिकल्पना (Inductive Hypothesis): मान लीजिए कि k < n वाले किसी भी वृक्ष, जिसमें k शीर्ष हैं, में k-1 किनारे होते हैं। आगमनात्मक चरण (Inductive Step): मान लीजिए G n शीर्षों वाला एक वृक्ष है (जहाँ n > 1)। एक वृक्ष (n>1 के साथ) में कम से कम एक ऐसा शीर्ष होता है जिसकी कोटि 1 होती है (जिसे पत्ती या पर्ण कहते हैं)। यदि ऐसा नहीं होता, तो सभी शीर्षों की कोटि ≥ 2 होती, और ग्राफ में एक चक्र का अस्तित्व होता, जो एक वृक्ष की परिभाषा का खंडन करता है। मान लीजिए v, G में एक पत्ती है, और e वह किनारा है जो v पर आपतित है। अब एक नया ग्राफ G’ = G – {v} पर विचार करें, जो v और किनारे e को हटाकर प्राप्त होता है।

  • G’ में n-1 शीर्ष हैं।
  • G’ जुड़ा हुआ है, क्योंकि एक पत्ती को हटाने से एक जुड़ा हुआ ग्राफ (n>1) खंडित नहीं होता है।
  • G’ अचक्रीय है, क्योंकि एक शीर्ष और किनारे को हटाने से कोई चक्र नहीं बन सकता है।

इसलिए, G’ भी (n-1) शीर्षों वाला एक वृक्ष है। आगमन परिकल्पना के अनुसार, G’ में (n-1)-1 = n-2 किनारे होने चाहिए। मूल ग्राफ G को G’ में शीर्ष v और किनारे e को वापस जोड़कर प्राप्त किया जा सकता है। इसलिए, G में किनारों की संख्या = (G’ में किनारों की संख्या) + 1 = (n-2) + 1 = n-1 । इस प्रकार, आगमन द्वारा यह सिद्ध होता है कि n शीर्षों वाले किसी भी वृक्ष में n-1 किनारे होते हैं।

Q5. (क) एक संदूक में 7 नीली और 5 काली गेंदें हैं। संदूक से 4 गेंदें यादृच्छया निकाली जाती हैं। क्या प्रायिकता है कि निकाली गई गेंदों में से 2 गेंदें काली हैं और 2 नीली हैं। (ख) यदि m, n ≥ 2 के लिए Kₘ,ₙ हैमिल्टोनीय है, तो m और n किस प्रकार सम्बन्धित हैं? अपने उत्तर की पुष्टि कीजिए। (ग) पुनरावृत्ति संबंध aₙ = 3aₙ₋₁ + 4aₙ₋₂; a₀=0, a₁=5 का हल ज्ञात कीजिए।

Ans. (क) समस्या का विश्लेषण: कुल गेंदें = 7 नीली + 5 काली = 12 गेंदें। निकाली गई गेंदों की संख्या = 4। हमें 2 काली और 2 नीली गेंदें निकालने की प्रायिकता ज्ञात करनी है।

1. कुल संभावित परिणाम: 12 गेंदों में से 4 गेंदों को चुनने के कुल तरीकों की संख्या C(12, 4) है। C(12, 4) = 12! / (4! * (12-4)!) = (12 × 11 × 10 × 9) / (4 × 3 × 2 × 1) = 495।

2. अनुकूल परिणाम: हमें 2 काली और 2 नीली गेंदें चुननी हैं। 5 काली गेंदों में से 2 काली गेंदों को चुनने के तरीकों की संख्या C(5, 2) है। C(5, 2) = 5! / (2! * 3!) = (5 × 4) / 2 = 10। 7 नीली गेंदों में से 2 नीली गेंदों को चुनने के तरीकों की संख्या C(7, 2) है। C(7, 2) = 7! / (2! * 5!) = (7 × 6) / 2 = 21। गुणन के नियम के अनुसार, 2 काली और 2 नीली गेंदें चुनने के कुल तरीके = C(5, 2) × C(7, 2) = 10 × 21 = 210।

3. प्रायिकता की गणना: प्रायिकता = (अनुकूल परिणामों की संख्या) / (कुल संभावित परिणामों की संख्या) P(2 काली और 2 नीली) = 210 / 495 इस भिन्न को सरल बनाने पर (अंश और हर दोनों को 15 से विभाजित करने पर): 210 ÷ 15 = 14 495 ÷ 15 = 33 अतः, प्रायिकता 14/33 है।

(ख) यदि पूर्ण द्विभाजित ग्राफ Kₘ,ₙ हैमिल्टोनीय (Hamiltonian) है, तो m और n बराबर होने चाहिए (m = n) । पुष्टि (Justification): एक हैमिल्टोनीय चक्र एक ऐसा चक्र होता है जो ग्राफ के प्रत्येक शीर्ष से ठीक एक बार गुजरता है। मान लीजिए Kₘ,ₙ के दो विभाजन X और Y हैं, जहाँ |X|=m और |Y|=n। Kₘ,ₙ में कोई भी पथ या चक्र X और Y के शीर्षों के बीच बारी-बारी से चलता है (जैसे x₁ → y₁ → x₂ → y₂ …)। एक हैमिल्टोनीय चक्र में कुल m+n शीर्ष होते हैं। चूंकि चक्र X के एक शीर्ष से शुरू होता है और X और Y के बीच बारी-बारी से चलता है, तो चक्र में X के शीर्षों की संख्या Y के शीर्षों की संख्या के बराबर होनी चाहिए ताकि यह वापस प्रारंभिक शीर्ष पर समाप्त हो सके। उदाहरण के लिए, यदि चक्र x₁ से शुरू होता है, तो पथ x₁, y₁, x₂, y₂, …, xₖ, yₖ जैसा दिखेगा। चक्र को पूरा करने के लिए, yₖ को x₁ से जुड़ना होगा। इसका मतलब है कि पथ में k शीर्ष X से और k शीर्ष Y से हैं। चूंकि हैमिल्टोनीय चक्र को सभी शीर्षों को कवर करना होता है, इसलिए X के सभी m शीर्ष और Y के सभी n शीर्ष चक्र में होने चाहिए। इसलिए, चक्र में m शीर्ष X से और n शीर्ष Y से होंगे। बारी-बारी से चलने की प्रकृति के कारण, यह केवल तभी संभव है जब m = n हो। इसके अतिरिक्त, डिराक की प्रमेय का एक परिणाम यह है कि यदि एक द्विभाजित ग्राफ G=(X∪Y, E) में |X|=|Y|=n ≥ 2 है, और प्रत्येक शीर्ष की डिग्री n/2 से अधिक है, तो G हैमिल्टोनीय है। Kₙ,ₙ में प्रत्येक शीर्ष की डिग्री n है, जो n/2 से अधिक है (n≥2 के लिए), इसलिए m=n≥2 के लिए Kₘ,ₙ हमेशा हैमिल्टोनीय होता है।

