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UPSC Mathematics 2025 — Paper II

All 8 questions from UPSC Civil Services Mains Mathematics 2025 Paper II (400 marks total). Every stem reproduced in full, with directive-word analysis, marks, word limits, and answer-approach pointers.

8Questions
400Total marks
2025Year
Paper IIPaper

Topics covered

Group theory, sequences, complex analysis, linear programming (1)Real analysis, ring theory, complex integration (1)Complex analysis, optimization and linear programming (1)Abstract algebra, real analysis and transportation problem (1)Partial differential equations, numerical methods, Boolean algebra, Lagrangian mechanics, fluid dynamics (1)Laplace equation, Boolean algebra simplification, moment of inertia (1)PDE, numerical analysis and fluid mechanics (1)PDE, numerical integration and classical mechanics (1)

A

Q1
50M Compulsory prove Group theory, sequences, complex analysis, linear programming

(a) Let H and K be two subgroups of a group G such that o(H) > √o(G) and o(K) > √o(G). Show that H ∩ K ≠ {e}, where e is the identity element. Here o(H), o(K) and o(G) denote the order of H, K and G respectively. (10 marks) (b) Let G = {e, x, x², y, yx, yx²} be a non-Abelian group with o(x) = 3 and o(y) = 2. Show that xy = yx² (where e is the identity element of G and o(x), o(y) denote the order of the elements x, y respectively). (10 marks) (c) Examine whether the series Σₙ₌₁^∞ (-1)ⁿ⁻¹/n is absolutely or conditionally convergent. (10 marks) (d) Expand f(z) = 1/(z+1)(z+3) in a Laurent series valid for 1 < |z| < 3. (10 marks) (e) How many basic solutions are there for the following system of equations? 2x₁ - x₂ + 3x₃ + x₄ = 6 4x₁ - 2x₂ - x₃ + 2x₄ = 10 Find all of them. Furthermore, find the number of basic solutions, which are feasible/non-feasible/non-degenerate. (10 marks)

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(a) माना एक समूह G के दो उपसमूह H और K इस प्रकार हैं कि o(H) > √o(G) और o(K) > √o(G) है। दर्शाइए कि H ∩ K ≠ {e} है, जहाँ e तत्समक अवयव है। यहाँ o(H), o(K) और o(G) क्रमशः: H, K और G की कोटि को दर्शाते हैं। (10 अंक) (b) माना G = {e, x, x², y, yx, yx²} एक अन-आबेली समूह है तथा o(x) = 3 और o(y) = 2 है। दर्शाइए कि xy = yx² है (जहाँ e, समूह G का तत्समक अवयव है और o(x), o(y) क्रमशः: अवयवों x, y की कोटि को दर्शाते हैं)। (10 अंक) (c) श्रेणी Σₙ₌₁^∞ (-1)ⁿ⁻¹/n के निरपेक्षतः या सापेक्ष अभिसारी होने की जाँच कीजिए। (10 अंक) (d) 1 < |z| < 3 के लिए f(z) = 1/(z+1)(z+3) का एक लॉरेंट श्रेणी में प्रसार कीजिए। (10 अंक) (e) समीकरण निकाय 2x₁ - x₂ + 3x₃ + x₄ = 6 4x₁ - 2x₂ - x₃ + 2x₄ = 10 के कितने आधारी हल हैं? उन सभी को ज्ञात कीजिए। उन आधारी हलों की संख्या भी ज्ञात कीजिए जो सुसंगत/असुसंगत/अनपघट्ट है। (10 अंक)

Answer approach & key points

(a) justify: claim > 3-4 reasons > evidence > conclusion | (b) justify: claim > 3-4 reasons > evidence > conclusion | (c) examine: intro > how/why with reasoning > evidence > conclusion | (d) derive: given > assumptions > stepwise derivation > result > check | (e) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation Full marks: Rigorous proofs with all steps justified; correct classification of all solutions.

