This is a Pfaffian differential equation in three variables and we must verify its integrabilty and determine its primitive.
( 1 + y z ) d x + z ( z − x ) d y − ( 1 + x y ) d z = 0 (1+yz)dx+z(z−x)dy−(1+xy)dz=0 ( 1 + yz ) d x + z ( z − x ) d y − ( 1 + x y ) d z = 0 The necessary and sufficient condition for integrability is
X ⋅ c u r l X = 0 X⋅curlX=0 X ⋅ c u r lX = 0
X = ( 1 + y z , z 2 − x z , − 1 − x y ) , X=(1+yz,z^2-xz,−1−xy), X = ( 1 + yz , z 2 − x z , − 1 − x y ) , so that
∇ × X = ∣ i j k ∂ ∂ x ∂ ∂ y ∂ ∂ z 1 + y z z 2 − x z − 1 − x y ∣ \nabla \times X=\begin{vmatrix}
i & j & k \\
\dfrac{\partial}{\partial x} & \dfrac{\partial}{\partial y} & \dfrac{\partial}{\partial z}\\
1+yz & z^2-xz & -1-xy \\
\end{vmatrix} ∇ × X = ∣ ∣ i ∂ x ∂ 1 + yz j ∂ y ∂ z 2 − x z k ∂ z ∂ − 1 − x y ∣ ∣
= i ( − x − 2 z + x ) − j ( − y − y ) + k ( − z − z ) =i(-x-2z+x)-j(-y-y)+k(-z-z) = i ( − x − 2 z + x ) − j ( − y − y ) + k ( − z − z )
= − 2 z i + 2 y j − 2 z k =-2zi+2yj-2zk = − 2 z i + 2 y j − 2 z k
= ( 1 + y z , z 2 − x z , − 1 − x y ) ⋅ ( − 2 z , 2 y , − 2 z ) =(1+yz,z^2-xz,−1−xy)\cdot(-2z, 2y, -2z) = ( 1 + yz , z 2 − x z , − 1 − x y ) ⋅ ( − 2 z , 2 y , − 2 z )
= − 2 z − 2 y z 2 + 2 y z 2 − 2 x y z + 2 z + 2 x y z = 0 =-2z-2yz^2+2yz^2-2xyz+2z+2xyz=0 = − 2 z − 2 y z 2 + 2 y z 2 − 2 x yz + 2 z + 2 x yz = 0 Thus, the given equation is integrable.
Solving by Inspection
( 1 + y z ) d x + z ( z − x ) d y − ( 1 + x y ) d z = 0 (1+yz)dx+z(z−x)dy−(1+xy)dz=0 ( 1 + yz ) d x + z ( z − x ) d y − ( 1 + x y ) d z = 0
( 1 + y z ) d x − ( 1 + y z ) d z + ( 1 + y z ) d z (1+yz)dx-(1+yz)dz+(1+yz)dz ( 1 + yz ) d x − ( 1 + yz ) d z + ( 1 + yz ) d z
− ( 1 + x y ) d z + z ( z − x ) d y = 0 −(1+xy)dz+z(z−x)dy=0 − ( 1 + x y ) d z + z ( z − x ) d y = 0
− ( 1 + y z ) d ( z − x ) + y ( z − x ) d z + z ( z − x ) d y = 0 -(1+yz)d(z-x)+y(z-x)dz+z(z-x)dy=0 − ( 1 + yz ) d ( z − x ) + y ( z − x ) d z + z ( z − x ) d y = 0
− ( 1 + y z ) d ( z − x ) + ( z − x ) d ( 1 + y z ) = 0 -(1+yz)d(z-x)+(z-x)d(1+yz)=0 − ( 1 + yz ) d ( z − x ) + ( z − x ) d ( 1 + yz ) = 0
d ( 1 + y z ) 1 + y z − d ( z − x ) z − x = 0 \dfrac{d(1+yz)}{1+yz}-\dfrac{d(z-x)}{z-x}=0 1 + yz d ( 1 + yz ) − z − x d ( z − x ) = 0 Integrating both sides, we have
ln ( 1 + y z ) − ln ( z − x ) = ln C \ln(1+yz)-\ln(z-x)=\ln C ln ( 1 + yz ) − ln ( z − x ) = ln C
1 + y z = C ( z − x ) 1+yz=C(z-x) 1 + yz = C ( z − x )
z = 1 + C x C − y z=\dfrac{1+Cx}{C-y} z = C − y 1 + C x is a solution to the Pfaffian differential equation.
Comments