(ग) दिया गया रैखिक समघात पुनरावृत्ति संबंध है: aₙ = 3aₙ₋₁ + 4aₙ₋₂। 1. अभिलाक्षणिक समीकरण (Characteristic Equation): हम aₙ = rⁿ का एक हल मानकर अभिलाक्षणिक समीकरण बनाते हैं: rⁿ = 3rⁿ⁻¹ + 4rⁿ⁻² r² = 3r + 4 r² – 3r – 4 = 0

2. मूल ज्ञात करना: इस द्विघात समीकरण को गुणनखंड करके हल करते हैं: r² – 4r + r – 4 = 0 r(r – 4) + 1(r – 4) = 0 (r – 4)(r + 1) = 0 मूल r₁ = 4 और r₂ = -1 हैं।

3. व्यापक हल (General Solution): चूंकि मूल भिन्न हैं, व्यापक हल इस रूप में होता है: aₙ = A(r₁)ⁿ + B(r₂)ⁿ = A(4)ⁿ + B(-1)ⁿ

4. प्रारंभिक शर्तों का उपयोग करके स्थिरांक ज्ञात करना: हमें a₀ = 0 और a₁ = 5 दिया गया है। n = 0 के लिए: a₀ = A(4)⁰ + B(-1)⁰ = A + B 0 = A + B ⇒ B = -A (समीकरण 1)

n = 1 के लिए: a₁ = A(4)¹ + B(-1)¹ = 4A – B 5 = 4A – B (समीकरण 2) अब समीकरण 1 से B = -A को समीकरण 2 में प्रतिस्थापित करें: 5 = 4A – (-A) 5 = 5A A = 1 A=1 को समीकरण 1 में रखने पर, हमें B = -1 मिलता है।

5. अंतिम हल: A=1 और B=-1 के मानों को व्यापक हल में रखने पर, हमें अंतिम हल मिलता है: aₙ = 1(4)ⁿ – 1(-1)ⁿ = 4ⁿ – (-1)ⁿ

Q6. (क) यदि एक k-नियमित ग्राफ में लम्बाई 5 से कम वाला कोई भी चक्र नहीं है, तो दिखाइए कि इसमें कम-से-कम k² + 1 शीर्ष होंगे। (ख) सत्य सारणी का प्रयोग किए बिना, बूलीय व्यंजक [(x₁ ∧ x₂) ∨ (x₁’ ∧ x₃’)]’ का CNF ज्ञात कीजिए।

Ans. (क) मान लीजिए G एक k-नियमित ग्राफ है जिसमें लंबाई 3 या 4 का कोई चक्र नहीं है। इसका अर्थ है कि G का घेरा (girth) कम से कम 5 है। हम यह दिखाएंगे कि G में शीर्षों की संख्या कम से कम k² + 1 है।

एक यादृच्छिक शीर्ष v चुनें।

  • चूंकि ग्राफ k-नियमित है, v के ठीक k पड़ोसी (neighbours) हैं। इन पड़ोसियों के समुच्चय को N(v) कहते हैं। मान लीजिए ये {u₁, u₂, …, uₖ} हैं। ये शीर्ष v से दूरी 1 पर हैं।
  • अब, v के किसी भी दो पड़ोसियों, मान लीजिए uᵢ और uⱼ (i ≠ j) पर विचार करें। यदि uᵢ और uⱼ के बीच एक किनारा होता, तो v-uᵢ-uⱼ-v लंबाई 3 का एक चक्र बन जाता। चूंकि ग्राफ में लंबाई 3 का कोई चक्र नहीं है, इसलिए v के कोई भी दो पड़ोसी आपस में जुड़े नहीं हैं।
  • अब uᵢ (जो N(v) में है) के पड़ोसियों पर विचार करें। चूंकि G k-नियमित है, uᵢ के भी k पड़ोसी हैं। इनमें से एक शीर्ष v है।
  • uᵢ के शेष k-1 पड़ोसी v नहीं हो सकते।
  • इसके अलावा, uᵢ का कोई भी अन्य पड़ोसी (v के अलावा) N(v) के किसी अन्य सदस्य uⱼ के बराबर नहीं हो सकता, क्योंकि हमने पहले ही स्थापित कर लिया है कि N(v) में कोई किनारा नहीं है।
  • अब विचार करें कि क्या दो अलग-अलग पड़ोसियों uᵢ और uⱼ का v के अलावा कोई उभयनिष्ठ पड़ोसी w हो सकता है। यदि ऐसा होता, तो v-uᵢ-w-uⱼ-v लंबाई 4 का एक चक्र बन जाता। चूंकि ग्राफ में लंबाई 4 का कोई चक्र नहीं है, यह संभव नहीं है।

इसका तात्पर्य यह है कि प्रत्येक uᵢ ∈ N(v) के k-1 पड़ोसी (v के अलावा) v, N(v) के अन्य सभी सदस्यों और N(v) के अन्य सदस्यों के पड़ोसियों (v के अलावा) से भिन्न होने चाहिए। आइए अब शीर्षों की गिनती करें: 1. प्रारंभिक शीर्ष: v (1 शीर्ष) 2. v के पड़ोसी (दूरी 1 पर शीर्ष): {u₁, u₂, …, uₖ} (k शीर्ष) 3. v के पड़ोसियों के पड़ोसी, v के अलावा (दूरी 2 पर शीर्ष): प्रत्येक uᵢ के k-1 अद्वितीय पड़ोसी हैं। चूंकि ये सभी अद्वितीय हैं, कुल मिलाकर k × (k-1) शीर्ष हैं। ये सभी शीर्ष अद्वितीय होने चाहिए, अन्यथा एक चक्र बनेगा जिसकी लंबाई 3 या 4 होगी। अतः, शीर्षों की कुल न्यूनतम संख्या है: शीर्षों की संख्या ≥ 1 (v) + k (v के पड़ोसी) + k(k-1) (पड़ोसियों के पड़ोसी) ≥ 1 + k + k² – k ≥ k² + 1 इस प्रकार, ग्राफ में कम से कम k² + 1 शीर्ष होने चाहिए।

