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UPSC Mathematics 2024 — Paper I

All 8 questions from UPSC Civil Services Mains Mathematics 2024 Paper I (400 marks total). Every stem reproduced in full, with directive-word analysis, marks, word limits, and answer-approach pointers.

8Questions
400Total marks
2024Year
Paper IPaper

Topics covered

Linear algebra and calculus (1)Linear operators and multivariable calculus (1)Linear algebra, optimization and 3D geometry (1)Eigenvalues, multiple integration and sphere geometry (1)Differential equations, vector calculus, mechanics (1)Mechanics, simple harmonic motion, differential equations (1)Differential equations, dynamics, vector calculus (1)Laplace transform, Gauss divergence theorem, central force motion (1)

A

Q1
50M Compulsory solve Linear algebra and calculus

(a) Let H be a subspace of R⁴ spanned by the vectors v₁ = (1, –2, 5, –3), v₂ = (2, 3, 1, –4), v₃ = (3, 8, –3, –5). Then find a basis and dimension of H, and extend the basis of H to a basis of R⁴. (10 marks) (b) Let T : R³ → R³ be a linear operator and B = {v₁, v₂, v₃} be a basis of R³ over R. Suppose that Tv₁ = (1, 1, 0), Tv₂ = (1, 0, –1), Tv₃ = (2, 1, –1). Find a basis for the range space and null space of T. (10 marks) (c) Discuss the continuity of the function f(x) = { 1/(1–e^(–1/x)), x ≠ 0 { 0, x = 0 for all values of x. (10 marks) (d) Expand ln(x) in powers of (x–1) by Taylor's theorem and hence find the value of ln(1·1) correct up to four decimal places. (10 marks) (e) Find the equation of the right circular cylinder which passes through the circle x² + y² + z² = 9, x – y + z = 3. (10 marks)

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(a) माना H, R⁴ की एक उपसमष्टि है, जो कि सदिशों v₁ = (1, –2, 5, –3), v₂ = (2, 3, 1, –4), v₃ = (3, 8, –3, –5) द्वारा जनित है। तब H का एक आधार एवं विमा ज्ञात कीजिए तथा H के इस आधार को R⁴ के एक आधार तक विस्तृत कीजिए। (10 अंक) (b) माना T : R³ → R³ एक रैखिक संकारक है तथा R पर R³ का एक आधार B = {v₁, v₂, v₃} है। माना कि Tv₁ = (1, 1, 0), Tv₂ = (1, 0, –1), Tv₃ = (2, 1, –1) है। T की परिसर समष्टि तथा शून्य समष्टि के लिए एक आधार ज्ञात कीजिए। (10 अंक) (c) x के सभी मानों के लिए फलन f(x) = { 1/(1–e^(–1/x)), x ≠ 0 { 0, x = 0 के सांतत्य की चर्चा कीजिए। (10 अंक) (d) टेलर प्रमेय द्वारा ln(x) का (x–1) की घात में प्रसार कीजिए तथा ln(1·1) का दशमलव के चार स्थानों तक सही मान ज्ञात कीजिए। (10 अंक) (e) वृत्त x² + y² + z² = 9, x – y + z = 3 से होकर जाने वाले लम्ब वृत्तीय बेलन का समीकरण ज्ञात कीजिए। (10 अंक)

Answer approach & key points

Framework: UPSC Mathematics Paper 1. (a) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation | (b) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation | (c) discuss: intro > 3-4 dimensions > example > balanced close | (d) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation | (e) derive: given > assumptions > stepwise derivation > result > check Full marks: All parts solved with full working, correct results, and verification steps.

