Mathematics – Algebra, Vector Analysis & Geometry
B.Sc. First Year | Major/Minor
गणित – बीजगणित, सदिश विश्लेषण और ज्यामिति
बी.एससी. प्रथम वर्ष | मेजर/माइनर
A Group is a non-empty set G with a binary operation * satisfying:
(1) Closure: a*b ∈ G for all a,b ∈ G
(2) Associativity: (a*b)*c = a*(b*c)
(3) Identity: ∃ e ∈ G such that a*e = e*a = a
(4) Inverse: For each a, ∃ a⁻¹ such that a*a⁻¹ = e
Example: (ℤ, +) – integers under addition; identity = 0, inverse of n is -n.
The Rank of a matrix A is the maximum number of linearly independent rows (or columns) in the matrix. Equivalently, it is the order of the largest non-zero minor.
For matrix [[1,2,3],[4,5,6],[5,7,9]]: Row reduce to find rank = 2 (rows are dependent).
Rank determines consistency of linear systems: rank(A) = rank(augmented) → consistent.
Scalar Triple Product: [a, b, c] = a·(b×c). It gives the volume of the parallelepiped formed by three vectors. If [a,b,c] = 0, vectors are coplanar.
Vector Triple Product: a×(b×c) = (a·c)b − (a·b)c. The result is a vector lying in the plane of b and c.
An ellipse is the locus of a point P such that the sum of its distances from two fixed points (foci F₁ and F₂) is constant: PF₁ + PF₂ = 2a.
Standard Equation: x²/a² + y²/b² = 1 (a > b > 0)
where a = semi-major axis, b = semi-minor axis, c² = a²-b², eccentricity e = c/a (0 < e < 1).
Theorem: Every subgroup of a cyclic group is cyclic.
Proof: Let G = ⟨a⟩ be a cyclic group and H be a subgroup of G.
Case 1: If H = {e}, then H = ⟨e⟩ is cyclic.
Case 2: If H ≠ {e}, let m be the smallest positive integer such that aᵐ ∈ H.
Claim: H = ⟨aᵐ⟩.
Any element h ∈ H is of form aⁿ. By division algorithm: n = mq + r, 0 ≤ r < m.
Then aʳ = aⁿ·(aᵐ)⁻q ∈ H. Since r < m and m is smallest, r = 0.
So n = mq → h = (aᵐ)q ∈ ⟨aᵐ⟩. Thus H ⊆ ⟨aᵐ⟩ and ⟨aᵐ⟩ ⊆ H → H = ⟨aᵐ⟩ is cyclic. ✓
Cayley's Theorem: Every group G is isomorphic to a subgroup of the symmetric group S(G).
Proof: For each g ∈ G, define φg: G → G by φg(x) = gx (left multiplication). Then φg is a bijection. Define Φ: G → S(G) by Φ(g) = φg. Then Φ is a group homomorphism and is injective (since φg = φh implies g = h). Therefore G ≅ Φ(G) ⊆ S(G). ✓
The general equation of a circle: x² + y² + 2gx + 2fy + c = 0
Three points determine unique circle. Let the points be A(1,0), B(0,1), C(1,1).
Substituting each: 1+0+2g+0+c=0 → 2g+c=-1
0+1+0+2f+c=0 → 2f+c=-1
1+1+2g+2f+c=0 → 2g+2f+c=-2
From (1)&(2): g = f. From (3): 2g+2g+c=-2 → 4g+c=-2. With 2g+c=-1 → 2g=-1 → g=-½, f=-½, c=0.
Equation: x² + y² - x - y = 0.
For a square matrix A, a non-zero vector v is an eigenvector with eigenvalue λ if: Av = λv
To find eigenvalues: solve det(A - λI) = 0 (characteristic equation).
To find eigenvectors: solve (A - λI)v = 0 for each λ.
Example: A = [[2,1],[0,3]]. det(A-λI) = (2-λ)(3-λ) = 0 → λ₁=2, λ₂=3.
For λ=2: (A-2I)v=0 → v=[1,0]ᵀ. For λ=3: v=[1,1]ᵀ.
The angle θ between two planes a₁x+b₁y+c₁z=d₁ and a₂x+b₂y+c₂z=d₂ is the angle between their normal vectors n₁=(a₁,b₁,c₁) and n₂=(a₂,b₂,c₂):
cos θ = |n₁·n₂|/(|n₁||n₂|) = |a₁a₂+b₁b₂+c₁c₂| / √(a₁²+b₁²+c₁²)·√(a₂²+b₂²+c₂²)
If θ = 0°, planes are parallel. If θ = 90°, planes are perpendicular (a₁a₂+b₁b₂+c₁c₂=0).
Lagrange's Theorem: If H is a subgroup of a finite group G, then |H| divides |G|.
Proof: Define relation: a ~ b if a⁻¹b ∈ H. This is an equivalence relation. The equivalence class of a = aH (left coset). All cosets have same size |H|. G is partitioned into distinct cosets, each of size |H|. So |G| = (number of cosets) × |H| → |H| divides |G|. ✓
Properties of Determinants:
- Row/Column interchange: Interchanging two rows/columns changes sign of determinant.
- Identical rows: If two rows/columns are identical, det = 0.
- Scalar multiplication: Multiplying one row by k multiplies det by k.
- Sum property: det with row = sum of two rows = sum of two determinants.
- Row operations: Adding multiple of one row to another leaves det unchanged.
- Zero row: If all elements of a row/column are zero, det = 0.
- Triangular matrix: det = product of diagonal elements.
- Transpose: det(A) = det(Aᵀ).
- Multiplicative property: det(AB) = det(A)·det(B).
