𝑓 ( 𝑥 , 𝑦 , 𝑧 ) = z x y ( x 2 + y 2 ) = c 𝑓(𝑥, 𝑦, 𝑧) =\dfrac{z}{xy(x^2+y^2)}=c f ( x , y , z ) = x y ( x 2 + y 2 ) z = c
f x = − z ( 3 x 2 + y 2 ) x 2 y ( x 2 + y 2 ) 2 f_x=-\dfrac{z(3x^2+y^2)}{x^2y(x^2+y^2)^2} f x = − x 2 y ( x 2 + y 2 ) 2 z ( 3 x 2 + y 2 )
f y = − z ( 3 y 2 + x 2 ) x y 2 ( x 2 + y 2 ) 2 f_y=-\dfrac{z(3y^2+x^2)}{xy^2(x^2+y^2)^2} f y = − x y 2 ( x 2 + y 2 ) 2 z ( 3 y 2 + x 2 )
f z = 1 x y ( x 2 + y 2 ) f_z=\dfrac{1}{xy(x^2+y^2)} f z = x y ( x 2 + y 2 ) 1
Let z ( x , y ) z(x,y) z ( x , y ) is a surface orthogonal to the given system. Then:
( f x , f y , f z ) ⋅ ( z x , z y , − 1 ) = 0 (f_x, f_y, f_z)\cdot(z_x, z_y, -1)=0 ( f x , f y , f z ) ⋅ ( z x , z y , − 1 ) = 0 So, we have differential equation:
− z ( 3 x 2 + y 2 ) x 2 y ( x 2 + y 2 ) 2 z x − z ( 3 y 2 + x 2 ) x y 2 ( x 2 + y 2 ) 2 z y -\dfrac{z(3x^2+y^2)}{x^2y(x^2+y^2)^2}z_x-\dfrac{z(3y^2+x^2)}{xy^2(x^2+y^2)^2}z_y − x 2 y ( x 2 + y 2 ) 2 z ( 3 x 2 + y 2 ) z x − x y 2 ( x 2 + y 2 ) 2 z ( 3 y 2 + x 2 ) z y
− 1 x y ( x 2 + y 2 ) = 0 -\dfrac{1}{xy(x^2+y^2)}=0 − x y ( x 2 + y 2 ) 1 = 0
Divide by − z x y ( x 2 + y 2 ) -\dfrac{z}{xy(x^2+y^2)} − x y ( x 2 + y 2 ) z
3 x 2 + y 2 x ( x 2 + y 2 ) z x + 3 y 2 + x 2 y ( x 2 + y 2 ) z y + 1 z = 0 \dfrac{3x^2+y^2}{x(x^2+y^2)}z_x+\dfrac{3y^2+x^2}{y(x^2+y^2)}z_y+\dfrac{1}{z}=0 x ( x 2 + y 2 ) 3 x 2 + y 2 z x + y ( x 2 + y 2 ) 3 y 2 + x 2 z y + z 1 = 0 The auxiliary equations:
x ( x 2 + y 2 ) 3 x 2 + y 2 d x = y ( x 2 + y 2 ) 3 y 2 + x 2 d y = − z d z \dfrac{x(x^2+y^2)}{3x^2+y^2}dx=\dfrac{y(x^2+y^2)}{3y^2+x^2}dy=-zdz 3 x 2 + y 2 x ( x 2 + y 2 ) d x = 3 y 2 + x 2 y ( x 2 + y 2 ) d y = − z d z Adding first and second and equating to third:
( x 2 + y 2 ) ( x d x + y d y ) 4 x 2 + 4 y 2 = − z d z \dfrac{(x^2+y^2)(xdx+ydy)}{4x^2+4y^2}=-zdz 4 x 2 + 4 y 2 ( x 2 + y 2 ) ( x d x + y d y ) = − z d z
( x d x + y d y ) 4 = − z d z \dfrac{(xdx+ydy)}{4}=-zdz 4 ( x d x + y d y ) = − z d z giving
x 2 + y 2 + 4 z 2 = c 1 x^2+y^2+4z^2=c_1 x 2 + y 2 + 4 z 2 = c 1
Subtracting the second equation from the first one:
( x 2 + y 2 ) ( x d x − y d y ) 2 ( x 2 − y 2 ) \dfrac{(x^2+y^2)(xdx-ydy)}{2(x^2-y^2)} 2 ( x 2 − y 2 ) ( x 2 + y 2 ) ( x d x − y d y )
( c 1 − 4 z 2 ) ( x d x − y d y ) 2 ( x 2 − y 2 ) = − z d z \dfrac{(c_1-4z^2)(xdx-ydy)}{2(x^2-y^2)}=-zdz 2 ( x 2 − y 2 ) ( c 1 − 4 z 2 ) ( x d x − y d y ) = − z d z
x 2 − y 2 = c 2 c 1 − 4 z 2 x^2-y^2=c_2\sqrt{c_1-4z^2} x 2 − y 2 = c 2 c 1 − 4 z 2
c 2 = x 2 − y 2 c 1 − 4 z 2 c_2=\dfrac{x^2-y^2}{\sqrt{c_1-4z^2}} c 2 = c 1 − 4 z 2 x 2 − y 2
Using the given conditions x 2 − y 2 = a , z = 0 : x^2-y^2=a, z=0: x 2 − y 2 = a , z = 0 :
a 2 = c 1 c 2 2 a^2=c_1c_2^2 a 2 = c 1 c 2 2 Then
a 2 = ( x 2 + y 2 + 4 z 2 ) ( x 2 − y 2 ) 2 x 2 + y 2 a^2=(x^2+y^2+4z^2)\dfrac{(x^2-y^2)^2}{x^2+y^2} a 2 = ( x 2 + y 2 + 4 z 2 ) x 2 + y 2 ( x 2 − y 2 ) 2
x 2 + y 2 + 4 z 2 = a 2 ( x 2 + y 2 ) ( x 2 − y 2 ) 2 x^2+y^2+4z^2=\dfrac{a^2(x^2+y^2)}{(x^2-y^2)^2} x 2 + y 2 + 4 z 2 = ( x 2 − y 2 ) 2 a 2 ( x 2 + y 2 )
z = a 2 ( x 2 + y 2 ) 4 ( x 2 − y 2 ) 2 − x 2 + y 2 4 z=\sqrt{\dfrac{a^2(x^2+y^2)}{4(x^2-y^2)^2}-\dfrac{x^2+y^2}{4}} z = 4 ( x 2 − y 2 ) 2 a 2 ( x 2 + y 2 ) − 4 x 2 + y 2
Comments