(ख) हमें बूलीय व्यंजक [(x₁ ∧ x₂) ∨ (x₁’ ∧ x₃’)]’ का संयोजनीय प्रसामान्य रूप (Conjunctive Normal Form – CNF) ज्ञात करना है। CNF खंडों (clauses) का एक संयोजन (AND) होता है, जहाँ प्रत्येक खंड अक्षरों (literals) का एक वियोजन (OR) होता है। दिया गया व्यंजक: E = [(x₁ ∧ x₂) ∨ (x₁’ ∧ x₃’)]’ चरण 1: बाहरी निषेध (negation) पर डी मॉर्गन के नियम (De Morgan’s Law) को लागू करें। डी मॉर्गन का नियम: (A ∨ B)’ = A’ ∧ B’ यहाँ, A = (x₁ ∧ x₂) और B = (x₁’ ∧ x₃’)। E = (x₁ ∧ x₂)’ ∧ (x₁’ ∧ x₃’)’ चरण 2: आंतरिक निषेधों पर डी मॉर्गन के नियम को लागू करें। डी मॉर्गन का नियम: (A ∧ B)’ = A’ ∨ B’ पहले पद के लिए: (x₁ ∧ x₂)’ = (x₁’ ∨ x₂’) दूसरे पद के लिए: (x₁’ ∧ x₃’)’ = (x₁’)’ ∨ (x₃’)’ चरण 3: दोहरे निषेध (double negation) को सरल बनाएं। (A’)’ = A दूसरे पद में, (x₁’)’ = x₁ और (x₃’)’ = x₃। तो, (x₁’ ∧ x₃’)’ = (x₁ ∨ x₃)। चरण 4: सरलीकृत भागों को मिलाएं। E = (x₁’ ∨ x₂’) ∧ (x₁ ∨ x₃) परिणामी व्यंजक, (x₁’ ∨ x₂’) ∧ (x₁ ∨ x₃) , दो खंडों (x₁’ ∨ x₂’) और (x₁ ∨ x₃) का एक संयोजन है। प्रत्येक खंड अक्षरों का एक वियोजन है। यह CNF की परिभाषा के अनुरूप है। अतः, दिए गए व्यंजक का CNF (x₁’ ∨ x₂’) ∧ (x₁ ∨ x₃) है।

Q7. (क) मान लीजिए S = {xᵢ : 1≤i≤7} है। यदि इस समुच्चय के सदस्य एक वृत्त पर व्यवस्थित किए जाते हैं, तो उन व्यवस्थाओं की संख्या ज्ञात कीजिए जिनमें x₁ और x₆ हमेशा साथ-साथ आते हों। (ख) एक विद्यालय में 100 छात्र हैं, जिनमें से 40 छात्र इंग्लिश, 40 हिन्दी और 40 पंजाबी भाषा चुनते हैं। 20 छात्र इंग्लिश और हिन्दी, 20 छात्र हिन्दी और पंजाबी, 20 छात्र इंग्लिश और पंजाबी भाषाएँ लेते हैं और 10 छात्र तीनों भाषाएँ लेते हैं। ज्ञात कीजिए कि ऐसे कितने छात्र हैं जिन्होंने कोई भी भाषा नहीं ली है। (ग) मान लीजिए aₙ n पदों वाली एक सीढ़ी पर चढ़ने के तरीकों को व्यक्त करता है, जबकि प्रत्येक कदम पर या तो एक पद चढ़ा जाए या एक साथ दो पद। aₙ के लिए एक पुनरावृत्ति संबंध ज्ञात कीजिए और इसे हल करने के लिए प्रारम्भिक प्रतिबंध भी ज्ञात कीजिए।

Ans. (क) हमें S = {x₁, x₂, x₃, x₄, x₅, x₆, x₇} के 7 सदस्यों को एक वृत्त में व्यवस्थित करना है, इस शर्त के साथ कि x₁ और x₆ हमेशा एक दूसरे के निकट हों।

चरण 1: साथ रहने वाले सदस्यों को एक इकाई मानें। चूंकि x₁ और x₆ को हमेशा एक साथ रहना है, हम उन्हें एक एकल खंड या इकाई {x₁, x₆} के रूप में मान सकते हैं। चरण 2: इकाइयों को एक वृत्त में व्यवस्थित करें। अब हमारे पास व्यवस्थित करने के लिए कुल 6 “इकाइयाँ” हैं: {x₁, x₆}, x₂, x₃, x₄, x₅, x₇। n विभिन्न वस्तुओं को एक वृत्त में व्यवस्थित करने के तरीकों की संख्या (n-1)! होती है। इसलिए, इन 6 इकाइयों को एक वृत्त में व्यवस्थित करने के तरीकों की संख्या (6-1)! = 5! है। 5! = 5 × 4 × 3 × 2 × 1 = 120। चरण 3: आंतरिक व्यवस्थाओं पर विचार करें। एकल खंड {x₁, x₆} के भीतर, दो सदस्य x₁ और x₆ अपनी स्थितियों को आपस में बदल सकते हैं। उन्हें (x₁, x₆) या (x₆, x₁) के रूप में व्यवस्थित किया जा सकता है। इन आंतरिक व्यवस्थाओं की संख्या 2! = 2 है। चरण 4: कुल व्यवस्थाओं की गणना करें। कुल व्यवस्थाओं की संख्या वृत्तीय व्यवस्थाओं की संख्या और आंतरिक व्यवस्थाओं की संख्या का गुणनफल है। कुल व्यवस्थाएं = (5!) × (2!) = 120 × 2 = 240 । अतः, 240 ऐसी व्यवस्थाएं हैं जिनमें x₁ और x₆ हमेशा एक साथ आते हैं।