  • Row-reduce matrix of v₁, v₂, v₃ to find rank
  • Identify linearly independent vectors as basis of H
  • State dimension of H explicitly
  • Extend basis by adding standard unit vectors
  • Form matrix of T using given images
  • Row-reduce to find rank and nullity
  • Extract basis for range from pivot columns
  • Solve T(x)=0 to find basis for null space
Q2
50M solve Linear operators and multivariable calculus

(a) Consider a linear operator T on R³ over R defined by T(x, y, z) = (2x, 4x – y, 2x + 3y – z). Is T invertible? If yes, justify your answer and find T⁻¹. (15 marks) (b) If u = (x+y)/(1-xy) and v = tan⁻¹x + tan⁻¹y, then find ∂(u, v)/∂(x, y). Are u and v functionally related? If yes, find the relationship. (15 marks) (c) Find the image of the line x = 3-6t, y = 2t, z = 3+2t in the plane 3x+4y-5z+26 = 0. (20 marks)

हिंदी में पढ़ें

(a) माना R के ऊपर R³ पर एक रैखिक संकारक T, T(x, y, z) = (2x, 4x – y, 2x + 3y – z) द्वारा परिभाषित है। क्या T व्युत्क्रमणीय है? यदि हाँ, तो अपने उत्तर का तर्क प्रस्तुत कीजिए तथा T⁻¹ ज्ञात कीजिए। (15 अंक) (b) यदि u = (x+y)/(1-xy) तथा v = tan⁻¹x + tan⁻¹y है, तब ∂(u, v)/∂(x, y) ज्ञात कीजिए। क्या u तथा v फलनतः सम्बन्धित हैं? यदि हाँ, तो सम्बन्ध ज्ञात कीजिए। (15 अंक) (c) रेखा x = 3-6t, y = 2t, z = 3+2t का समतल 3x+4y-5z+26 = 0 में प्रतिबिम्ब ज्ञात कीजिए। (20 अंक)

Answer approach & key points

(a) justify: claim > 3-4 reasons > evidence > conclusion | (b) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation | (c) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation Full marks: Complete working with all steps, correct results, and verification.

  • Matrix representation of T
  • Calculation of determinant
  • Invertibility condition stated
  • Inverse matrix T⁻¹ derived
  • Partial derivatives of u and v
  • Jacobian determinant calculation
  • Functional relationship derived
  • Relationship explicitly stated
Q3
50M solve Linear algebra, optimization and 3D geometry

(a) Let V = M₂ₓ₂(ℝ) denote a vector space over the field of real numbers. Find the matrix of the linear mapping φ: V → V given by φ(v) = 1 & 2 3 & -1 v with respect to standard basis of M₂ₓ₂(ℝ), and hence find the rank of φ. Is φ invertible? Justify your answer. (15 marks) (b) Find the volume of the greatest cylinder which can be inscribed in a cone of height h and semi-vertical angle α. (20 marks) (c) Find the vertex of the cone 4x² - y² + 2z² + 2xy - 3yz + 12x - 11y + 6z + 4 = 0. (15 marks)

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(a) माना V = M₂ₓ₂(ℝ) वास्तविक संख्याओं के क्षेत्र पर एक सदिश समष्टि दर्शाता है। M₂ₓ₂(ℝ) के मानक आधार के सन्दर्भ में φ(v) = 1 & 2 3 & -1 v द्वारा दिए गए रैखिक प्रतिचित्रण φ: V → V का आव्यूह ज्ञात कीजिए और तब φ की कोटि (रैंक) ज्ञात कीजिए। क्या φ व्युत्क्रमणीय है? अपने उत्तर का तर्क प्रस्तुत कीजिए। (15 अंक) (b) ऊँचाई h तथा अर्ध-शीर्ष कोण α वाले एक शंकु के अंतर्गत सबसे बड़े बेलन का आयतन ज्ञात कीजिए। (20 अंक) (c) शंकु 4x² - y² + 2z² + 2xy - 3yz + 12x - 11y + 6z + 4 = 0 का शीर्ष ज्ञात कीजिए। (15 अंक)

Answer approach & key points

(a) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation | (b) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation | (c) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation Full marks: Complete method with all steps, verification, and clear justification