Sphere: Locus of points equidistant from a fixed point (center).
Standard equation: x² + y² + z² = r² (center at origin)
General equation: x² + y² + z² + 2ux + 2vy + 2wz + d = 0
Center = (-u, -v, -w), Radius = √(u²+v²+w²-d)
Properties:
- A sphere is determined by 4 non-coplanar points.
- Intersection of sphere with a plane is a circle.
- Two spheres intersect in a circle (common circle).
- Tangent plane at (x₁,y₁,z₁): xx₁+yy₁+zz₁ = r².
- Great circle: circle passing through center of sphere.
ग्रुप एक अरिक्त समुच्चय G है जिस पर एक द्विआधारी संक्रिया * परिभाषित है जो संतुष्ट करती है:
(1) बंद: a*b ∈ G, (2) साहचर्य: (a*b)*c = a*(b*c), (3) तत्समक: e*a = a*e = a, (4) प्रतिलोम: a*a⁻¹ = e
उदाहरण: (ℤ, +) – पूर्णांक, तत्समक = 0, n का प्रतिलोम = -n।
आव्यूह A की कोटि आव्यूह में रैखिक स्वतंत्र पंक्तियों (या स्तंभों) की अधिकतम संख्या है।
यह सबसे बड़े अशून्य उपसारणिक की कोटि के बराबर भी है।
कोटि रैखिक निकाय की संगतता निर्धारित करती है।
अदिश त्रिगुण गुणनफल: [a, b, c] = a·(b×c)। यह तीन सदिशों द्वारा बने समांतर षट्फलक का आयतन देता है। यदि = 0, सदिश समतलीय हैं।
सदिश त्रिगुण गुणनफल: a×(b×c) = (a·c)b − (a·b)c।
दीर्घवृत्त उस बिंदु P का बिंदुपथ है जिसके दो स्थिर बिंदुओं (नाभियों) से दूरियों का योग स्थिर है: PF₁ + PF₂ = 2a।
मानक समीकरण: x²/a² + y²/b² = 1 (a > b > 0)
उत्केंद्रता e = c/a (0 < e < 1)।
प्रमेय: चक्रीय ग्रुप का प्रत्येक उपग्रुप चक्रीय होता है।
उपपत्ति: G = ⟨a⟩ चक्रीय ग्रुप और H उसका उपग्रुप है।
H ≠ {e} के लिए: माना m सबसे छोटा धनात्मक पूर्णांक है जैसे aᵐ ∈ H।
दावा: H = ⟨aᵐ⟩। विभाजन एल्गोरिदम से: n = mq + r → r = 0 → H = ⟨aᵐ⟩ चक्रीय। ✓
केली का प्रमेय: प्रत्येक ग्रुप G, S(G) के किसी उपग्रुप के समाकारी होता है।
उपपत्ति: प्रत्येक g ∈ G के लिए φg(x) = gx परिभाषित करें। Φ: G → S(G), Φ(g) = φg एक अन्तर्क्षेपण समाकारिता है। अतः G ≅ Φ(G) ⊆ S(G). ✓
वृत्त का सामान्य समीकरण: x² + y² + 2gx + 2fy + c = 0
तीन बिंदु A(1,0), B(0,1), C(1,1) को प्रतिस्थापित करके:
2g + c = -1; 2f + c = -1; 2g + 2f + c = -2
g = f = -½, c = 0
समीकरण: x² + y² - x - y = 0.
वर्गाकार आव्यूह A के लिए, अशून्य सदिश v आइगन सदिश है जिसका आइगन मान λ है यदि: Av = λv
आइगन मान: det(A - λI) = 0 (अभिलाक्षणिक समीकरण) हल करें।
आइगन सदिश: प्रत्येक λ के लिए (A - λI)v = 0 हल करें।
दो समतलों के बीच कोण θ उनके अभिलंब सदिशों के बीच का कोण है:
cos θ = |a₁a₂+b₁b₂+c₁c₂| / (√(a₁²+b₁²+c₁²)·√(a₂²+b₂²+c₂²))
θ = 0° → समांतर; θ = 90° → लंबवत।
लैग्रेंज का प्रमेय: यदि H परिमित ग्रुप G का उपग्रुप है, तो |H|, |G| को विभाजित करता है।
उपपत्ति: a ~ b यदि a⁻¹b ∈ H। यह तुल्यता संबंध है। a का तुल्यता वर्ग = aH (वामावर्त सहसमुच्चय)। सभी सहसमुच्चयों का आकार |H| है। G विभिन्न सहसमुच्चयों में विभाजित → |G| = (सहसमुच्चयों की संख्या) × |H| ✓
- दो पंक्तियों का विनिमय → सारणिक का चिह्न बदलता है।
- दो समान पंक्तियां → det = 0।
- पंक्ति का k से गुणन → det का k से गुणन।
- शून्य पंक्ति → det = 0।
- त्रिभुज आव्यूह → det = विकर्ण का गुणनफल।
- det(Aᵀ) = det(A)।
- det(AB) = det(A)·det(B)।
गोला: एक स्थिर बिंदु (केंद्र) से समान दूरी पर बिंदुओं का बिंदुपथ।
मानक समीकरण: x² + y² + z² = r²
सामान्य: x² + y² + z² + 2ux + 2vy + 2wz + d = 0
केंद्र = (-u, -v, -w), त्रिज्या = √(u²+v²+w²-d)
गुण:
- 4 असमतलीय बिंदुओं से गोला निर्धारित।
- गोले और समतल का प्रतिच्छेदन वृत्त।
- स्पर्शज्या तल: xx₁+yy₁+zz₁ = r²।