  • State Lagrange's theorem for subgroups of G
  • Use the given inequalities o(H) > √o(G) and o(K) > √o(G)
  • Apply the formula o(H)·o(K) = o(H∩K)·o(HK)
  • Conclude o(H∩K) > 1 implies H∩K ≠ {e}
  • List the six elements of G explicitly
  • Use o(x)=3 and o(y)=2 to constrain powers
  • Show xy is not in {e, x, x², y, yx}
  • Conclude xy must equal yx² by elimination
Q2
50M prove Real analysis, ring theory, complex integration

(a) Define Cauchy sequence and prove that every convergent sequence of real numbers is a Cauchy sequence. What is the importance of Cauchy condition? (15 marks) (b) Show that 3 is an irreducible element in the integral domain Z[i]. (15 marks) (c) Use the method of contour integration to prove that ∫₋∞^∞ (x² - x + 2)/(x⁴ + 10x² + 9) dx = 5π/12. (20 marks)

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(a) कोशी अनुक्रम की परिभाषा दीजिए और सिद्ध कीजिए कि वास्तविक संख्याओं का प्रत्येक अभिसारी अनुक्रम एक कोशी अनुक्रम है। कोशी की शर्त का क्या महत्व है? (15 अंक) (b) दर्शाइए कि पूर्णांकीय प्रांत Z[i] में 3 एक अविभाज्य अवयव है। (15 अंक) (c) कंटूर समाकलन की विधि से सिद्ध कीजिए कि ∫₋∞^∞ (x² - x + 2)/(x⁴ + 10x² + 9) dx = 5π/12 है। (20 अंक)

Answer approach & key points

(a) define: precise definition > the distinguishing feature > one example | (b) justify: claim > 3-4 reasons > evidence > conclusion | (c) derive: given > assumptions > stepwise derivation > result > check Full marks: Complete, rigorous, and well-justified answers with all steps and theorems clearly stated.

  • Precise definition using epsilon and N
  • Proof that convergent sequence is Cauchy
  • Explanation of Cauchy condition importance
  • Justification of every step in proof
  • Definition of irreducible element
  • Proof that 3 cannot be factored in Z[i]
  • Use of norm function N(a+bi) = a^2 + b^2
  • Selection of appropriate contour
Q3
50M solve Complex analysis, optimization and linear programming

(a) Evaluate the integral ∮_C e^z/(z²(z+1)³) dz, C : |z| = 2. (15 marks) (b) Show that the volume of the greatest rectangular parallelopiped that can be inscribed in the ellipsoid (x²/a²) + (y²/b²) + (z²/c²) = 1 is 8abc/(3√3). (20 marks) (c) Apply the principle of duality to solve the following linear programming problem : Maximize Z = 3x₁ + 4x₂ subject to the constraints x₁ - x₂ ≤ 1 x₁ + x₂ ≥ 4 x₁ - 3x₂ ≤ 3 x₁, x₂ ≥ 0 (15 marks)

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(a) समाकल ∮_C e^z/(z²(z+1)³) dz, C : |z| = 2 का मान ज्ञात कीजिए। (15 अंक) (b) सिद्ध कीजिए कि दीर्घवृत्ताख (x²/a²) + (y²/b²) + (z²/c²) = 1 के अंतर्गत सबसे बड़े समकोणिक समांतरपृष्ठक का आयतन 8abc/(3√3) है। (20 अंक) (c) द्वैतता (ड्युअलिटी) के सिद्धांत का उपयोग कर निम्न रैखिक प्रोग्रामन समस्या को हल कीजिए : अधिकतमीकरण कीजिए Z = 3x₁ + 4x₂ बशर्ते कि x₁ - x₂ ≤ 1 x₁ + x₂ ≥ 4 x₁ - 3x₂ ≤ 3 x₁, x₂ ≥ 0 (15 अंक)

Answer approach & key points

(a) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation | (b) justify: claim > 3-4 reasons > evidence > conclusion | (c) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation Full marks: Flawless application of theorems with complete working and verification.

