This is a Pfaffian differential equation in three variables and we must verify its integrabilty and determine its primitive. ( 1 + y z ) d x + ( x z − x 2 ) d y − ( 1 + x y ) d z = 0 The necessary and sufficient condition for iintegrability is X ⋅ c u r l X = 0 X = ( 1 + y z , x z − x 2 , − 1 − x y ) , so that ∇ × X = ∣ i j k ∂ ∂ x ∂ ∂ y ∂ ∂ z 1 + y z x z − x 2 − 1 − x y ∣ = i ( ∂ ∂ y ( − 1 − x y ) − ∂ ∂ z ( x z − x 2 ) ) − j ( ∂ ∂ x ( − 1 − x y ) − ∂ ∂ z ( 1 + y z ) ) + k ( ∂ ∂ x ( x z − x 2 ) − ∂ ∂ y ( 1 + y z ) ) = i ( − x − x ) − j ( − y − y ) + k ( z − 2 x − z ) = − 2 x i + 2 y j − 2 x k ∴ ( 1 + y z , x z − x 2 , − 1 − x y ) ⋅ ( − 2 x , 2 y , − 2 x ) = − 2 x ( 1 + y z ) + 2 y ( x z − x 2 ) + 2 x ( 1 + x y ) = − 2 x − 2 x y z + 2 x y z − 2 y x 2 + 2 x + 2 x 2 y = 0 Thus, the given equation is integrable. Solving by Inspection ( 1 + y z ) d x + ( x z − x 2 ) d y − ( 1 + x y ) d z = 0 ( 1 + y z ) d x + ( x z − x 2 ) d y − ( 1 + x y ) d z = 0 − ( 1 + y z ) d x − ( x z − x 2 ) d y − ( 1 + x y ) d z = 0 ( 1 + y x ) d z − ( 1 + y x ) d x − x ( z − x ) d y − y ( z − x ) d x = 0 ( 1 + y x ) d ( z − x ) − ( x d y + y d x ) ( z − x ) = 0 ( 1 + y x ) d ( z − x ) − d ( 1 + x y ) ( z − x ) = 0 ⟹ d ( z − x ) z − x − d ( 1 + x y ) 1 + x y = 0 Integrating both sides, we have ∫ d ( z − x ) z − x − ∫ d ( 1 + x y ) 1 + x y = ∫ 0 d x ln ( z − x ) − ln ( 1 + x y ) = C 1 ln ( z − x ) = ln ( A ( 1 + x y ) ) , { C 1 = ln ( A ) } ⟹ z = x + A ( 1 + x y ) ∴ z = x + A ( 1 + y x ) is a solution to the Pfaffian differential equation \displaystyle\textsf{This is a Pfaffian differential equation in three}
\\\textsf{variables and we must verify its integrabilty}
\\\textsf{and determine its primitive.}\\
(1 + yz)\mathrm{d}x + (xz − x^2)\mathrm{d}y − (1 + xy)\mathrm{d}z = 0 \\
\textsf{The necessary and sufficient condition}\\\textsf{for iintegrability is} \\
\textbf{X}\cdot curl\textbf{X} = 0 \\
\textbf{X}=(1 + yz,xz − x^2,-1 - xy), \textsf{so that}\\
\nabla \times X = \begin{vmatrix}
\textbf{i} &\textbf{j} &\textbf{k} \\
\frac{\partial}{\partial x} &\frac{\partial}{\partial y} &\frac{\partial}{\partial z}\\
1 + yz &xz − x^2 &-1 - xy
\end{vmatrix} = \\
\begin{aligned}
&\textbf{i} \left(\frac{\partial}{\partial y}(-1 - xy) - \frac{\partial}{\partial z}(xz - x^2)\right) -
\\&\textbf{j} \left(\frac{\partial}{\partial x}(-1 - xy) - \frac{\partial}{\partial z}(1 + yz)\right) +
\\&\textbf{k} \left(\frac{\partial}{\partial x}(xz - x^2) - \frac{\partial}{\partial y}(1 + yz)\right)
\end{aligned} \\
\begin{aligned}
&=\textbf{i}(-x - x) - \textbf{j}(-y - y) + \textbf{k}(z - 2x - z) \\&= -2x\textbf{i} + 2y\textbf{j} - 2x\textbf{k}
\end{aligned} \\
\begin{aligned}