  • Define standard basis for M2x2(R)
  • Compute images of basis vectors under phi
  • Construct 4x4 matrix representation of phi
  • Determine rank and invertibility from matrix
  • Define variables for cylinder dimensions
  • Establish geometric constraints from cone
  • Formulate volume function to maximize
  • Apply calculus to find maximum volume
Q4
50M solve Eigenvalues, multiple integration and sphere geometry

(a) Let A = 3 & 2 & 4 2 & 0 & 2 4 & 2 & 3 be a 3×3 matrix. Find the eigenvalues and the corresponding eigenvectors of A. Hence find the eigenvalues and the corresponding eigenvectors of A⁻¹⁵, where A⁻¹⁵ = (A⁻¹)¹⁵. (20 marks) (b) Using double integration, find the area lying inside the cardioid r = a(1+cos θ) and outside the circle r = a. (15 marks) (c) Find the equation of the sphere which touches the plane 3x+2y-z+2=0 at the point (1, -2, 1) and cuts orthogonally the sphere x²+y²+z²-4x+6y+4=0. (15 marks)

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(a) माना A = 3 & 2 & 4 2 & 0 & 2 4 & 2 & 3 एक 3×3 आव्यूह है। A का अभिलक्षणिक मान तथा संगत अभिलक्षणिक सदिश ज्ञात कीजिए। अतः A⁻¹⁵ का अभिलक्षणिक मान तथा संगत अभिलक्षणिक सदिश ज्ञात कीजिए, जहाँ A⁻¹⁵ = (A⁻¹)¹⁵ है। (20 अंक) (b) दिशा: समाकलन का प्रयोग करते हुए हृदयाक्ष (कार्डिओइड) r = a(1+cos θ) के अंदर तथा वृत्त r = a के बाह्य स्थित क्षेत्र का क्षेत्रफल ज्ञात कीजिए। (15 अंक) (c) उस गोले का समीकरण ज्ञात कीजिए, जो समतल 3x+2y-z+2=0 को बिंदु (1, -2, 1) पर स्पर्श करता है और गोले x²+y²+z²-4x+6y+4=0 को लंबिकतः काटता है। (15 अंक)

Answer approach & key points

(a) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation | (b) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation | (c) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation Full marks: Complete derivations, correct final answers, clear notation

  • Characteristic equation det(A-λI)=0
  • Solve for eigenvalues of A
  • Eigenvectors for each eigenvalue
  • Eigenvalues of A⁻¹⁵ as λ⁻¹⁵
  • Intersection points θ = ±π/3
  • Double integral setup in polar
  • Limits: θ from 0 to π/3
  • r from a to a(1+cosθ)

B

Q5
50M Compulsory solve Differential equations, vector calculus, mechanics

(a) Find the orthogonal trajectories of the family of curves r = c(sec θ + tan θ), where c is a parameter. (10 marks) (b) Solve the integral equation y(t) = cos t + ∫₀ᵗ y(x) cos(t-x)dx using Laplace transform. (10 marks) (c) At any time t (in seconds), the coterminous edges of a variable parallelepiped are represented by the vectors ᾱ = tî + (t+1)ĵ + (2t+1)k̂ β̄ = 2tî + (3t-1)ĵ + tk̂ γ̄ = î + 3tĵ + k̂ What is the rate of change of the vectorial area of the parallelogram, whose coterminous edges are ᾱ and γ̄? Also find the rate of change of the volume of the parallelepiped at t = 1 second. (10 marks) (d) A solid hemisphere rests in equilibrium on a solid sphere of equal radius. Determine the stability of the equilibrium in the two situations—(i) when the curved surface and (ii) when the flat surface of the hemisphere rests on the sphere. (10 marks) (e) (i) Let C be a plane curve r̄(t) = f(t)î + g(t)ĵ, where f and g have second-order derivatives. Show that the curvature at a point is given by κ = |f'(t)g''(t) - g'(t)f''(t)| / ([f'(t)]² + [g'(t)]²)^(3/2) What is the value of torsion τ at any point of this curve? (5 marks) (ii) Show that the principal normals at two consecutive points of a curve do not intersect unless torsion τ is zero. (5 marks)