(ख) हम इस समस्या को हल करने के लिए समावेशन-अपवर्जन के सिद्धांत (Principle of Inclusion-Exclusion) का उपयोग करेंगे। कुल छात्र = 100। मान लीजिए: E = इंग्लिश लेने वाले छात्रों का समुच्चय, |E| = 40 H = हिन्दी लेने वाले छात्रों का समुच्चय, |H| = 40 P = पंजाबी लेने वाले छात्रों का समुच्चय, |P| = 40 |E ∩ H| = 20 (इंग्लिश और हिन्दी दोनों) |H ∩ P| = 20 (हिन्दी और पंजाबी दोनों) |E ∩ P| = 20 (इंग्लिश और पंजाबी दोनों) |E ∩ H ∩ P| = 10 (तीनों भाषाएं) चरण 1: कम से कम एक भाषा लेने वाले छात्रों की संख्या ज्ञात करें। |E ∪ H ∪ P| = |E| + |H| + |P| – (|E ∩ H| + |H ∩ P| + |E ∩ P|) + |E ∩ H ∩ P| |E ∪ H ∪ P| = (40 + 40 + 40) – (20 + 20 + 20) + 10 |E ∪ H ∪ P| = 120 – 60 + 10 |E ∪ H ∪ P| = 70। तो, 70 छात्र कम से कम एक भाषा लेते हैं। चरण 2: कोई भी भाषा नहीं लेने वाले छात्रों की संख्या ज्ञात करें। यह कुल छात्रों की संख्या में से कम से कम एक भाषा लेने वाले छात्रों की संख्या को घटाकर प्राप्त किया जा सकता है। कोई भाषा नहीं लेने वाले छात्र = (कुल छात्र) – |E ∪ H ∪ P| = 100 – 70 = 30। अतः, 30 छात्रों ने कोई भी भाषा नहीं ली है। (नोट: प्रश्न के अंग्रेजी संस्करण में एक टंकण त्रुटि है जहां “0 taking all three languages” लिखा है, जबकि हिंदी संस्करण में “10 छात्र तीनों भाषाएँ लेते हैं” लिखा है। यह हल हिंदी संस्करण के अनुसार है।)

(ग) मान लीजिए aₙ, n सीढ़ियों को चढ़ने के तरीकों की संख्या है, जहाँ प्रत्येक बार एक या दो सीढ़ियाँ चढ़ी जा सकती हैं। पुनरावृत्ति संबंध (Recurrence Relation): n-वीं सीढ़ी तक पहुंचने के लिए, अंतिम कदम या तो (n-1)-वीं सीढ़ी से या (n-2)-वीं सीढ़ी से उठाया गया होगा।

  • स्थिति 1: अंतिम कदम (n-1)-वीं सीढ़ी से एक सीढ़ी का था। (n-1)-वीं सीढ़ी तक पहुंचने के तरीकों की संख्या aₙ₋₁ है।
  • स्थिति 2: अंतिम कदम (n-2)-वीं सीढ़ी से दो सीढ़ियों का था। (n-2)-वीं सीढ़ी तक पहुंचने के तरीकों की संख्या aₙ₋₂ है।

चूंकि ये दो स्थितियां परस्पर अनन्य हैं, n-वीं सीढ़ी तक पहुंचने के कुल तरीकों की संख्या इन दोनों का योग है। इसलिए, पुनरावृत्ति संबंध है: aₙ = aₙ₋₁ + aₙ₋₂ , for n ≥ 2। यह प्रसिद्ध फाइबोनैचि संबंध है। प्रारम्भिक प्रतिबंध (Initial Conditions): इस संबंध को हल करने के लिए हमें दो प्रारंभिक मानों की आवश्यकता है।

  • a₁ (1 सीढ़ी चढ़ने के तरीके): केवल एक ही तरीका है: एक सीढ़ी का एक कदम लेना। तो, a₁ = 1 ।
  • a₂ (2 सीढ़ियाँ चढ़ने के तरीके): दो तरीके हैं: (1) दो बार एक-एक सीढ़ी चढ़ना, या (2) एक बार में दो सीढ़ियाँ चढ़ना। तो, a₂ = 2 ।

ये दो प्रारंभिक प्रतिबंध, a₁ = 1 और a₂ = 2, पुनरावृत्ति संबंध को हल करने के लिए पर्याप्त हैं। (वैकल्पिक रूप से, हम a₀ = 1 को परिभाषित कर सकते हैं, जिसका अर्थ है 0 सीढ़ियाँ चढ़ने का एक तरीका – कुछ न करना। तब a₂ = a₁ + a₀ = 1+1=2, जो सुसंगत है।)

IGNOU MTE-13 Previous Year Solved Question Paper in English

Q1. Which of the following statements are True and which are False? Justify your answers: (i) There is at least one graph with five vertices of degrees 2, 2, 2, 2, 3. (ii) The generating function for the sequence aₙ = n+1 is 1/(1+z). (iii) q → (p → q) is a tautology. (iv) There is a 3-regular graph on n vertices, ∀n≥4. (v) 5 has a self-conjugate partition.

Ans. (i) False . According to the Handshaking Lemma in graph theory, the sum of the degrees of all vertices in any graph is equal to twice the number of edges, which must be an even number. For the given degrees, the sum is 2 + 2 + 2 + 2 + 3 = 11. Since the sum (11) is an odd number, no such graph can exist.

(ii) False . For the sequence aₙ = n+1, the terms are 1, 2, 3, 4, … . The generating function is G(z) = Σ(n+1)zⁿ = 1 + 2z + 3z² + … . We know that the Maclaurin series expansion of 1/(1-z)² is Σ(n+1)zⁿ. The given function is 1/(1+z), which expands to 1 – z + z² – z³ + …, generating the sequence 1, -1, 1, -1, … . Therefore, the given statement is false.

