Upload
anjan
View
214
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
ORIGINAL PAPER
Solitons and other solutions to quantum Zakharov–Kuznetsov equationin quantum magneto-plasmas
A H Bhrawy1,2, M A Abdelkawy2, S Kumar3, S Johnson4,5 and A Biswas4*1Department of Mathematics, Faculty of Science, King Abdulaziz University, Jeddah, Saudi Arabia
2Department of Mathematics, Faculty of Science, Beni-Suef University, Beni Suef, Egypt
3Department of Applied Sciences, Bahra Faculty of Engineering, Patiala 147 001, Punjab, India
4Department of Mathematical Sciences, Delaware State University, Dover, DE 19901-2277, USA
5Lake Forest High School, 5407 Killens Pond Road, Felton, DE 19943, USA
Received: 26 October 2012 / Accepted: 01 January 2013 / Published online: 17 January 2013
Abstract: In this paper, the soliton solutions to the quantum Zakharov–Kuznetsov equation in quantum dusty plasmas
have been investigated. A few integration tools have been applied to extract the soliton solutions to the governing equation.
The topological, non-topological, singular soliton and complexiton solutions are obtained. Additionally, the periodic and
singular periodic solutions are listed. Finally, the ansatz method has been employed to retrieve a singular 1-soliton solution
to the equation for power law nonlinearity. In this case, a constraint condition naturally falls out and it serves as a pre-
conditioning criteria for singular soliton to exist.
Keywords: Extended F-expansion (EFE) method; Nonlinear partial differential equations; Nonlinear physical
phenomena; Quantum Zakharov–Kuznetsov equation; Quantum plasmas
PACS Nos.: 02.30.Jr; 05.45.Yv; 02.30.Ik
1. Introduction
The study of solitons in applied mathematics and theoret-
ical physics has been continued for the past few decades
and still a major area of research in these fields [1–34].
There are always many ways to explore in this direction.
There are several avenues where research in soliton theory
is still very demanding. Solitons are studied in nonlinear
optics in the context of optical fibers and metamaterials
[32, 33]. Then, solitons are special solutions in the area of
geophysical phenomena that can assist in the study of
earthquake phenomena, although, unfortunately, the time
interval for earthquake prediction cannot be done. Solitons
are also studied in the context of shallow water waves
along ocean shores and in lakes and beaches, where in
addition to solitary waves, cnoidal waves are observed.
Furthermore, chiral solitons are studied in nuclear physics
along with Bohm potential. In biophysics, solitons are
observed in a-helix proteins.
This paper sheds some light on the solitons in quantum
magneto-plasmas that is governed by the quantum Zakha-
rov–Kuznetsov (QZK) equation. While this equation has
been studied earlier on several occasions by several
authors, this paper is on a different flavor than those pub-
lished earlier. The formal derivation of the QZK equation
is given, initially, in a succinct manner. Subsequently, the
integration of the QZK equation is carried out by the
extended F-expansion (EFE) method. Later, the soliton and
complexiton solutions of the QZK equation in (3 ? 1)-
dimensions have been obtained as a limiting case of the
elliptic functions. In the other limiting case, the periodic
functions as well as singular periodic functions are also
listed. Finally, the QZK equation with power law nonlin-
earity has been studied. Here, the ansatz method is applied
to retrieve a singular 1-soliton solution along with a rele-
vant constraint condition in order for the singular soliton to
exist.*Corresponding author, E-mail: [email protected]
Indian J Phys (May 2013) 87:455–463
DOI 10.1007/s12648-013-0248-x
� 2013 IACS
2. Governing equations
The dynamics of low frequency ion-acoustic waves in a
dense magneto-plasma is governed by
oni
otþ5 � niuð Þ ¼ 0; ð1Þ
oui
otþ ui � 5ui ¼ �5 /þ ui � z; ð2Þ
o/oz� ne
one
ozþ H2
e
2
o
oz
52 ffiffiffiffiffi
nepffiffiffiffiffi
nep
� �
¼ 0; ð3Þ
ne ¼ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
1þ 2/þ H2e
52ffiffiffiffiffi
nepffiffiffiffiffi
nep
s
;
He ¼ eH0h=2cffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
MiMp
KBTFe;
ð4Þ
and Poisson’s equation
52/ ¼ ne � ni; ð5Þ
where ni, ui, /, ne, H0, h, c, Mi, M, TFe and KB are the
ion number density, the ion fluid velocity, the electro-
static potential, electron number density, the strength of
the magnetic field, the Planck constant divided by 2p,
the speed of light in vacuum, the ion mass, the electron/
positron mass, the electron/positron Fermi temperature
and the Boltzmann constant respectively.