हिंदी में पढ़ें

(a) वक्र-कुल r = c(sec θ + tan θ) के लंबकोणीय संवेधी ज्ञात कीजिए, जहाँ c एक प्राचल है। (10 अंक) (b) लाप्लास रूपांतर का प्रयोग करते हुए समाकल समीकरण y(t) = cos t + ∫₀ᵗ y(x) cos(t-x)dx को हल कीजिए। (10 अंक) (c) किसी समय t (सेकंड में) पर एक चर समांतर-षट्फलक की सहावसानी किनारे सदिशों ᾱ = tî + (t+1)ĵ + (2t+1)k̂ β̄ = 2tî + (3t-1)ĵ + tk̂ γ̄ = î + 3tĵ + k̂ द्वारा निरूपित हैं। समांतर-चतुर्भुज, जिसकी सहावसानी किनारे ᾱ और γ̄ हैं, के सदिशीय क्षेत्रफल की परिवर्तन दर क्या है? t = 1 सेकंड पर समांतर-षट्फलक के आयतन की परिवर्तन दर भी ज्ञात कीजिए। (10 अंक) (d) एक ठोस गोले के ऊपर समान त्रिज्या का एक ठोस गोलार्ध साम्यावस्था में रखा है। दो स्थितियों में—(i) जब गोलार्ध का वक्रीय पृष्ठ तथा (ii) जब गोलार्ध का समतलीय पृष्ठ गोले पर स्थित है, साम्यावस्था का स्थायित्व ज्ञात कीजिए। (10 अंक) (e) (i) माना C एक समतल वक्र r̄(t) = f(t)î + g(t)ĵ है, जहाँ f और g के द्वितीय कोटि के अवकलज हैं। दर्शाइए कि वक्र के किसी बिंदु पर वक्रता κ = |f'(t)g''(t) - g'(t)f''(t)| / ([f'(t)]² + [g'(t)]²)^(3/2) है। इस वक्र के किसी बिंदु पर ऐंठन (टॉर्शन) τ का मान क्या है? (5 अंक) (ii) दर्शाइए कि किसी वक्र के दो क्रमागत बिंदुओं पर मुख्य अभिलंब प्रतिच्छेद नहीं करते जब तक कि ऐंठन (टॉर्शन) τ शून्य न हो। (5 अंक)

Answer approach & key points

Framework: null. (a) derive: given > assumptions > stepwise derivation > result > check | (b) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation | (c) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation | (d) discuss: intro > 3-4 dimensions > example > balanced close | (e(i)) derive: given > assumptions > stepwise derivation > result > check | (e(ii)) justify: claim > 3-4 reasons > evidence > conclusion Full marks: All parts answered with complete working, correct results, and clear justifications.

  • Differentiate r = c(sec θ + tan θ) to eliminate c
  • Formulate the differential equation of the family
  • Replace dr/dθ with -r dθ/dr for orthogonal trajectories
  • Solve the resulting differential equation
  • Apply Laplace transform to both sides of the equation
  • Use the convolution theorem for the integral term
  • Solve the resulting algebraic equation for Y(s)
  • Apply inverse Laplace transform to find y(t)
Q6
50M solve Mechanics, simple harmonic motion, differential equations

(a) A regular tetrahedron, formed of six light rods, each of length l, rests on a smooth horizontal plane. A ring of weight W and radius r is supported by the slant sides. Using the principle of virtual work, find the stress in any of the horizontal sides. (15 marks) (b) A particle executes simple harmonic motion such that in two of its positions, velocities are u and v, and the two corresponding accelerations are f₁ and f₂. For what value(s) of k, the distance between the two positions is k(v² - u²)? Show also that the amplitude of the motion is 1/(f₂² - f₁²) [(u² - v²)(u²f₂² - v²f₁²)]^(1/2) (15 marks) (c) (i) Find the second solution of the differential equation xy'' + (x-1)y' - y = 0 using u(x) = -e^-x as one of the solutions. (10 marks) (ii) Find the general solution of the differential equation x²y'' - 2xy' + 2y = x³ sin x by the method of variation of parameters. (10 marks)