(iii) True . To prove a statement is a tautology, we must show it is true for all possible truth values of p and q. We can check this in two cases:

  • Case 1: If q is True (T). Then (p → q) will also be True (T), as anything implies T. The entire statement q → (p → q) becomes T → T, which is T.
  • Case 2: If q is False (F). Then the entire statement becomes F → (p → F). An implication with a false antecedent is always true. Thus, the statement is True (T).

Since the statement is true in both cases, it is a tautology.

(iv) False . In a k-regular graph on n vertices, the sum of degrees is k×n. By the Handshaking Lemma, k×n must be even. If k=3, then 3n must be even, which implies that n (the number of vertices) must be even. The statement claims this holds for all n≥4, which includes odd values like n=5. For n=5, the sum of degrees would be 3×5=15, which is odd. Thus, a 3-regular graph on 5 vertices cannot exist. Therefore, the statement is false.

(v) True . A partition of a number is self-conjugate if its Ferrers graph is symmetric about the main diagonal. Consider the partition of 5 as 3 + 1 + 1 . The Ferrers graph is: * * * The conjugate of this graph is obtained by reading the columns as rows. The first column has 3 dots, the second has 1, and the third has 1. This gives the partition 3 + 1 + 1. Since the partition is equal to its conjugate, it is a self-conjugate partition.

Q2. (a) Using induction, show that: 2n² > (n+1)², ∀n>3 (b) Find the general solution of the recurrence relation: aₙ − 3aₙ₋₁ = 3.2ⁿ. Also find the solution when a₁ = 6. (c) Prove or disprove: “The complete graph, K₅, has a Eulerian circuit.”

Ans. (a) We will prove 2n² > (n+1)² for all n > 3 by mathematical induction. Base Case: For n = 4 (the first integer for n>3). LHS = 2(4)² = 2(16) = 32. RHS = (4+1)² = 5² = 25. Since 32 > 25, the statement holds for n=4. Inductive Hypothesis: Assume the statement is true for some integer k > 3. That is, 2k² > (k+1)². Inductive Step: We need to prove the statement for n = k+1. That is, 2(k+1)² > ((k+1)+1)² = (k+2)². Starting with the LHS: 2(k+1)² = 2(k² + 2k + 1) = 2k² + 4k + 2. From the inductive hypothesis, we know 2k² > (k+1)². Substituting this in: 2k² + 4k + 2 > (k+1)² + 4k + 2 = (k² + 2k + 1) + 4k + 2 = k² + 6k + 3. Now we need to show that k² + 6k + 3 > (k+2)². (k+2)² = k² + 4k + 4. So we must prove: k² + 6k + 3 > k² + 4k + 4 ⇒ 2k > 1 ⇒ k > 1/2. Since our hypothesis is for k > 3, which certainly satisfies k > 1/2, the inequality is true. Thus, 2(k+1)² > (k+2)². By induction, the statement is true for all integers n > 3.

(b) The given recurrence relation is: aₙ − 3aₙ₋₁ = 3.2ⁿ. 1. Homogeneous Solution: The homogeneous equation is aₙ − 3aₙ₋₁ = 0. The characteristic equation is r – 3 = 0, which has the root r=3. So, the homogeneous solution is aₙ⁽ʰ⁾ = A(3)ⁿ.

2. Particular Solution: Since the RHS is 3.2ⁿ, we assume a particular solution of the form aₙ⁽ᵖ⁾ = C(2)ⁿ. Substituting this into the relation: C(2)ⁿ – 3(C(2)ⁿ⁻¹) = 3.2ⁿ C(2)ⁿ – (3/2)C(2)ⁿ = 3.2ⁿ (C – 3C/2)(2)ⁿ = 3(2)ⁿ -C/2 = 3 ⇒ C = -6. So, the particular solution is aₙ⁽ᵖ⁾ = -6(2)ⁿ.

3. General Solution: The general solution is the sum of the homogeneous and particular solutions: aₙ = aₙ⁽ʰ⁾ + aₙ⁽ᵖ⁾ = A(3)ⁿ – 6(2)ⁿ.

Now, we use the condition a₁ = 6 to find A: a₁ = A(3)¹ – 6(2)¹ = 6 3A – 12 = 6 3A = 18 A = 6.

Therefore, the specific solution with the given initial condition is: aₙ = 6(3)ⁿ – 6(2)ⁿ .

(c) Prove . A graph has an Eulerian circuit if and only if it is connected and every vertex has an even degree. The complete graph K₅ is a graph with 5 vertices, where every vertex is connected to every other vertex. 1. Connectivity: K₅ is connected because every vertex is directly connected to every other vertex. 2. Vertex Degrees: In K₅, the degree of each vertex is n-1, where n is the number of vertices. Here n=5, so the degree of each vertex is 5-1 = 4. Since the number 4 is an even number, all 5 vertices of K₅ have an even degree. Since K₅ is connected and all its vertices have even degree, it has an Eulerian circuit. Therefore, the statement is true.

Q3. (a) Define a complete matching in a bipartite graph. Check whether or not, there is a complete matching in the following graph. (b) Calculate the Stirling number S(5, 4). (c) Using the generating function technique, evaluate the sum: Σ k 2ᵏ C(n, k) for k=1 to n.

Ans. (a) Definition of a Complete Matching: In a bipartite graph G = (U ∪ V, E), where U and V are the two disjoint sets of vertices, a matching is a subset of edges M ⊆ E such that no two edges in M share a common vertex. A matching is called a complete matching from U to V if it saturates every vertex in U, i.e., every vertex in U is an endpoint of some edge in M. This requires that |U| ≤ |V|. If |U| = |V|, it is often called a perfect matching.

Checking the given graph: The given graph is bipartite with partitions X = {A, B, C, D} and Y = {a, b, c, d}. Here, |X| = |Y| = 4. We need to check if a complete matching from X to Y exists. We can try to construct one that covers all vertices of X. Consider the potential matching M: M = {(A, a), (B, b), (C, c), (D, d)} Let’s check if this is a valid matching:

  • The edge (A, a) exists in the graph.
  • The edge (B, b) exists in the graph.
  • The edge (C, c) exists in the graph.
  • The edge (D, d) exists in the graph.

None of these four edges share a common vertex. This matching M covers all vertices {A, B, C, D} in set X.