  • Identify singularities z=0 and z=-1 inside C
  • Apply Cauchy's Integral Formula or Residue Theorem
  • Compute residue at z=0 (pole of order 2)
  • Compute residue at z=-1 (pole of order 3)
  • Formulate volume function V = 8xyz
  • Apply Lagrange multipliers for constraint
  • Solve system to find x=a/√3, y=b/√3, z=c/√3
  • Substitute to derive final volume 8abc/(3√3)
Q4
50M prove Abstract algebra, real analysis and transportation problem

(a) Examine whether the mapping φ: Z[x] → Z defined by φ(f(x)) = f(0), for f(x) ∈ Z[x], is a homomorphism. Deduce that the ideal ⟨x⟩ is a prime ideal in Z[x], but not a maximal ideal in Z[x]. (15 marks) (b) Prove that every continuous function is Riemann integrable. (15 marks) (c) The following table shows all the necessary information on the available supply to each warehouse, the requirement of each market and the unit transportation cost from each warehouse to each market : Market I II III IV Supply A 5 2 4 3 22 Warehouse B 4 8 1 6 15 C 4 6 7 5 8 Requirement 7 12 17 9 The shipping clerk has worked out the following schedule from experience : 12 units from A to II, 1 unit from A to III, 9 units from A to IV, 15 units from B to III, 7 units from C to I and 1 unit from C to III Find the optimal schedule and minimum total shipping cost. (20 marks)

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(a) जाँचिए कि क्या f(x) ∈ Z[x] के लिए φ(f(x)) = f(0) द्वारा परिभाषित प्रतिचित्रण φ: Z[x] → Z एक समाकारिता है। निगमन कीजिए कि गुणजावली ⟨x⟩, Z[x] में एक अभाज्य गुणजावली है, किन्तु Z[x] में एक उच्चिष्ठ गुणजावली नहीं है। (15 अंक) (b) सिद्ध कीजिए कि प्रत्येक सतत फलन रीमान समाकलनीय है। (15 अंक) (c) निम्न सारणी में प्रत्येक गोदाम में उपलब्ध सप्लाई, प्रत्येक बाजार की आवश्यकता और प्रत्येक गोदाम से प्रत्येक बाजार की इकाई परिवहन लागत की सभी आवश्यक जानकारी दी गई है : बाजार I II III IV सप्लाई A 5 2 4 3 22 गोदाम B 4 8 1 6 15 C 4 6 7 5 8 आवश्यकता 7 12 17 9 अनुभव के आधार पर शिपिंग क्लर्क ने निम्न अनुसूची (शेड्यूल) तैयार की है : A से II पर 12 इकाई, A से III पर 1 इकाई, A से IV पर 9 इकाई, B से III पर 15 इकाई, C से I पर 7 इकाई और C से III पर 1 इकाई इष्टतम अनुसूची और निम्नतम कुल परिवहन लागत ज्ञात कीजिए। (20 अंक)

Answer approach & key points

(a) examine: intro > how/why with reasoning > evidence > conclusion | (b) justify: claim > 3-4 reasons > evidence > conclusion | (c) calculate: given > formula > substitution > result with units > interpretation Full marks: Rigorous proofs with all steps; correct optimal schedule and cost.

  • Verify φ(f+g) = φ(f) + φ(g) and φ(fg) = φ(f)φ(g)
  • Identify kernel of φ as the ideal <x>
  • Prove Z[x]/<x> ≅ Z to establish <x> is prime
  • Show Z[x]/<x> is not a field to prove <x> not maximal
  • State uniform continuity of f on [a, b]
  • Construct partition P with mesh size δ
  • Show oscillation ω_i < ε for all subintervals
  • Demonstrate U(P, f) - L(P, f) < ε

B

Q5
50M Compulsory solve Partial differential equations, numerical methods, Boolean algebra, Lagrangian mechanics, fluid dynamics