The three-dimensional QZK equation can be obtained
from Eqs. (1)–(5), using reductive technique [29, 30], as
o/otþ d/
o/ozþ k
o3/oz3þ � o
oz
o2/ox2þ o2/
oy2
� �
¼ 0; ð6Þ
where d ¼ 2; k ¼ 12ð1� H2
e
4Þ; � ¼ 1� H2
e
8:
3. Extended F-expansion method
In this section, we have introduced a simple description of
the EFE method, for a given partial differential equation
(PDE)
G u; ux; uy; uz; ut; uxy; . . .� �
¼ 0: ð7Þ
We would like to know whether travelling waves (or
stationary waves) are solutions of Eq. (7). The first step is
to unite the independent variables x, y, z and t into one
particular variable through the new variable
f ¼ axþ byþ czþ mt; uðx; y; z; tÞ ¼ UðfÞ;
where m is the wave speed and reduce Eq. (7) to an ordinary
differential equation (ODE)
GðU; U0; U
00; U
000; . . .Þ ¼ 0: ð8Þ
Our main goal is to derive exact or at least approximate
solutions, if possible, for this ODE. For this purpose, let us
simply U as the expansion in the form,
uðx; y; z; tÞ ¼ UðfÞ ¼X
N
i¼0
aiFi þX
N
i¼1
a�iF�i; ð9Þ
where
F0 ¼
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
Aþ BF2 þ CF4p
; ð10Þ
the highest degree of dpUdfp is taken as
OdpU
dfp
� �
¼ N þ p; p ¼ 1; 2; 3; . . .; ð11Þ
O UqdpU
dfp
� �
¼ ðqþ 1ÞN þ p; q ¼ 0; 1; 2; . . .;
p ¼ 1; 2; 3; . . .ð12Þ
where A, B and C are constants, and N in Eq. (9) is a
positive integer that can be determined by balancing the
nonlinear term(s) and the highest order derivatives. Nor-
mally N is a positive integer, so that an analytic solution in
closed form may be obtained. Substituting Eqs. (7)–(10)
into Eq. (8) and comparing the coefficients of each power
of FðfÞ in both sides, we get an over-determined system of
nonlinear algebraic equations with respect to m; a0; a1; . . .
Solving the over-determined system of nonlinear algebraic
equations by use of Mathematica. The relations between
values of A, B, C and corresponding Jacobian elliptic
Table 1 The relation between values of (A, B, C) and the corre-
sponding FðfÞ
A B C FðfÞ
1 -1 - m2 m2snðfÞ or cdðfÞ ¼ cnðfÞ
dnðfÞ
1 - m2 2m2 - 1 -m2 cnðfÞm2 - 1 2 - m2 -1 dnðfÞm2 -1 - m2 1 nsðfÞ 1
snðfÞ or
dcðfÞ ¼ dnðfÞcnðfÞ
-m2 2m2 - 1 1 - m2ncðfÞ ¼ 1
cnðfÞ
-1 2 - m2 m2 - 1 ndðfÞ ¼ 1dnðfÞ
1 2 - m2 1 - m2scðfÞ ¼ snðfÞ
cnðfÞ
1 2m2 - 1 -m2(-1 - m2) sdðfÞ ¼ snðfÞdnðfÞ
1 - m2 2 - m2 1 csðfÞ ¼ cnðfÞsnðfÞ
-m2(1 - m2) 2m2 - 1 1 dsðfÞ ¼ dnðfÞsnðfÞ
14
1�2m2
2
14
nsðfÞ þ csðfÞ1�m2
41þm2
21�m2
2ncðfÞ þ scðfÞ
14
m2�22
m2
4nsðfÞ þ dsðfÞ
m2
4m2�2
2m2
4snðfÞ þ icsðfÞ
456 A H Bhrawy et al.
function (JEF) solution FðfÞ of Eq. (9) are given in the
Appendix Table 1. Substituting the values of A, B, C and
the corresponding JEF solution FðfÞ chosen from Table 1
into the general form of solution, an ideal periodic wave
solution expressed by JEF is obtained.