Therefore,

yes, a complete matching exists in the given graph

.

(b) Stirling Number S(5, 4): The Stirling number of the second kind, denoted S(n, k) or {n k}, is the number of ways to partition a set of n elements into k non-empty disjoint subsets. We need to calculate S(5, 4), which is the number of ways to partition a set of 5 elements (say {1, 2, 3, 4, 5}) into 4 non-empty subsets. To partition 5 elements into 4 subsets, the only possible form of the partition is to have one subset of size 2, and the remaining three subsets of size 1 each. For example: {{1, 2}, {3}, {4}, {5}}. The task, therefore, is simply to find the number of ways to choose the 2 elements that will be in the same subset. The number of ways to choose 2 elements from 5 is given by the combination C(5, 2). C(5, 2) = 5! / (2! * (5-2)!) = (5 × 4) / (2 × 1) = 10. Thus, S(5, 4) = 10 .

(c) We will use the generating function technique to evaluate the sum S = Σ k 2ᵏ C(n, k) from k=1 to n. We start with the Binomial Theorem: (1 + x)ⁿ = Σ C(n, k) xᵏ (from k=0 to n)

Now, we differentiate this equation with respect to x: d/dx [(1 + x)ⁿ] = d/dx [Σ C(n, k) xᵏ] n(1 + x)ⁿ⁻¹ = Σ C(n, k) k xᵏ⁻¹ (from k=1 to n) (The k=0 term is a constant, so its derivative is 0)

Now, we manipulate the equation to match the given sum. We multiply both sides of the equation by x: n x (1 + x)ⁿ⁻¹ = Σ C(n, k) k xᵏ (from k=1 to n)

This is almost the desired sum, except we have 2ᵏ instead of xᵏ. This indicates that we should substitute x=2. Setting x = 2: n 2 (1 + 2)ⁿ⁻¹ = Σ C(n, k) k 2ᵏ (from k=1 to n) 2n (3)ⁿ⁻¹ = S

Thus, the value of the sum is 2n * 3ⁿ⁻¹ .

Q4. (a) Test the validity of the following argument using truth table: p→q, r∨~q, r ∴ ~p (b) Let G be a graph with n vertices. Prove that if G is a tree, then G is acyclic and has n-1 edges.

Ans. (a) An argument is valid if and only if every time all the premises are true, the conclusion is also true. Premises: P1: p→q, P2: r∨~q, P3: r Conclusion: C: ~p

We will construct a truth table to check the validity of the argument. We need to find the rows where P1, P2, and P3 are all True (T), and then check the truth value of C in those rows.

| p | q | r | ~q | p→q (P1) | r∨~q (P2) | r (P3) | ~p (C) | |—|—|—|—|—|—|—|—| | T | T | T | F | T | T | T | F | | T | T | F | F | T | F | F | F | | T | F | T | T | F | T | T | F | | T | F | F | T | F | T | F | F | | F | T | T | F | T | T | T | T | | F | T | F | F | T | F | F | T | | F | F | T | T | T | T | T | T | | F | F | F | T | T | T | F | T |

Now, we identify the rows where all premises P1, P2, and P3 are true. These are:

  • Row 1: p=T, q=T, r=T. Here P1, P2, P3 are all T. In this row, the conclusion C (~p) is F (False).
  • Row 5: p=F, q=T, r=T. Here P1, P2, P3 are all T. In this row, the conclusion C (~p) is T (True).
  • Row 7: p=F, q=F, r=T. Here P1, P2, P3 are all T. In this row, the conclusion C (~p) is T (True).

Since there exists a case (Row 1: p=T, q=T, r=T) where all the premises are true but the conclusion is false, the argument is

invalid

.

(b) We need to prove that if G is a tree, then (1) G is acyclic and (2) G has n-1 edges.

1. Acyclicity: By the very definition of a tree, it is a connected acyclic graph . Therefore, if G is a tree, it is acyclic by definition.

2. Number of Edges: We will prove this by induction on n, the number of vertices. Base Case: For n=1. A tree with one vertex has no edges. The number of edges = 0, and n-1 = 1-1 = 0. So it holds for n=1.

Inductive Hypothesis: Assume that for any tree with k vertices, where k < n, it has k-1 edges.

Inductive Step: Let G be a tree with n vertices (where n > 1). A property of any tree (with n>1) is that it has at least one vertex of degree 1 (called a leaf). If not, all vertices would have degree ≥ 2, and a walk in the graph would eventually lead to a cycle, which contradicts the definition of a tree. Let v be a leaf in G, and let e be the edge incident to v. Consider a new graph G’ = G – {v}, obtained by removing v and the edge e.

  • G’ has n-1 vertices.
  • G’ is connected, because removing a leaf from a connected graph (with n>1) does not disconnect it.
  • G’ is acyclic, because removing a vertex and an edge cannot create a cycle.

Therefore, G’ is also a tree on n-1 vertices.

By the inductive hypothesis, G’ must have (n-1)-1 = n-2 edges.

The original graph G can be obtained by adding the vertex v and the edge e back to G’.

Therefore, the number of edges in G = (Number of edges in G’) + 1 = (n-2) + 1 =

n-1

.

Thus, by induction, it is proved that any tree with n vertices has n-1 edges.

Q5. (a) A box contains 7 blue and 5 black balls. 4 balls are selected from the box at random. What is the probability that 2 of the selected balls will be black and 2 will be blue. (b) If Kₘ,ₙ for m, n ≥ 2, is Hamiltonian, how are m and n related? Justify your answer. (c) Find the solution of the recurrence relation: aₙ = 3aₙ₋₁ + 4aₙ₋₂; a₀=0, a₁=5.

Ans. (a) Problem Analysis: Total balls = 7 blue + 5 black = 12 balls. Number of balls to be selected = 4. We need to find the probability of selecting 2 black and 2 blue balls.

1. Total Possible Outcomes: The total number of ways to select 4 balls from 12 is given by the combination C(12, 4). C(12, 4) = 12! / (4! * (12-4)!) = (12 × 11 × 10 × 9) / (4 × 3 × 2 × 1) = 495.