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(a) लंबाई l की छः हल्की छड़ों द्वारा निर्मित एक सम चतुष्फलक एक चिकने क्षैतिज समतल पर रखा है। W भार तथा r त्रिज्या का एक छल्ला तिर्यक भुजाओं द्वारा आलंबित है। कल्पित कार्य सिद्धांत का उपयोग करते हुए किसी भी एक क्षैतिज भुजा में प्रतिबल ज्ञात कीजिए। (15 अंक) (b) सरल आवर्त गति में एक कण की दो स्थितियों में वेग u और v हैं तथा दो संगत त्वरण f₁ और f₂ हैं। k के किस मान/किन मानों के लिए दोनों स्थितियों के बीच की दूरी k(v² - u²) है? यह भी दर्शाइए कि गति का आयाम 1/(f₂² - f₁²) [(u² - v²)(u²f₂² - v²f₁²)]^(1/2) है। (15 अंक) (c) (i) एक हल के रूप में u(x) = -e^-x का उपयोग करते हुए अवकल समीकरण xy'' + (x-1)y' - y = 0 का दूसरा हल ज्ञात कीजिए। (10 अंक) (ii) प्राचल-विचरण विधि का उपयोग कर अवकल समीकरण x²y'' - 2xy' + 2y = x³ sin x का व्यापक हल ज्ञात कीजिए। (10 अंक)

Answer approach & key points

(a) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation | (b) derive: given > assumptions > stepwise derivation > result > check | (c(i)) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation | (c(ii)) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation Full marks: Complete derivations with all steps, correct results, and verification.

  • Define geometry and virtual displacement
  • Apply principle of virtual work
  • Relate ring weight to rod stress
  • State final stress in terms of W, l, r
  • Use SHM equations for v and a
  • Derive distance formula with k
  • Derive amplitude formula
  • Verify consistency of results
Q7
50M solve Differential equations, dynamics, vector calculus

(a) State uniqueness theorem for the existence of unique solution of the initial value problem dy/dx = f(x, y), y(x₀) = y₀ in the rectangular region R: |x - x₀| ≤ a, |y - y₀| ≤ b. Test the existence and uniqueness of the solution of the initial value problem dy/dx = 2√y, y(1) = 0, in a suitable rectangle R. If more than one solution exist, then find all the solutions. (15 marks) (b) A heavy particle hanging vertically from a fixed point by a light inextensible string of length l starts to move with initial velocity u in a circle so as to make a complete revolution in a vertical plane. Show that the sum of tensions at the ends of any diameter is constant. (15 marks) (c) State Stokes' theorem and verify it for the vector field F⃗ = xyî + yzĵ + zxk̂ over the surface S, which is the upwardly oriented part of the cylinder z = 1 - x², for 0 ≤ x ≤ 1, -2 ≤ y ≤ 2. (20 marks)