(a) Find the solution of the equation (D² + DD' - 2D'²)z = ysin x, where D ≡ (∂)/(∂ x) and D' ≡ (∂)/(∂ y). (10 marks) (b) Solve the following system of linear equations by Gauss-Seidel method : 10x + 2y + z= 9 2x + 20y - 2z= -44 -2x + 3y + 10z= 22 (10 marks) (c) (i) Convert the number (3479)₁₀ into binary system and the number (7AE · 9F)₁₆ into decimal system. (ii) Determine the truth table for the Boolean function F(x, y, z) = (x + y + z')(x' + y') Also derive the full disjunctive normal form of F(x, y, z) from the truth table. (10 marks) (d) A bead of mass m slides on a frictionless wire in the shape of a cycloid given by x = a(θ - sinθ), y = a(1 + cosθ), (0 ≤ θ ≤ 2π). Find the Lagrangian function. Hence show that the equation of motion can be written as (d^2u)/(dt²) + g/4au = 0 where u = cos((θ)/2). (4+6=10 marks) (e) A source and a sink of equal strength are placed at points (pma/2, 0) within a fixed circular boundary x² + y² = a². Show that the streamlines are given by (r² - (a²)/4)(r² - 4a²) - 4a^2y² = ky(r² - a²) where k is a constant and r² = x² + y². (10 marks)

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(a) समीकरण (D² + DD' - 2D'²)z = ysin x, जहाँ D ≡ (∂)/(∂ x) और D' ≡ (∂)/(∂ y) है, का हल ज्ञात कीजिए। (10 अंक) (b) निम्न रैखिक समीकरण निकाय को गाउस-सीडल विधि से हल कीजिए : 10x + 2y + z= 9 2x + 20y - 2z= -44 -2x + 3y + 10z= 22 (10 अंक) (c) (i) संख्या (3479)₁₀ को द्वि-आधारी पद्धति और संख्या (7AE · 9F)₁₆ को दशमलव पद्धति में बदलिए। (ii) बूलियन फलन F(x, y, z) = (x + y + z')(x' + y') के लिए सत्यमान सारणी ज्ञात कीजिए। सत्यमान सारणी से F(x, y, z) का पूर्ण वियोजनीय प्रसामान्य रूप भी प्राप्त कीजिए। (10 अंक) (d) x = a(θ - sinθ), y = a(1 + cosθ), (0 ≤ θ ≤ 2π) द्वारा दिए गए एक चक्रज के रूप में एक घर्षणहीन तार पर m द्रव्यमान का एक मनका फिसलता है। लैग्रांजी फलन ज्ञात कीजिए। अतः दर्शाइए कि गति का समीकरण (d^2u)/(dt²) + g/4au = 0 के रूप में लिखा जा सकता है, जहाँ u = cos((θ)/2) है। (4+6=10 अंक) (e) बराबर सामर्थ्य के एक स्रोत और एक अभिगम एक निश्चित वृत्तीय सीमा x² + y² = a² के अंतर्गत बिंदुओं (pma/2, 0) पर रखे हैं। दर्शाइए कि धारारेखाएँ (r² - (a²)/4)(r² - 4a²) - 4a^2y² = ky(r² - a²) द्वारा दी जाती हैं, जहाँ k एक अचर है और r² = x² + y² है। (10 अंक)

Answer approach & key points

Framework: Standard Mathematical Problem-Solving (Derivation & Calculation). (a) calculate: Given > Assumptions > Stepwise derivation > Result and check | (b) calculate: Given > Formula > Substitution > Result | (c) calculate: Given > Formula > Substitution > Result | (d) explain: Definition/context > Points in order > Small example > Short close | (e) explain: Definition/context > Points in order > Small example > Short close Full marks: Complete derivations with all steps, correct final results, and clear notation.