2. Favorable Outcomes: We need to select 2 black and 2 blue balls. The number of ways to select 2 black balls from 5 is C(5, 2). C(5, 2) = 5! / (2! * 3!) = (5 × 4) / 2 = 10. The number of ways to select 2 blue balls from 7 is C(7, 2). C(7, 2) = 7! / (2! * 5!) = (7 × 6) / 2 = 21. By the rule of product, the total ways to choose 2 black and 2 blue balls = C(5, 2) × C(7, 2) = 10 × 21 = 210.

3. Probability Calculation: Probability = (Number of Favorable Outcomes) / (Total Possible Outcomes) P(2 black and 2 blue) = 210 / 495 Simplifying this fraction (by dividing both numerator and denominator by 15): 210 ÷ 15 = 14 495 ÷ 15 = 33 Thus, the probability is 14/33 .

(b) If the complete bipartite graph Kₘ,ₙ is Hamiltonian, then m and n must be equal (m = n) .

Justification: A Hamiltonian cycle is a cycle that visits every vertex of the graph exactly once. Let the two partitions of Kₘ,ₙ be X and Y, where |X|=m and |Y|=n. Any path or cycle in Kₘ,ₙ must alternate between vertices from X and Y (e.g., x₁ → y₁ → x₂ → y₂ …). A Hamiltonian cycle must contain all m+n vertices. Since the cycle alternates between X and Y, starting from a vertex in X, the cycle must contain an equal number of vertices from X and Y to be able to return to the starting vertex. For example, if the cycle starts at x₁, the path looks like x₁, y₁, x₂, y₂, …, xₖ, yₖ. To complete the cycle, yₖ must connect back to x₁. This implies the path contains k vertices from X and k vertices from Y. Since the Hamiltonian cycle must cover all vertices, it will have m vertices from X and n vertices from Y. Due to the alternating nature, this is only possible if m = n .

Furthermore, a corollary of Dirac’s theorem states that if a bipartite graph G=(X∪Y, E) has |X|=|Y|=n ≥ 2, and every vertex has degree greater than n/2, then G is Hamiltonian. In Kₙ,ₙ, every vertex has degree n, which is greater than n/2 (for n≥2), so Kₘ,ₙ is always Hamiltonian for m=n≥2.

(c) The given linear homogeneous recurrence relation is: aₙ = 3aₙ₋₁ + 4aₙ₋₂. 1. Characteristic Equation: We form the characteristic equation by assuming a solution of the form aₙ = rⁿ: rⁿ = 3rⁿ⁻¹ + 4rⁿ⁻² r² = 3r + 4 r² – 3r – 4 = 0

2. Finding the Roots: We solve this quadratic equation by factoring: r² – 4r + r – 4 = 0 r(r – 4) + 1(r – 4) = 0 (r – 4)(r + 1) = 0 The roots are r₁ = 4 and r₂ = -1.

3. General Solution: Since the roots are distinct, the general solution is of the form: aₙ = A(r₁)ⁿ + B(r₂)ⁿ = A(4)ⁿ + B(-1)ⁿ

4. Using Initial Conditions to Find Constants: We are given a₀ = 0 and a₁ = 5. For n = 0: a₀ = A(4)⁰ + B(-1)⁰ = A + B 0 = A + B ⇒ B = -A (Equation 1)

For n = 1: a₁ = A(4)¹ + B(-1)¹ = 4A – B 5 = 4A – B (Equation 2)

Now substitute B = -A from Equation 1 into Equation 2: 5 = 4A – (-A) 5 = 5A A = 1

Substituting A=1 into Equation 1, we get B = -1.

5. Final Solution: Placing the values of A=1 and B=-1 into the general solution, we get the final solution: aₙ = 1(4)ⁿ – 1(-1)ⁿ = 4ⁿ – (-1)ⁿ

Q6. (a) If a k-regular graph has no cycle of length less than five, show that it must have at least k² + 1 vertices. (b) Without using a truth table, find the CNF of the Boolean expression: [(x₁ ∧ x₂) ∨ (x₁’ ∧ x₃’)]’.

Ans. (a) Let G be a k-regular graph with no cycles of length 3 or 4. This means the girth of G is at least 5. We will show that the number of vertices in G must be at least k² + 1.

Pick an arbitrary vertex v .

  • Since the graph is k-regular, v has exactly k neighbours. Let’s call the set of these neighbours N(v) = {u₁, u₂, …, uₖ}. These vertices are at distance 1 from v.
  • Consider any two neighbours of v, say uᵢ and uⱼ (with i ≠ j). If there were an edge between uᵢ and uⱼ, it would form the cycle v-uᵢ-uⱼ-v of length 3. Since the graph has no cycles of length 3, no two neighbours of v are adjacent.
  • Now consider the neighbours of any uᵢ ∈ N(v). Since G is k-regular, uᵢ also has k neighbours. One of these neighbours is v itself.
  • The other k-1 neighbours of uᵢ cannot be v.
  • Furthermore, can any other neighbour of uᵢ (besides v) be equal to another member uⱼ of N(v)? No, because we have already established there are no edges within N(v).
  • Now, consider if two distinct neighbours, uᵢ and uⱼ, could share a common neighbour w (other than v). If they did, it would form the cycle v-uᵢ-w-uⱼ-v of length 4. Since the graph has no cycles of length 4, this is not possible.

This implies that the k-1 neighbours of each uᵢ (other than v) must be distinct from v, from all other members of N(v), and from the non-v neighbours of all other members of N(v).

Let’s count the vertices: 1. The starting vertex: v (1 vertex) 2. The neighbours of v (vertices at distance 1): {u₁, u₂, …, uₖ} (k vertices) 3. The neighbours of the neighbours of v, excluding v (vertices at distance 2): Each uᵢ has k-1 unique neighbours. Since all these are unique, there are a total of k × (k-1) such vertices.

All these vertices must be distinct, otherwise, a cycle of length 3 or 4 would be formed. Therefore, the minimum total number of vertices is: Number of vertices ≥ 1 (for v) + k (for neighbours of v) + k(k-1) (for neighbours of neighbours) ≥ 1 + k + k² – k ≥ k² + 1

Thus, the graph must have at least k² + 1 vertices.

