4. If M is a $3 \times 3$ matrix, where $\mathrm { M } ^ { \mathrm { T } } \mathrm { M } = \mathrm { I }$ and $\operatorname { det } ( \mathrm { M } ) = 1$, then prove that $\operatorname { det } ( \mathrm { M } - \mathrm { I } ) = 0$.
Sol. $\quad ( \mathrm { M } - \mathrm { I } ) ^ { \mathrm { T } } = \mathrm { M } ^ { \mathrm { T } } - \mathrm { I } = \mathrm { M } ^ { \mathrm { T } } - \mathrm { M } ^ { \mathrm { T } } \mathrm { M } = \mathrm { M } ^ { \mathrm { T } } ( \mathrm { I } - \mathrm { M } )$
$$\Rightarrow \left| ( \mathrm { M } - \mathrm { I } ) ^ { \mathrm { T } } \right| = | \mathrm { M } - \mathrm { I } | = \left| \mathrm { M } ^ { \mathrm { T } } \right| | \mathrm { I } - \mathrm { M } | = | \mathrm { I } - \mathrm { M } | \Rightarrow | \mathrm { M } - \mathrm { I } | = 0 .$$
Alternate: $\operatorname { det } ( \mathrm { M } - \mathrm { I } ) = \operatorname { det } ( \mathrm { M } - \mathrm { I } ) \operatorname { det } \left( \mathrm { M } ^ { \mathrm { T } } \right) = \operatorname { det } \left( \mathrm { MM } ^ { \mathrm { T } } - \mathrm { M } ^ { \mathrm { T } } \right)$
$$= \operatorname { det } \left( \mathrm { I } - \mathrm { M } ^ { \mathrm { T } } \right) = - \operatorname { det } \left( \mathrm { M } ^ { \mathrm { T } } - \mathrm { I } \right) = - \operatorname { det } ( \mathrm { M } - \mathrm { I } ) ^ { \mathrm { T } } = - \operatorname { det } ( \mathrm { M } - \mathrm { I } ) \Rightarrow \operatorname { det } ( \mathrm { M } - \mathrm { I } ) = 0 \text {. }$$
- If $\mathrm { y } ( \mathrm { x } ) = \int _ { \pi ^ { 2 } / 16 } ^ { \mathrm { x } ^ { 2 } } \frac { \cos \mathrm { x } \cdot \cos \sqrt { \theta } } { 1 + \sin ^ { 2 } \sqrt { \theta } } \mathrm {~d} \theta$ then find $\frac { \mathrm { dy } } { \mathrm { dx } }$ at $\mathrm { x } = \pi$.
Sol. $\mathrm { y } = \int _ { \pi ^ { 2 } / 16 } ^ { \mathrm { x } ^ { 2 } } \frac { \cos \mathrm { x } \cdot \cos \sqrt { \theta } } { 1 + \sin ^ { 2 } \sqrt { \theta } } \mathrm {~d} \theta = \cos \mathrm { x } \int _ { \pi ^ { 2 } / 16 } ^ { \mathrm { x } ^ { 2 } } \frac { \cos \sqrt { \theta } } { 1 + \sin ^ { 2 } \sqrt { \theta } } \mathrm {~d} \theta$ so that $\frac { d y } { d x } = - \sin x \int _ { \pi ^ { 2 } / 16 } ^ { x ^ { 2 } } \frac { \cos \sqrt { \theta } } { 1 + \sin ^ { 2 } \sqrt { \theta } } d \theta + \frac { 2 x \cos x \cdot \cos x } { 1 + \sin ^ { 2 } x }$ Hence, at $\mathrm { x } = \pi , \frac { \mathrm { dy } } { \mathrm { dx } } = 0 + \frac { 2 \pi ( - 1 ) ( - 1 ) } { 1 + 0 } = 2 \pi$.