4. Three-dimensional QZK equation
In this section, we have applied the extended method to
study the three-dimensional QZK equation (6)
o/otþ d/
o/ozþ k
o3/oz3þ � o
oz
o2/ox2þ o2/
oy2
� �
¼ 0: ð13Þ
If we use f ¼ axþ byþ czþ mt; /ðx; y; z; tÞ ¼ UðfÞcarries PDE Eq. (13) into the ODE
mU0 þ dUU
0 þ kc2 þ � b2 þ a2� �� �
U000 ¼ 0; ð14Þ
where by integrating once we obtain, upon setting the
constant of integration to zero,
2mU þ dU2 þ 2 kc2 þ � b2 þ a2� �� �
U00 ¼ 0: ð15Þ
Balancing the term U00 with the term U2 we obtain N = 2
then
UðfÞ ¼ a0 þ a1F þ a�1F�1 þ a2F2 þ a�2F�2;
F0 ¼
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
Aþ BF2 þ CF4p
:ð16Þ
Substituting Eq. (16) in Eq. (15) and comparing the
coefficients of each power of F in both sides, we get an
over-determined system of nonlinear algebraic equations
with respect to m, ai, i = 1, -1, -2, 2. Solving the over-
determined system of nonlinear algebraic equations by use
of Mathematica, we obtain three groups of constants:
(i)
a�1 ¼ a1 ¼ 0; a0 ¼ �4 Br�
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
ðB2 þ 12ACÞðrÞ2q
� �
d;
a2 ¼ �12Cr
d; a�2 ¼ �
12Ard
;
m ¼ �4ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
ðB2 þ 12ACÞr2p
; and r ¼ a2 þ b2� �
�þ c2k;
ð17Þ
(ii)
a�1 ¼ a1 ¼ a2 ¼ 0; a0 ¼ �4 Br�
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
ðB2 � 3ACÞr2p
d;
m ¼ �4ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
ðB2 � 3ACÞr2p
; a�2 ¼ �12Ar
dand r ¼ a2 þ b2
� �
�þ c2k;
ð18Þ
(iii)
a�1 ¼ a�2 ¼ a1 ¼ 0; a0 ¼ �4 Br�
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
ðB2 � 3ACÞr2p
d;
m ¼ �4ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
ðB2 � 3ACÞr2p
; a2 ¼ �12Cr
dand r ¼ a2 þ b2
� �
�þ c2k:
ð19Þ
If we use group of constants given by Eqs. (17)–(19) we
obtained the electrostatic potentials of Eq. (13) as:
/1 ¼4 1þm2ð Þr�
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
12m2 þ 1þm2ð Þ2
r2
r� �
d
� 12rd
m2sn2 axþ byþ cz� 4
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
12m2 þ 1þm2ð Þ2
r2
r
t
� ��
þns2 axþ byþ cz� 4
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
12m2 þ 1þm2ð Þ2
r2
r
t
� ��
;
ð20Þ
/2 ¼4 1þm2ð Þr�
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
12m2þ 1þm2ð Þ2
r2
r� �
d� 12r
dm2cd2 axþ byþ cz� 4
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
12m2þ 1þm2ð Þ2
r2
r
t
� ��
þdc2 axþ byþ cz� 4
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
12m2þ 1þm2ð Þ2
r2
r
t
� ��
;
ð21Þ
/3 ¼�4 2m2 � 1ð Þr�
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
12m2 m2 � 1ð Þ þ 1� 2m2ð Þ2
r2
r� �
d
þ 12rd
m2cn2 axþ byþ cz� 4
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
12m2 m2 � 1ð Þ þ 1� 2m2ð Þ2
r2
r
t
� ��
� 1� m2� �
nc2 axþ byþ cz� 4
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
12m2 m2 � 1ð Þ þ 1� 2m2ð Þ2
r2
r
t
� ��
;
ð22Þ
Solitons and other solutions 457
/4 ¼�4 2� m2ð Þr�
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
2� m2ð Þ2�12 �1þ m2ð Þ
r2
r� �
d
þ 12rd
dn2 axþ byþ cz� 4
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
2� m2ð Þ2�12 �1þ m2ð Þ
r2
r
t
� ��
þ 1� m2� �
nd2 axþ byþ cz� 4
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
2� m2ð Þ2�12 �1þ m2ð Þ
r2
r
t
� ��
;
ð23Þ
/5 ¼�4ðð2� m2Þr�
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
ð12ð1� m2Þ þ ð2� m2Þ2Þr2
q
Þd
� 12rdð1� m2Þsc2ðaxþ byþ cz� 4
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
ð12ð1� m2Þ þ ð2� m2Þ2Þr2
q
t�
þ cs2ðaxþ byþ cz� 4
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
ð12ð1� m2Þ þ ð2� m2Þ2Þr2
q
t�
;
ð24Þ
/6 ¼�4 2m2 � 1ð Þr�
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
