Equation f ( y ) d x − z x d y − x y l n y d z = 0 f(y)dx-zxdy-xylnydz=0 f ( y ) d x − z x d y − x y l n y d z = 0 is integrable, if
X ⋅ r o t X = 0 X = ( f ( y ) , − z x , − x y l n y ) X\cdot rotX=0\\
X=(f(y),-zx,-xylny) X ⋅ ro tX = 0 X = ( f ( y ) , − z x , − x y l n y )
Calculate r o t X rotX ro tX :
r o t X = ∇ × X = ∣ i ⃗ j ⃗ k ⃗ ∂ ∂ x ∂ ∂ y ∂ ∂ z f ( y ) − z x − x y l n y ∣ = = i ⃗ ( ∂ ∂ y ( − x y l n y ) − ∂ ∂ z ( − x z ) ) − − j ⃗ ( ∂ ∂ x ( − x y l n y ) − ∂ ∂ z ( f ( y ) ) ) + + k ⃗ ( ∂ ∂ x ( − z x ) − ∂ ∂ y ( f ( y ) ) ) = = ( − x l n y ) i ⃗ + ( y l n y ) j ⃗ + ( − z − f ′ ( y ) ) k ⃗ rotX=\nabla\times X=\begin{vmatrix}
\vec{i} & \vec{j}&\vec{k} \\
\frac{\partial}{\partial x} & \frac{\partial}{\partial y}& \frac{\partial}{\partial z}\\
f(y)&-zx&-xylny
\end{vmatrix}=\\
=\vec{i}( \frac{\partial}{\partial y}(-xylny)- \frac{\partial}{\partial z}(-xz))-\\
-\vec{j}( \frac{\partial}{\partial x}(-xylny)- \frac{\partial}{\partial z}(f(y)))+\\
+\vec{k}( \frac{\partial}{\partial x}(-zx)- \frac{\partial}{\partial y}(f(y)))=\\
=(-xlny)\vec{i}+(ylny)\vec{j}+(-z-f'(y))\vec{k} ro tX = ∇ × X = ∣ ∣ i ∂ x ∂ f ( y ) j ∂ y ∂ − z x k ∂ z ∂ − x y l n y ∣ ∣ = = i ( ∂ y ∂ ( − x y l n y ) − ∂ z ∂ ( − x z )) − − j ( ∂ x ∂ ( − x y l n y ) − ∂ z ∂ ( f ( y ))) + + k ( ∂ x ∂ ( − z x ) − ∂ y ∂ ( f ( y ))) = = ( − x l n y ) i + ( y l n y ) j + ( − z − f ′ ( y )) k
Then
X ⋅ r o t X = − x l n y ⋅ f ( y ) + x y l n y f ′ ( y ) = 0 X\cdot rotX=-xlny\cdot f(y)+xylnyf'(y)=0 X ⋅ ro tX = − x l n y ⋅ f ( y ) + x y l n y f ′ ( y ) = 0
Thus x l n y ⋅ ( y f ′ ( y ) − f ( y ) ) = 0 xlny\cdot(yf'(y)-f(y))=0 x l n y ⋅ ( y f ′ ( y ) − f ( y )) = 0 , hence y f ′ ( y ) − f ( y ) = 0 yf'(y)-f(y)=0 y f ′ ( y ) − f ( y ) = 0
The solution of the last equation is determined by
d f f = d y y l n ∣ f ( y ) ∣ = l n ∣ y ∣ + l n ∣ A ∣ f ( y ) = A ⋅ y \frac{df}{f}=\frac{dy}{y}\\
ln|f(y)|=ln|y|+ln|A|\\
f(y)=A\cdot y f df = y d y l n ∣ f ( y ) ∣ = l n ∣ y ∣ + l n ∣ A ∣ f ( y ) = A ⋅ y
where A A A is a real constant. Finally, equation takes the form
A y d x − z x d y − x y l n y d z = 0 Aydx-zxdy-xylnydz=0 A y d x − z x d y − x y l n y d z = 0
Using Natani’s method we firstly put z = c o n s t z=const z = co n s t and solve the obtained equation
A y d x = z x d y a d x x = z d y y A l n x = z l n y + F ( z ) Aydx=zxdy\\
a\frac{dx}{x}=z\frac{dy}{y}\\
Alnx=zlny+F(z) A y d x = z x d y a x d x = z y d y A l n x = z l n y + F ( z )
Now we let x = 1 x=1 x = 1 . Then equation takes the form
− z d y − y l n y d z = 0 -zdy-ylnydz=0 − z d y − y l n y d z = 0
and
F ( z ) = − z l n y F(z)=-zlny F ( z ) = − z l n y
Thus
z d y + y l n y d z = 0 d y y l n y + d z z = 0 l n ∣ l n y ∣ = − l n ∣ z ∣ + l n ∣ C ∣ l n y = C z zdy+ylnydz=0\\
\frac{dy}{ylny}+\frac{dz}{z}=0\\
ln|lny|=-ln|z|+ln|C|\\
lny=\frac{C}{z} z d y + y l n y d z = 0 y l n y d y + z d z = 0 l n ∣ l n y ∣ = − l n ∣ z ∣ + l n ∣ C ∣ l n y = z C
Therefore,
F ( z ) = − z l n y = − z ⋅ C z = − C = K = c o n s t F(z)=-zlny=-z\cdot\frac{C}{z}=-C=K=const F ( z ) = − z l n y = − z ⋅ z C = − C = K = co n s t
Finally,
A l n x = z l n y + K Alnx=zlny+K A l n x = z l n y + K
where K K K is an arbitrary real constant.
Comments