\therefore &(1 + yz,xz − x^2,-1 -xy) \cdot (-2x, 2y, -2x) \\&= -2x(1 + yz) + 2y(xz - x^2) + 2x(1 + xy) \\&= -2x - 2xyz + 2xyz - 2yx^2 + 2x + 2x^2y = 0
\end{aligned} \\
\textsf{Thus, the given equation is integrable.}\\
\textsf{Solving by Inspection} \\
(1 + yz)\mathrm{d}x + (xz − x^2)\mathrm{d}y − (1 + xy)\mathrm{d}z = 0\\
(1 + yz)\mathrm{d}x + (xz − x^2)\mathrm{d}y − (1 + xy)\mathrm{d}z = 0\\
-(1 + yz)\mathrm{d}x - (xz − x^2)\mathrm{d}y − (1 + xy)\mathrm{d}z = 0\\
(1 + yx)\mathrm{d}z - (1 + yx)\mathrm{d}x - x(z - x) \mathrm{d}y - y(z - x)\mathrm{d}x = 0\\
(1 + yx)\mathrm{d}(z - x) - (x\mathrm{d}y + y\mathrm{d}x)(z - x) = 0\\
(1 + yx)\mathrm{d}(z - x) - \mathrm{d}(1 + xy)(z - x) = 0 \\
\implies \frac{\mathrm{d}(z - x)}{z - x} - \frac{\mathrm{d}(1 + xy)}{1 + xy} = 0\\
\textsf{Integrating both sides, we have}\\
\int\frac{\mathrm{d}(z - x)}{z - x} - \int\frac{\mathrm{d}(1 + xy)}{1 + xy} = \int0\, \mathrm{d}x\\
\ln(z - x) - \ln(1 + xy) = C_1 \\
\ln(z - x) = \ln(A(1 + xy)), \hspace{1cm} \{C_1 = \ln(A)\}\\
\implies z = x + A(1 + xy) \\
\therefore z = x + A (1 + yx)\hspace{0.1cm}\textsf{is a solution to the Pfaffian differential equation} This is a Pfaffian differential equation in three variables and we must verify its integrabilty and determine its primitive. ( 1 + yz ) d x + ( x z − x 2 ) d y − ( 1 + x y ) d z = 0 The necessary and sufficient condition for iintegrability is X ⋅ c u r l X = 0 X = ( 1 + yz , x z − x 2 , − 1 − x y ) , so that ∇ × X = ∣ ∣ i ∂ x ∂ 1 + yz j ∂ y ∂ x z − x 2 k ∂ z ∂ − 1 − x y ∣ ∣ = i ( ∂ y ∂ ( − 1 − x y ) − ∂ z ∂ ( x z − x 2 ) ) − j ( ∂ x ∂ ( − 1 − x y ) − ∂ z ∂ ( 1 + yz ) ) + k ( ∂ x ∂ ( x z − x 2 ) − ∂ y ∂ ( 1 + yz ) ) = i ( − x − x ) − j ( − y − y ) + k ( z − 2 x − z ) = − 2 x i + 2 y j − 2 x k ∴ ( 1 + yz , x z − x 2 , − 1 − x y ) ⋅ ( − 2 x , 2 y , − 2 x ) = − 2 x ( 1 + yz ) + 2 y ( x z − x 2 ) + 2 x ( 1 + x y ) = − 2 x − 2 x yz + 2 x yz − 2 y x 2 + 2 x + 2 x 2 y = 0 Thus, the given equation is integrable. Solving by Inspection ( 1 + yz ) d x + ( x z − x 2 ) d y − ( 1 + x y ) d z = 0 ( 1 + yz ) d x + ( x z − x 2 ) d y − ( 1 + x y ) d z = 0 − ( 1 + yz ) d x − ( x z − x 2 ) d y − ( 1 + x y ) d z = 0 ( 1 + y x ) d z − ( 1 + y x ) d x − x ( z − x ) d y − y ( z − x ) d x = 0 ( 1 + y x ) d ( z − x ) − ( x d y + y d x ) ( z − x ) = 0 ( 1 + y x ) d ( z − x ) − d ( 1 + x y ) ( z − x ) = 0 ⟹ z − x d ( z − x ) − 1 + x y d ( 1 + x y ) = 0 Integrating both sides, we have ∫ z − x d ( z − x ) − ∫ 1 + x y d ( 1 + x y ) = ∫ 0 d x ln ( z − x ) − ln ( 1 + x y ) = C 1 ln ( z − x ) = ln ( A ( 1 + x y )) , { C 1 = ln ( A )} ⟹ z = x + A ( 1 + x y ) ∴ z = x + A ( 1 + y x ) is a solution to the Pfaffian differential equation
Comments