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(a) आयतीय क्षेत्र R: |x - x₀| ≤ a, |y - y₀| ≤ b में प्रारंभिक मान समस्या dy/dx = f(x, y), y(x₀) = y₀ के अद्वितीय हल के अस्तित्व के लिए अद्वितीयता प्रमेय का कथन लिखिए। एक उपयुक्त आयत R में प्रारंभिक मान समस्या dy/dx = 2√y, y(1) = 0 के हल के अस्तित्व और अद्वितीयता का परीक्षण कीजिए। यदि एक से अधिक हल मौजूद हैं, तो सभी हलों को ज्ञात कीजिए। (15 अंक) (b) लंबाई l की एक हल्की अवितान्य डोरी द्वारा एक नियत बिंदु से उर्ध्वाधर लटका हुआ एक भारी कण प्रारंभिक वेग u के साथ एक वृत्त में घूमना शुरू करता है ताकि एक उर्ध्वाधर समतल में एक पूर्ण परिक्रमण कर सके। दर्शाइए कि किसी भी व्यास के सिरों पर तनावों का योग अचर है। (15 अंक) (c) स्टोक्स प्रमेय का कथन लिखिए तथा इसको सदिश क्षेत्र F⃗ = xyî + yzĵ + zxk̂ के लिए, पृष्ठ S पर जो कि बेलन z = 1 - x²; 0 ≤ x ≤ 1, -2 ≤ y ≤ 2 का उपरिमुखी अभिविन्यस्त भाग है, सत्यापित कीजिए। (20 अंक)

Answer approach & key points

(a) explain: definition/context > points in order > small example > short close | (b) justify: claim > 3-4 reasons > evidence > conclusion | (c) explain: definition/context > points in order > small example > short close Full marks: Rigorous derivations, all steps shown, correct final results, clear notation.

  • State Picard-Lindelöf theorem conditions
  • Check continuity of f(x,y) = 2√y
  • Check continuity of ∂f/∂y at y=0
  • Find all solutions including y=0
  • Apply Newton's second law radially
  • Use conservation of energy for velocity
  • Derive tension T(θ) as function of angle
  • Show T(θ) + T(θ+π) is constant
Q8
50M solve Laplace transform, Gauss divergence theorem, central force motion

(a) Using Laplace transform, solve the initial value problem y'' + 2y' + 5y = δ(t-2), y(0) = 0, y'(0) = 0 where δ(t-2) denotes the Dirac delta function. (15 marks) (b) Using Gauss divergence theorem, evaluate the integral ∬_S (y²î + xz³ĵ + (z-1)²k̂) · n̂ dS over the region bounded by the cylinder x² + y² = 16 and the planes z = 1 and z = 5. (15 marks) (c) A particle moves with a central acceleration μ(3/r³ + d²/r⁵) being projected from a distance d at an angle 45° with a velocity equal to that in a circle at the same distance. Prove that the time it takes to reach the centre of force is d²/√(2μ) (2 - π/2). (20 marks)

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(a) लाप्लास रूपांतर का उपयोग करके प्रारंभिक मान समस्या y'' + 2y' + 5y = δ(t-2), y(0) = 0, y'(0) = 0 को हल कीजिए, जहाँ δ(t-2) डिरैक डेल्टा फलन को दर्शाता है। (15 अंक) (b) गॉस के अपसरण प्रमेय का उपयोग करते हुए बेलन x² + y² = 16 तथा समतलों z = 1 और z = 5 द्वारा परिबद्ध क्षेत्र पर समाकल ∬_S (y²î + xz³ĵ + (z-1)²k̂) · n̂ dS का मान निकालिए। (15 अंक) (c) d दूरी से एक कण को समान दूरी पर स्थित एक वृत्त में उसके वेग के बराबर वेग से 45° के कोण पर प्रक्षेपित करने पर वह केंद्रीय त्वरण μ(3/r³ + d²/r⁵) के साथ गति करता है। सिद्ध कीजिए कि बल के केंद्र तक इसके पहुँचने का समय d²/√(2μ) (2 - π/2) है। (20 अंक)

Answer approach & key points

(a) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation | (b) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation | (c) justify: claim > 3-4 reasons > evidence > conclusion Full marks: Complete stepwise derivation with all theorems named and verified

  • Apply Laplace transform to y'' + 2y' + 5y
  • Use L{δ(t-2)} = e^(-2s) property
  • Solve algebraic equation for Y(s)
  • Perform inverse Laplace transform to find y(t)
  • State Gauss divergence theorem by name
  • Compute divergence of vector field F
  • Set up triple integral over cylindrical region
  • Evaluate integral with correct limits

Practice Mathematics 2024 Paper I answer writing

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