  • Factorization of PDE operator
  • Gauss-Seidel iteration steps
  • Base conversion algorithms
  • Boolean truth table and DNF
  • Lagrangian mechanics derivation
  • Complex potential and image system
Q6
50M solve Laplace equation, Boolean algebra simplification, moment of inertia

(a) Solve (∂² u)/(∂ x²) + (∂² u)/(∂ y²) = 0 for a rectangular plate subject to the boundary conditions u(0,y) = 0, u(a,y) = 0 u(x,0) = 0, u(x,b) = f(x) (20 marks) (b) Simplify the Boolean function F(x,y,z) = xyz + x'yz + xy'z + xyz' and draw the corresponding GATE network. (15 marks) (c) Calculate the moment of inertia of a uniform solid cylinder of mass M, radius R and length L with respect to a set of axes passing through the centre of the cylinder, where z-axis is the axis of the cylinder and ρ is the constant density at any point of the cylinder. Also find L/R for which the moment of inertia about x- or y-axis will be minimum for a given mass of the cylinder. (15 marks)

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(a) एक आयताकार प्लेट के लिए (∂² u)/(∂ x²) + (∂² u)/(∂ y²) = 0 को परिसीमा प्रतिबंधों u(0,y) = 0, u(a,y) = 0 u(x,0) = 0, u(x,b) = f(x) के अधीन हल कीजिए। (20 अंक) (b) बूलिय फलन F(x,y,z) = xyz + x'yz + xy'z + xyz' का सरलीकरण कीजिए और संगत GATE परिपथ को रेखांकित कीजिए। (15 अंक) (c) द्रव्यमान M, त्रिज्या R और लंबाई L के एक एकसमान ठोस बेलन का, बेलन के केंद्र से होकर जाने वाले अक्षों के एक समुच्चय के सापेक्ष जड़त्व आघूर्ण की गणना कीजिए, जहाँ z-अक्ष, बेलन का अक्ष है और ρ, बेलन के किसी भी बिंदु पर अचर घनत्व है। बेलन के एक दिए गए द्रव्यमान के लिए L/R, जिसके लिए x- या y-अक्ष के सापेक्ष जड़त्व आघूर्ण न्यूनतम होगा, भी ज्ञात कीजिए। (15 अंक)

Answer approach & key points

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

  • State separation of variables method
  • Solve X''/X = -Y''/Y = -λ²
  • Apply u(0,y)=0 and u(a,y)=0 to find λ
  • Expand f(x) in Fourier sine series
  • Apply Boolean algebra laws to simplify F
  • Identify redundant terms
  • Draw gate network for simplified F
  • Label inputs and output clearly
Q7
50M solve PDE, numerical analysis and fluid mechanics

(a) Find the complete integral of z(p²-q²) = x-y; p≡∂z/∂x, q≡∂z/∂y. (15 marks) (b) Find the unique polynomial of degree 2 or less which fits the following data: x : 0 1 3 f(x) : 1 3 55 Also obtain the bound on the truncation error. (15 marks) (c) Show that for an incompressible steady flow with constant viscosity, the velocity components u(y) = (U/h)y - (hy/2μ)(dp/dx)(1-y/h) v = 0 = w, with p = p(x), satisfy the equation of motion in the absence of body force. Given that U, h and dp/dx are constants. (20 marks)

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(a) z(p²-q²) = x-y; p≡∂z/∂x, q≡∂z/∂y का पूर्ण समाकल प्राप्त कीजिए। (15 अंक) (b) घात 2 या 2 से कम का वह अद्वितीय बहुपद, जो आँकड़ों x : 0 1 3 f(x) : 1 3 55 पर ठीक बैठता है, प्राप्त कीजिए। क्षण त्रुटि पर परिबंध भी प्राप्त कीजिए। (15 अंक) (c) दर्शाइए कि अचर विस्कांशता के एक असंपीड्य अपरिवर्ती प्रवाह के लिए वेग घटक u(y) = (U/h)y - (hy/2μ)(dp/dx)(1-y/h) v = 0 = w, p = p(x) के साथ, पिण्ड बल की अनुपस्थिति में गति के समीकरण को संतुष्ट करते हैं। यह दिया गया है कि U, h और dp/dx अचर हैं। (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 assumptions stated and results verified.