12m2 1þ m2ð Þ þ �1þ 2m2ð Þ2
r2
r� �
d
� 12rd
m2 1þ m2� �
sd2 axþ byþ cz� 4
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
12m2 1þ m2ð Þ þ �1þ 2m2ð Þ2
r2
r
t
� ��
þ ds2 axþ byþ cz� 4
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
12m2 1þ m2ð Þ þ �1þ 2m2ð Þ2
r2
r
t
� ��
;
ð25Þ
/7 ¼�4 0:5� m2ð Þr�
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
0:75þ 0:5� m2ð Þ2
r2
r� �
d� 3r
dns axþ byþ cz� 4
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
0:75þ 0:5� m2ð Þ2
r2
r
t
� ���
þ cs axþ byþ cz� 4
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
0:75þ 0:5� m2ð Þ2
r2
r
t
� ��2
þ ns axþ byþ cz� 4
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
0:75þ 0:5� m2ð Þ2
r2
r
t
� ��
þ cs axþ byþ cz� 4
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
0:75þ 0:5� m2ð Þ2
r2
r
t
� ���2#
;
ð26Þ
/8 ¼�4 0:5þ 0:5m2ð Þr�
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
12 0:5� 0:5m2ð Þ 0:25� 0:25m2ð Þ þ 0:5þ 0:5m2ð Þ2
r2
r� �
d
� 12rd
0:5� 0:5m2� �
nc axþ byþ cz� 4
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
12 0:5� 0:5m2ð Þ 0:25� 0:25m2ð Þ þ 0:5þ 0:5m2ð Þ2
r2
r
t
� ���
þ sc axþ byþ cz� 4
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
12 0:5� 0:5m2ð Þ 0:25� 0:25m2ð Þ þ 0:5þ 0:5m2ð Þ2
r2
r
t
� ��2
þ 0:25� 0:25m2� �
nc axþ byþ cz� 4
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
12 0:5� 0:5m2ð Þ 0:25� 0:25m2ð Þ þ 0:5þ 0:5m2ð Þ2
r2
r
t
� ��
þ sc axþ byþ cz� 4
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
12 0:5� 0:5m2ð Þ 0:25� 0:25m2ð Þ þ 0:5þ 0:5m2ð Þ2
r2
r
t
� ���2#
;
ð27Þ
458 A H Bhrawy et al.
/9 ¼�4 0:5m2� 1ð Þr�
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
0:75m2þ �1þ 0:5m2ð Þ2
r2
r� �
d
� 3rd
m2 ns axþbyþ cz� 4
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
0:75m2þ �1þ 0:5m2ð Þ2
r2
r
t
� ���
þ ds axþbyþ cz� 4
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
0:75m2þ �1þ 0:5m2ð Þ2
r2
r
t
� ��2
þ ns axþbyþ cz� 4
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
0:75m2þ �1þ 0:5m2ð Þ2
r2
r
t
� ��
þ ds axþbyþ cz� 4
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
0:75m2þ �1þ 0:5m2ð Þ2
r2
r
t
� ���2#
;
ð28Þ
/10¼�4 0:5m2� 1ð Þr�
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
0:75m4þ �1þ0:5m2ð Þ2
r2
r� �
d
�3rd
m2 sn axþbyþ cz�4
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
0:75m4þ �1þ0:5m2ð Þ2
r2
r
t
� ���
þ ics axþbyþ cz�4
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
0:75m4þ �1þ0:5m2ð Þ2
r2
r
t
� ��2
þ sn axþbyþ cz�4
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
0:75m4þ �1þ0:5m2ð Þ2
r2
r
t
� ��
þ ics axþbyþ cz�4
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
0:75m4þ �1þ0:5m2ð Þ2
r2
r
t
� ���2#
;
ð29Þ
/11 ¼4 1þm2ð Þr�
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
1þm2ð Þ2�3m2
r2
r� �
d
� 12rd
m2sn2 axþbyþ cz� 4
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
1þm2ð Þ2�3m2
r2
r
t
� �� �
;
ð30Þ
/12 ¼4 1þm2ð Þr�
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
1þm2ð Þ2�3m2
r2
r� �
d
� 12rd
m2cd2 axþbyþ cz� 4
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
1þm2ð Þ2�3m2
r2
r
t
� �� �
;
ð31Þ
/14 ¼�4 2� m2ð Þr�
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
2� m2ð Þ2�3 1� m2ð Þ
r2
r� �
d
þ 12rd
dn2 axþ byþ czð�
� 4
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
2� m2ð Þ2�3 1� m2ð Þ
r2
r
t
��
; ð33Þ
/15 ¼�4 2� m2ð Þr�
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
3 m2 � 1ð Þ þ 2� m2ð Þ2
r2
r� �
d
� 12rd
1� m2� �
sc2 axþ byþ czð�
� 4
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
3 m2 � 1ð Þ þ 2� m2ð Þ2
r2
r
tÞ�; ð34Þ
/16 ¼ �4 2m2 � 1ð Þr�
