Verify the Pfaffian Differential equation
( y 2 + y z + z 2 ) d x + ( z 2 + z x + x 2 ) d y + ( x 2 + x y + y 2 ) d z = 0 (y^2+yz+z^2)dx+(z^2+zx+x^2)dy+(x^2 +xy+y^2)dz=0 ( y 2 + yz + z 2 ) d x + ( z 2 + z x + x 2 ) d y + ( x 2 + x y + y 2 ) d z = 0
is integrable and find its primitive.
The necessary and sufficient condition for iintegrability is
X ⋅ c u r l X = 0 , X\cdot curlX=0, X ⋅ c u r lX = 0 , X = ( y 2 + y z + z 2 , z 2 + z x + x 2 , x 2 + x y + y 2 ) X=(y^2+yz+z^2,z^2+zx+x^2,x^2 +xy+y^2) X = ( y 2 + yz + z 2 , z 2 + z x + x 2 , x 2 + x y + y 2 )
So that
∇ × X = ∣ i j k ∂ ∂ x ∂ ∂ y ∂ ∂ z y 2 + y z + z 2 z 2 + z x + x 2 x 2 + x y + y 2 ∣ \nabla \times X=\begin{vmatrix}
\mathbf i & \mathbf j & \mathbf k \\
{\partial \over \partial x} & {\partial \over \partial y} & {\partial \over \partial z} \\
y^2+yz+z^2 & z^2+zx+x^2 & x^2 +xy+y^2
\end{vmatrix} ∇ × X = ∣ ∣ i ∂ x ∂ y 2 + yz + z 2 j ∂ y ∂ z 2 + z x + x 2 k ∂ z ∂ x 2 + x y + y 2 ∣ ∣
= i ( x + 2 y − 2 z − x ) − j ( 2 x + y − y − 2 z ) + =\mathbf i(x+2y-2z-x)- \mathbf j(2x+y-y-2z)+ = i ( x + 2 y − 2 z − x ) − j ( 2 x + y − y − 2 z ) + + k ( z + 2 x − 2 y − z ) +\mathbf k(z+2x-2y-z) + k ( z + 2 x − 2 y − z ) = 2 ( y − z ) i + 2 ( z − x ) j + 2 ( x − y ) k =2(y-z)\mathbf i+2(z-x) \mathbf j+2(x-y) \mathbf k = 2 ( y − z ) i + 2 ( z − x ) j + 2 ( x − y ) k
X ⋅ c u r l X = 2 ( y 2 + y z + z 2 ) ( y − z ) + X\cdot curlX=2(y^2+yz+z^2)(y-z)+ X ⋅ c u r lX = 2 ( y 2 + yz + z 2 ) ( y − z ) + + 2 ( z 2 + z x + x 2 ) ( z − x ) + 2 ( x 2 + x y + y 2 ) ( x − y ) = +2(z^2+zx+x^2)(z-x)+2(x^2 +xy+y^2)(x-y)= + 2 ( z 2 + z x + x 2 ) ( z − x ) + 2 ( x 2 + x y + y 2 ) ( x − y ) = = 2 ( y 3 − y 2 z + y 2 z − y z 2 + y z 2 − z 3 ) + =2(y^3-y^2z+y^2z-yz^2+yz^2-z^3)+ = 2 ( y 3 − y 2 z + y 2 z − y z 2 + y z 2 − z 3 ) + + 2 ( z 3 − x z 2 + x z 2 − x 2 z + x 2 z − x 3 ) + +2(z^3-xz^2+xz^2-x^2z+x^2z-x^3)+ + 2 ( z 3 − x z 2 + x z 2 − x 2 z + x 2 z − x 3 ) + = 2 ( x 3 − x 2 y + x 2 y − x y 2 + x y 2 − y 3 ) = 0 =2(x^3-x^2y+x^2y-xy^2+xy^2-y^3)=0 = 2 ( x 3 − x 2 y + x 2 y − x y 2 + x y 2 − y 3 ) = 0 Thus the given equation is integrable.
P = y 2 + y z + z 2 , P=y^2+yz+z^2, P = y 2 + yz + z 2 , Q = z 2 + z x + x 2 , Q=z^2+zx+x^2, Q = z 2 + z x + x 2 , R = x 2 + x y + y 2 . R=x^2 +xy+y^2. R = x 2 + x y + y 2 . The auxiliary equations are
d x ∂ Q ∂ z − ∂ R ∂ y = d y ∂ R ∂ x − ∂ P ∂ z = d z ∂ P ∂ y − ∂ Q ∂ x {dx \over {\partial Q\over \partial z}-{\partial R \over \partial y}}={dy \over {\partial R\over \partial x}-{\partial P \over \partial z}}={dz \over {\partial P\over \partial y}-{\partial Q \over \partial x}} ∂ z ∂ Q − ∂ y ∂ R d x = ∂ x ∂ R − ∂ z ∂ P d y = ∂ y ∂ P − ∂ x ∂ Q d z
d x 2 ( z − y ) = d y 2 ( x − z ) = d z 2 ( y − x ) {dx \over 2(z-y)}={dy \over 2(x-z)}={dz \over 2(y-x)} 2 ( z − y ) d x = 2 ( x − z ) d y = 2 ( y − x ) d z
d x z − y = d y x − z = d z y − x {dx \over z-y}={dy \over x-z}={dz \over y-x} z − y d x = x − z d y = y − x d z
d x + d y + d z = 0 = > x + y + z = c 1 = u dx+dy+dz=0=>x+y+z=c_1=u d x + d y + d z = 0 => x + y + z = c 1 = u
( y + z ) d x + ( x + z ) d y + ( x + y ) d z = 0 = > x y + y z + z x = c 2 = v (y+z)dx+(x+z)dy+(x+y)dz=0=>xy+yz+zx=c_2=v ( y + z ) d x + ( x + z ) d y + ( x + y ) d z = 0 => x y + yz + z x = c 2 = v Formulate the equation A d u + B d v = 0 Adu+Bdv=0 A d u + B d v = 0 and compare with the given equation.
A d x + A d y + A d z + B x d y + B y d x + B z d y + B y d z + B z d x + B x d z = 0 Adx+Ady+Adz+Bxdy+Bydx+Bzdy+Bydz+Bzdx+Bxdz=0 A d x + A d y + A d z + B x d y + B y d x + B z d y + B y d z + B z d x + B x d z = 0
A + B y + B z = y 2 + y z + z 2 A+By+Bz=y^2+yz+z^2 A + B y + B z = y 2 + yz + z 2 A + B x + B z = z 2 + x z + x 2 A+Bx+Bz=z^2+xz+x^2 A + B x + B z = z 2 + x z + x 2 A + B y + B x = x 2 + x y + y 2 A+By+Bx=x^2+xy+y^2 A + B y + B x = x 2 + x y + y 2
B = x + y + z B=x+y+z B = x + y + z A = − x y − y z − x z A=-xy-yz-xz A = − x y − yz − x z Then
A = − v A=-v A = − v B = u B=u B = u
A d u + B d v = 0 Adu+Bdv=0 A d u + B d v = 0 − v d u + u d v = 0 -vdu+udv=0 − v d u + u d v = 0
d v v = d u u {dv \over v}={du \over u} v d v = u d u
ln v = ln u + ln c \ln v=\ln u+\ln c ln v = ln u + ln c v = c u v=cu v = c u The required solution is
x y + y z + z x = c ( x + y + z ) xy+yz+zx=c(x+y+z) x y + yz + z x = c ( x + y + z )
Comments