  • Identify PDE as Charpit's type (f(x,y,z,p,q)=0)
  • Formulate Charpit's auxiliary equations
  • Derive the first integral (relation between p and q)
  • Integrate dz = p dx + q dy to find z
  • Constructs the Newton's divided difference table
  • Derives the quadratic polynomial P₂(x)
  • States the formula for the truncation error bound
  • Calculates the numerical bound using the third divided difference
Q8
50M solve PDE, numerical integration and classical mechanics

(a) Find the characteristics of the partial differential equation p² + q² = 2; p ≡ ∂z/∂x, q ≡ ∂z/∂y and determine the integral surface which passes through x = 0, z = y. (15 marks) (b) Find the constant p and error term for the quadrature formula ∫ₓ₀^x₁ f(x)dx = (h/2)(f₀ + f₁) + ph²(f'₀ - f'₁) where x₀ + h = x₁, f₀ = f(x₀), f₁ = f(x₁) and prime (') represents derivative with respect to x. Hence deduce the composite rule for integrating ∫ₐ^b f(x)dx, a = x₀ < x₁ < ... < x_N = b (15 marks) (c) (i) A particle of mass m moves in a force field of potential V(r) = -k cosθ/r², k is constant Find the Hamiltonian and the Hamilton's equations in spherical polar coordinates (r, θ, φ). (10 marks) (ii) Consider the Lagrangian L = mẋẏ - mω₀²xy where m and ω₀ are constants. Find the Hamiltonian and Hamilton's equations of motion. Identify the system. (10 marks)

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(a) आंशिक अवकल समीकरण p² + q² = 2; p ≡ ∂z/∂x, q ≡ ∂z/∂y के अभिलक्षण (कैरेक्टरिस्टिक्स) ज्ञात कीजिए और x = 0, z = y से होकर जाने वाला समाकल पृष्ठ (सरफेस) प्राप्त कीजिए। (15 अंक) (b) क्षेत्रकलन-सूत्र ∫ₓ₀^x₁ f(x)dx = (h/2)(f₀ + f₁) + ph²(f'₀ - f'₁) जहाँ x₀ + h = x₁, f₀ = f(x₀), f₁ = f(x₁) है और प्राइम ('), x के सापेक्ष अवकलज को निर्दिष्ट करता है, के लिए अचर p और त्रुटि-पद ज्ञात कीजिए। अतः समाकलन ∫ₐ^b f(x)dx, a = x₀ < x₁ < ... < x_N = b का मान ज्ञात करने के लिए संयुक्त नियम का निगमन कीजिए। (15 अंक) (c) (i) विभव V(r) = -k cosθ/r², k अचर है के एक बल क्षेत्र में द्रव्यमान m का एक कण गतिमान है। गोलीय ध्रुवीय निर्देशांकों (r, θ, φ) में हैमिल्टोनियन और हैमिल्टन का समीकरण ज्ञात कीजिए। (10 अंक) (ii) लैग्रांजी L = mẋẏ - mω₀²xy, जहाँ m और ω₀ अचर हैं, का विचार कीजिए। हैमिल्टोनियन और गति का हैमिल्टन समीकरण ज्ञात कीजिए। तंत्र (सिस्टम) की पहचान बताइए। (10 अंक)

Answer approach & key points

(a) derive: given > assumptions > stepwise derivation > result > check | (b) derive: given > assumptions > stepwise derivation > result > check | (c(i)) derive: given > assumptions > stepwise derivation > result > check | (c(ii)) derive: given > assumptions > stepwise derivation > result > check Full marks: Rigorous derivation with all intermediate steps, correct identification of constants, and clear physical interpretation.

  • State Charpit's auxiliary equations for F = p² + q² - 2
  • Derive the characteristic curves (dx/dp = dy/dq = dz/(2p+2q))
  • Integrate to find the general solution involving an arbitrary function
  • Apply boundary condition x=0, z=y to determine the specific surface
  • Expand f(x) in Taylor series about x₀ to determine p
  • Calculate the error term (remainder) of the quadrature formula
  • Sum the formula over N sub-intervals to form the composite rule
  • State the final composite rule with the error term

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