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
1� 2m2ð Þ2�3m2 1þ m2ð Þ
r2
r� �
d
� 12rd
m2 1þ m2� �
sd2�
�ðaxþ byþ cz� 4
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
1� 2m2ð Þ2�3m2 1þ m2ð Þ
r2
r
t
��
;
ð35Þ
/17 ¼�4ðð0:5� m2Þr�
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
ðð0:5� m2Þ2 � 316Þr2
q
Þd
� 3rd
nsðaxþ byþ cz� 4
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
ð0:5� m2Þ2 � 3
16
� �
r2
s
tÞ "
þ csðaxþ byþ cz� 4
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
ð0:5� m2Þ2 � 3
16
� �
r2
s
tÞ!23
5;
ð36Þ
/13¼�4 2m2�1ð Þr�
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
3m2 1�m2ð Þþ 1�2m2ð Þ2
r2
r� �
d
þ12rd
m2cn2 axþbyþ cz�4
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
3m2 1�m2ð Þþ 1�2m2ð Þ2
r2
r
t
� �� �
;
ð32Þ
Solitons and other solutions 459
/19 ¼�4 0:5m2 � 1ð Þr�
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
1� 0:5m2ð Þ2�3m2
16
r2
r� �
d
� 3rd
m2 ns axþ byþ cz� 4
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
1� 0:5m2ð Þ2�3m2
16
� �
r2
s
t
! "
þ ds axþ byþ cz� 4
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
1� 0:5m2ð Þ2�3m2
16
� �
r2
s
t
!!23
5;
ð38Þ
/20 ¼�4 0:5m2 � 1ð Þr�
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
1� 0:5m2ð Þ2�3m4
16
r2
r� �
d
� 3rd
m2 sn axþ byþ cz� 4
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
1� 0:5m2ð Þ2�3m4
16
� �
r2
s
t
! "
þ ics axþ byþ cz� 4
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
1� 0:5m2ð Þ2�3m4
16
� �
r2
s
t
!!23
5;
ð39Þ
/21 ¼4 1þ m2ð Þr�
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
1þ m2ð Þ2�3m2
r2
r� �
d
� 12rd
ns2 axþ byþ cz� 4
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
1þ m2ð Þ2�3m2
r2
r
t
� �� �
;
ð40Þ
/22 ¼4 1þ m2ð Þr�
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
1þ m2ð Þ2�3m2
r2
r� �
d
� 12rd
dc2 axþ byþ cz� 4
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
1þ m2ð Þ2�3m2
r2
r
t
� �� �
;
ð41Þ
/23¼�4 2m2�1ð Þr�
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
3m2 1�m2ð Þþ 1�2m2ð Þ2
r2
r� �
d� 1�m2� �
nc2 axþbyþczð
�4
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
3m2 1�m2ð Þþ 1�2m2ð Þ2
r2
r
t
��
;
ð42Þ
/24 ¼�4 2� m2ð Þr�
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
2� m2ð Þ2�3 1� m2ð Þ
r2
r� �
d
þ 12rd
"
1� m2� �
nd2 axþ byþ czð
�4
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
2� m2ð Þ2�3 1� m2ð Þ
r2
r
t
�
#
;
ð43Þ
/25 ¼�4 2� m2ð Þr�
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
3 m2 � 1ð Þ þ 2� m2ð Þ2
r2
r� �
d
� 12rd
cs2 axþ byþ czð�
�4
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
3 m2 � 1ð Þ þ 2� m2ð Þ2
r2
r
t
��
;
ð44Þ
/26¼�4 2m2�1ð Þr�
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
1�2m2ð Þ2�3m2 1þm2ð Þ
r2
r� �
d
�12rd
�
ds2 axþbyþ czð
�4
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
1�2m2ð Þ2�3m2 1þm2ð Þ
r2
r
t
��
;
ð45Þ
/27 ¼�4 0:5� m2ð Þr�
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
0:5� m2ð Þ2�316
r2
r� �
d
� 3rd
ns axþ byþ cz� 4
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
0:5� m2ð Þ2� 3
16
� �
r2
s
t
! "
þ cs axþ byþ cz� 4
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
0:5� m2ð Þ2� 3
16
� �
r2
s
t
!!�23
5;
ð46Þ
/18 ¼�4 0:5þ 0:5m2ð Þr�
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
3 0:5m2 � 0:5ð Þ 0:25� 0:25m2ð Þ þ 0:5þ 0:5m2ð Þ2
r2
r� �
d
� 12rd
0:5� 0:5m2� �
� nc axþ byþ cz� 4
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
3 0:5m2 � 0:5ð Þ 0:25� 0:25m2ð Þ þ 0:5þ 0:5m2ð Þ2
r2
r
t
� ��
þ sc axþ byþ cz� 4
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
3 0:5m2 � 0:5ð Þ 0:25� 0:25m2ð Þ þ 0:5þ 0:5m2ð Þ2
r2
r
t
� ��2
;
