Solution of Pfaffian Differential equation in three variables.
Verify the Pfaffian Differential equation
( y 2 + y z ) d x + ( x z + z 2 ) d y + ( y 2 − x y ) d z = 0 (y^2+yz)dx+(xz+z^2)dy+(y^2-xy)dz=0 ( y 2 + yz ) d x + ( x z + z 2 ) d y + ( y 2 − x y ) d z = 0 is integrable and find its prmitive.
The necessary and sufficient condition for iintegrability is
X ⋅ c u r l X = 0 \bm{X}\cdot curl \bm{X}=0 X ⋅ c u r l X = 0
X = ( y 2 + y z , x z + z 2 , y 2 − x y ) \bm{X}=(y^2+yz,xz+z^2,y^2-xy) X = ( y 2 + yz , x z + z 2 , y 2 − x y ) so that
∇ × X = ∣ i j k ∂ ∂ x ∂ ∂ y ∂ ∂ z y 2 + y z x z + z 2 y 2 − x y ∣ = \bm{ \nabla}\times\bm{X}=\begin{vmatrix}
\bf{i} & \bf{j} & \bf{k} \\
{\partial\over \partial x} & {\partial\over \partial y} & {\partial\over \partial z}
\\
y^2+yz & xz+z^2 & y^2-xy
\end{vmatrix}= ∇ × X = ∣ ∣ i ∂ x ∂ y 2 + yz j ∂ y ∂ x z + z 2 k ∂ z ∂ y 2 − x y ∣ ∣ = = ( 2 y − x − x − 2 z ) i + ( y + y ) j + ( z − 2 y − z ) k = =(2y-x-x-2z){\bf{i}}+(y+y){\bf{j}} + (z-2y-z){\bf{k}}= = ( 2 y − x − x − 2 z ) i + ( y + y ) j + ( z − 2 y − z ) k = = ( 2 y − 2 x − 2 z ) i + ( 2 y ) j + ( − 2 y ) k =(2y-2x-2z){\bf{i}}+(2y){\bf{j}} + (-2y){\bf{k}} = ( 2 y − 2 x − 2 z ) i + ( 2 y ) j + ( − 2 y ) k
X ⋅ ( ∇ × X ) = 2 y 3 − 2 x y 2 − 2 y 2 z + 2 y 2 z − \bm{X}\cdot (\bm{ \nabla}\times\bm{X})=2y^3-2xy^2-2y^2z+2y^2z- X ⋅ ( ∇ × X ) = 2 y 3 − 2 x y 2 − 2 y 2 z + 2 y 2 z − − 2 x y z − 2 y z 2 + 2 x y z + 2 y z 2 − 2 y 3 + 2 x y 2 = 0 -2xyz-2yz^2+2xyz+2yz^2-2y^3+2xy^2=0 − 2 x yz − 2 y z 2 + 2 x yz + 2 y z 2 − 2 y 3 + 2 x y 2 = 0 Thus the given equation is integrable.
Solve by Inspection
y ( y + z ) d x + z ( x + z ) d y + y ( y − x ) d z = 0 y(y+z)dx+z(x+z)dy+y(y-x)dz=0 y ( y + z ) d x + z ( x + z ) d y + y ( y − x ) d z = 0 Or
y ( y + z ) d x + y ( y + z ) d z − y ( y + z ) d z + y(y+z)dx+y(y+z)dz-y(y+z)dz+ y ( y + z ) d x + y ( y + z ) d z − y ( y + z ) d z + + z ( x + z ) d y + y ( x + z ) d y − y ( x + z ) d y + +z(x+z)dy+y(x+z)dy-y(x+z)dy+ + z ( x + z ) d y + y ( x + z ) d y − y ( x + z ) d y + + y ( y − x ) d z = 0 +y(y-x)dz=0 + y ( y − x ) d z = 0 Or
y ( y + z ) d ( x + z ) + ( y + z ) ( x + z ) d y − y(y+z)d(x+z)+(y+z)(x+z)dy- y ( y + z ) d ( x + z ) + ( y + z ) ( x + z ) d y − − y d z ( y + z − y + x ) − y ( x + z ) d y = 0 -ydz(y+z-y+x)-y(x+z)dy=0 − y d z ( y + z − y + x ) − y ( x + z ) d y = 0 Or
y ( y + z ) d ( x + z ) + ( y + z ) ( x + z ) d y − y ( x + z ) d ( y + z ) = 0 y(y+z)d(x+z)+(y+z)(x+z)dy-y(x+z)d(y+z)=0 y ( y + z ) d ( x + z ) + ( y + z ) ( x + z ) d y − y ( x + z ) d ( y + z ) = 0
d ( x + z ) x + z + d y y − d ( y + z ) y + z = 0 {d(x+z) \over x+z}+{dy\over y}-{d(y+z) \over y+z}=0 x + z d ( x + z ) + y d y − y + z d ( y + z ) = 0 The complete primitive is given as
y ( x + z ) = c ( y + z ) y(x+z)=c(y+z) y ( x + z ) = c ( y + z )
Comments
Dear Pramod Pammu, thank you for leaving a comment.
(y 2 -yz)dx+(xz+z 2 )dy+(y 2 −xy)dz=0 here P= (y^2+yz) , Q=(xz+z^2) , R=(y^2-xy)