(b) We need to find the Conjunctive Normal Form (CNF) of the Boolean expression [(x₁ ∧ x₂) ∨ (x₁’ ∧ x₃’)]’. CNF is a conjunction (AND) of clauses, where each clause is a disjunction (OR) of literals.

Given expression: E = [(x₁ ∧ x₂) ∨ (x₁’ ∧ x₃’)]’

Step 1: Apply De Morgan’s Law to the outermost negation. De Morgan’s Law: (A ∨ B)’ = A’ ∧ B’ Here, let A = (x₁ ∧ x₂) and B = (x₁’ ∧ x₃’). E = (x₁ ∧ x₂)’ ∧ (x₁’ ∧ x₃’)’

Step 2: Apply De Morgan’s Law to the inner negations. De Morgan’s Law: (A ∧ B)’ = A’ ∨ B’ For the first term: (x₁ ∧ x₂)’ = (x₁’ ∨ x₂’) For the second term: (x₁’ ∧ x₃’)’ = (x₁’)’ ∨ (x₃’)’

Step 3: Simplify the double negations. The double negation law is (A’)’ = A. In the second term, (x₁’)’ = x₁ and (x₃’)’ = x₃. So, (x₁’ ∧ x₃’)’ = (x₁ ∨ x₃).

Step 4: Combine the simplified parts. E = (x₁’ ∨ x₂’) ∧ (x₁ ∨ x₃)

The resulting expression, (x₁’ ∨ x₂’) ∧ (x₁ ∨ x₃) , is a conjunction of two clauses, (x₁’ ∨ x₂’) and (x₁ ∨ x₃). Each clause is a disjunction of literals. This fits the definition of CNF.

Therefore, the CNF of the given expression is (x₁’ ∨ x₂’) ∧ (x₁ ∨ x₃) .

Q7. (a) Let S = {xᵢ : 1≤i≤7}. If the members of this set are arranged on a circle, find the number of arrangements, when x₁ and x₆ are always adjacent to each other. (b) A school has 100 students with 40 of them taking English, 40 taking Hindi and 40 taking Punjabi. 20 students are taking English and Hindi, 20 taking Hindi and Punjabi, 20 taking English and Punjabi and 10 taking all three languages. Find out how many students are taking no languages. (c) Let aₙ denote the number of ways of climbing a staircase with n steps such that one step or two steps are taken at a time. Find a recurrence relation for aₙ and initial conditions that would be required for solving it.

Ans. (a) We need to arrange the 7 members of S = {x₁, x₂, x₃, x₄, x₅, x₆, x₇} in a circle, with the condition that x₁ and x₆ are always adjacent.

Step 1: Treat the adjacent members as a single unit. Since x₁ and x₆ must always be together, we can treat them as a single block or unit, {x₁, x₆}.

Step 2: Arrange the units in a circle. Now we have a total of 6 “units” to arrange: {x₁, x₆}, x₂, x₃, x₄, x₅, x₇. The number of ways to arrange n distinct items in a circle is (n-1)!. So, the number of ways to arrange these 6 units in a circle is (6-1)! = 5!. 5! = 5 × 4 × 3 × 2 × 1 = 120.

Step 3: Consider internal arrangements. Within the single block {x₁, x₆}, the two members x₁ and x₆ can switch their positions. They can be arranged as (x₁, x₆) or (x₆, x₁). The number of these internal arrangements is 2! = 2.

Step 4: Calculate the total arrangements. The total number of arrangements is the product of the number of circular arrangements of the units and the number of internal arrangements. Total arrangements = (5!) × (2!) = 120 × 2 = 240 . Thus, there are 240 arrangements where x₁ and x₆ are always adjacent.

(b) We will use the Principle of Inclusion-Exclusion to solve this problem. Total students = 100. Let: E = set of students taking English, |E| = 40 H = set of students taking Hindi, |H| = 40 P = set of students taking Punjabi, |P| = 40 |E ∩ H| = 20 (both English and Hindi) |H ∩ P| = 20 (both Hindi and Punjabi) |E ∩ P| = 20 (both English and Punjabi) |E ∩ H ∩ P| = 10 (all three languages) (Note: The English version of the question has a typo stating “0 taking all three languages”. The solution uses the value 10 from the Hindi version, which is more typical for such problems.)

Step 1: Find the number of students taking at least one language. |E ∪ H ∪ P| = |E| + |H| + |P| – (|E ∩ H| + |H ∩ P| + |E ∩ P|) + |E ∩ H ∩ P| |E ∪ H ∪ P| = (40 + 40 + 40) – (20 + 20 + 20) + 10 |E ∪ H ∪ P| = 120 – 60 + 10 |E ∪ H ∪ P| = 70. So, 70 students take at least one language.

Step 2: Find the number of students taking no language. This can be found by subtracting the number of students taking at least one language from the total number of students. Students taking no language = (Total students) – |E ∪ H ∪ P| = 100 – 70 = 30. Therefore, 30 students are taking no languages.

(c) Let aₙ be the number of ways to climb n steps, taking either one or two steps at a time.

Recurrence Relation: To reach the n-th step, the final move must have been made from either step (n-1) or step (n-2).

  • Case 1: The last move was a single step from step (n-1). The number of ways to have reached step (n-1) is aₙ₋₁.
  • Case 2: The last move was a double step from step (n-2). The number of ways to have reached step (n-2) is aₙ₋₂.

Since these two cases are mutually exclusive, the total number of ways to reach step n is the sum of the ways for these two cases.

Therefore, the recurrence relation is:


aₙ = aₙ₋₁ + aₙ₋₂

, for n ≥ 2.

This is the famous Fibonacci relation.

Initial Conditions: To solve this relation, we need two initial values.

  • a₁ (Ways to climb 1 step): There is only one way: take a single 1-step. So, a₁ = 1 .
  • a₂ (Ways to climb 2 steps): There are two ways: (1) take two 1-steps, or (2) take a single 2-step. So, a₂ = 2 .

These two initial conditions, a₁ = 1 and a₂ = 2, are sufficient for solving the recurrence relation.

(Alternatively, one could define a₀ = 1, representing one way to climb 0 stairs – by doing nothing. Then a₂ = a₁ + a₀ = 1+1=2, which is consistent.)


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