ð37Þ
460 A H Bhrawy et al.
/29 ¼�4 0:5m2 � 1ð Þr�
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
1� 0:5m2ð Þ2�3m2
16
r2
r� �
d
� 3rd
ns axþ byþ cz� 4
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
1� 0:5m2ð Þ2�3m2
16
� �
r2
s
t
! "
þ ds axþ byþ cz� 4
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
1� 0:5m2ð Þ2�3m2
16
� �
r2
s
t
!!�23
5;
ð48Þ
/30 ¼�4 0:5m2 � 1ð Þr�
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
1� 0:5m2ð Þ2�3m4
16
r2
r� �
d
� 3rd
sn axþ byþ cz� 4
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
1� 0:5m2ð Þ2�3m4
16
� �
r2
s
t
! "
þ ics axþ byþ cz� 4
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
1� 0:5m2ð Þ2�3m4
16
� �
r2
s
t
!!�23
5:
ð49Þ
4.1. Soliton solutions
Some solitary wave solutions are obtained, when the
modulus m approaches to 1 in Eqs. (20)–(49):
/31 ¼4ð2r� 4rÞ
d� 12r
dtanh2ðaxþ byþ cz� 16rtÞ�
þ coth2ðaxþ byþ cz� 16rtÞ�;ð50Þ
/32 ¼ �4ðr� rÞ
dþ 12r
dsech2ðaxþ byþ cz� 4rtÞ� �
;
ð51Þ
/33 ¼ �4ðr� rÞ
d� 12r
dcsch2ðaxþ byþ cz� 4rtÞ� �
;
ð52Þ
/34 ¼ �4ðr� 5rÞ
d� 12r
d2 sinh2ðaxþ byþ cz� 20rtÞ�
þ csch2ðaxþ byþ cz� 20rtÞ�; ð53Þ
/35 ¼�4ð�0:5r� rÞ
d� 3r
dðcothðaxþ byþ cz� 4rtÞ½
þ cschðaxþ byþ cz� 4rtÞÞ2:
þ ðcothðaxþ byþ cz� 4rtÞ
þ cschðaxþ byþ cz� 4rtÞÞ�2�;ð54Þ
/36 ¼�4ð�0:5r� rÞ
d� 3r
dðtanhðaxþ byþ cz� 4rtÞ½
þ icschðaxþ byþ cz� 4rtÞÞ2:
þ ðtanhðaxþ byþ cz� 4rtÞ
þ icschðaxþ byþ cz� 4rtÞÞ�2�; ð55Þ
/37 ¼4ð2r� rÞ
d� 12r
dtanh2ðaxþ byþ cz� 4rtÞ� �
;
ð56Þ
/38 ¼ �4ðr� rÞ
dþ 12r
dsech2ðaxþ byþ cz� 4rtÞ� �
;
ð57Þ
/39 ¼ �4ðr� ir
ffiffiffi
5pÞ
d
� 24rd
sinh2ðaxþ byþ cz� 4irffiffiffi
5p
tÞh i
; ð58Þ
/40 ¼ �4 �r
2� r
4
� �
d� 3r
dcoth axþ byþ cz� 4
r4
t h
þ csch axþ byþ cz� 4r4
t
Þ2�; ð59Þ
/41 ¼ �4 �r
2� r
4
� �
d� 3r
dtanh axþ byþ cz� 4
r4
t h
þ icsch axþ byþ cz� 4r4
t
Þ2�; ð60Þ
/42 ¼4ð2r� rÞ
d� 12r
dcoth2ðaxþ byþ cz� 4rtÞ� �
;
ð61Þ
/28 ¼�4 0:5þ 0:5m2ð Þr�
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
3 0:5m2 � 0:5ð Þ 0:25� 0:25m2ð Þ þ 0:5þ 0:5m2ð Þ2
r2
r� �
d
� 12rd
0:25� 0:25m2� �
� nc axþ byþ cz� 4
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
3 0:5m2 � 0:5ð Þ 0:25� 0:25m2ð Þ þ 0:5þ 0:5m2ð Þ2
r2
r
t
� ��
þ sc axþ byþ cz� 4
ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
3 0:5m2 � 0:5ð Þ 0:25� 0:25m2ð Þ þ 0:5þ 0:5m2ð Þ2
r2
r
t
� ���2
;
ð47Þ
Solitons and other solutions 461
/43 ¼ �4ðr� ir
ffiffiffi
5pÞ
d
� 12rd
csch2ðaxþ byþ cz� 4irffiffiffi
5p
tÞh i
; ð62Þ
/44 ¼ �4 �r
2� r
4
� �
d� 3r
dcoth axþ byþ cz� 4
r4
t h
þ csch axþ byþ cz� 4r4
t
Þ�2i
;
ð63Þ
/45 ¼ �4 �r
2� r
4
� �
d� 3r
dtanh axþ byþ cz� 4
r4
t h
þ icsch axþ byþ cz� 4r4
t
Þ�2i
;
ð64Þ
4.2. Triangular periodic solutions
Some trigonometric function solutions are obtained, when
the modulus m approaches to zero in Eqs. (20)–(49):
/46 ¼4ðr� rÞ
d� 12r
dcsc2ðaxþ byþ cz� 4rtÞ� �
; ð65Þ
/47 ¼4ðr� rÞ
d� 12r
dsec2ðaxþ byþ cz� 4rtÞ� �
; ð66Þ
/48 ¼ �4ð2r� 4rÞ
d� 12r
dtan2ðaxþ byþ cz� 16rtÞ�
þ cot2ðaxþ byþ cz� 16rtÞ�
; ð67Þ
/49 ¼�4ð0:5r� rÞ
d� 3r
dðcscðaxþ byþ cz� 4rtÞ½
þ cotðaxþ byþ cz� 4rtÞÞ2ðcscðaxþ byþ cz
�4rtÞ þ cotðaxþ byþ cz� 4rtÞÞ�2�
; ð68Þ
/50 ¼�2ðr� r
ffiffiffi
7pÞ
d� 12r
d0:5ðsecðaxþ byþ cz½
�2rffiffiffi
7p
tÞ þ tanðaxþ byþ cz� 2rffiffiffi
7p
tÞÞ2
þ 0:25ðsecðaxþ byþ cz� 2rffiffiffi
7p
tÞ
þ tanðaxþ byþ cz� 2rffiffiffi
7p
tÞÞ�2�
; ð69Þ
/51 ¼ �4ðr� rÞ
d� 3r
dsin2ðaxþ byþ cz� 4rtÞ� �
; ð70Þ
/52 ¼ �4ðr� rÞ
d� 3r
dðsinðaxþ byþ cz� 4rtÞ½
þ i cotðaxþ byþ cz� 4rtÞÞ�2�; ð71Þ
/53 ¼ �4ð2r� rÞ
d� 12r
dtan2ðaxþ byþ cz� 4rtÞ� �
;
ð72Þ
/54 ¼ �2ðr� rÞ
d� 3r
dðcscðaxþ byþ cz� 2rtÞ½
þ cotðaxþ byþ cz� 2rtÞÞ2�
;
ð73Þ
/55 ¼ �ð2r� ir
ffiffiffi
2pÞ
d� 6r
dðsecðaxþ byþ cz� ir
ffiffiffi
2p
tÞ
þ tanðaxþ byþ cz� irffiffiffi
2p
tÞÞ2; ð74Þ
/56 ¼ �4ð2r� rÞ
d� 12r
dcot2ðaxþ byþ cz� 4rtÞ� �
;
ð75Þ
/57 ¼ �2ðr� rÞ
d� 3r
dðcscðaxþ byþ cz� 2rtÞ½
þ cotðaxþ byþ cz� 2rtÞÞ�2�;ð76Þ
/58 ¼�ð2r� ir
ffiffiffi
2pÞ
d� 12r
d0:25� 0:25m2� �
� ðsecðaxþ byþ cz� irffiffiffi
2p
tÞþ tanðaxþ byþ cz� ir
ffiffiffi
2p
tÞÞ�2;
ð77Þ
/59 ¼4ðr� rÞ
d� 3r
dðsinðaxþ byþ cz� 4rtÞ½
þi cotðaxþ byþ cz� 4rtÞÞ�2�
:
ð78Þ
5. Singular solitons
This section is devoted to the derivation of a singular
1-soliton solution of the QZK equation that is with power
law nonlinearity. In dimensionless form, the QZK equation
with power law nonlinearity, is given by
qt þ aqnqz þ b qxx þ qyy
� �
zþcqzzz ¼ 0; ð79Þ
where a, b and c are arbitrary non-zero real-valued constants.
The parameter n represents the power law nonlinearity
parameter and represents the strength of nonlinearity with
n [ 0. Also, here in Eq. (79), q(x, y, z, t) represents the
dependent variable. The target in this section is to obtain a
singular 1-soliton solution to Eq. (79) by the aid of ansatz
method. In this method, a trial solution to Eq. (79) is taken
to be
qðx; y; z; tÞ ¼ Acschp B1xþ B2yþ B3z� vtð Þ ¼ Acschps;
ð80Þ
where
s ¼ B1xþ B2yþ B3z� vt: ð81Þ
In Eq. (80), the parameters A, Bj for j = 1, 2, 3 are all free
parameters and v represents the velocity of the soliton.
Substitution of Eq. (80) in Eq. (79) leads to, after
simplification,
v� bp2B3 B21 þ B2
2
� �
� cp2B33
�
cschps� aAnB3cschðnþ1Þps
� ðpþ 1Þðpþ 2Þ bB3 B21 þ B2
2
� �
þ cB33
�
cschpþ2s ¼ 0:
ð82Þ
462 A H Bhrawy et al.
Then from Eq. (82), by the balancing principle, equating
the exponents (n ? 1)p and p ? 2 leads to
ðnþ 1Þp ¼ pþ 2; ð83Þ
so that
p ¼ 2
n: ð84Þ
From Eq. (82), setting the coefficients of the linearly
independent functions cschp?j where j = 0, 2 to zero leads to
v ¼ 4B3
n2b B2
1 þ B22
� �
þ cB23
�
; ð85Þ
and
A ¼ �2ðnþ 1Þðnþ 2Þ b B2
1 þ B22
� �
þ cB23
�
an2
� �
1n
; ð86Þ
which compels the constraint relation
a b B21 þ B2
2
� �
þ cB23
�
\0; ð87Þ
for even values of n, in order for the singular solitons to exist.
Thus, finally, the singular 1-soliton solution to Eq. (79) is
given by
qðx; y; z; tÞ ¼ Acsch2n B1xþ B2yþ B3z� vtð Þ; ð88Þ
where the free parameters are related as given in Eq. (86)
and the velocity of the soliton is given by Eq. (85). In
addition, the constraint conditions given by Eq. (87) must
remain valid in order for the singular solitons to exist.
6. Conclusions
This paper addresses the integrability aspects of the QZK
equation in a fairly detailed fashion. The EFE method is
implemented to list a plethora of solutions. Later, the
limiting cases of these solutions are obtained that revealed
soliton and complexiton solutions on one hand and the
periodic solutions on the other hand. Finally, the ansatz
method is applied to the QZK equation with power law
nonlinearity where a singular 1-soliton solution was
revealed. This solution comes with a baggage, namely a
constraint condition falls out during the course of deriva-
tion of the solution which must hold in order for the sin-
gular soliton to exist.
Appendix
The relation between values of (A, B, C) and the corre-
sponding JEF solution FðfÞ of Eq. (10) are given in Table 1,
where snðfÞ; cnðfÞ and dnðfÞ are the Jacobian elliptic (JE)
sine function, JE cosine function and the JEF of the third
kind, respectively. And
cn2ðfÞ ¼ 1� sn2ðfÞ; dn2ðfÞ ¼ 1� m2sn2ðfÞ; ð89Þ
with the modulus m (0 \ m \ 1).
When m �! 1; the Jacobi functions degenerate to the
hyperbolic functions, i.e.,
snf �! tanhf; cnf �! sechf; dnf �! sechf;
when m �! 0; the Jacobi functions degenerate to the
triangular functions, i.e.,
snf �! sinf; cnf �! cosf and dnf �! 1:
References
[1] Y Jung and I Murakami Phys. Lett. A 373 969 (2009)
[2] M Opher, L O Silva, D E Dauger, V K Decyk and J M Dawson
Phys. Plasmas 8 2454 (2001)
[3] B Zhang, Z Liu and Q Xiao Appl. Math. Comput. 217 392
(2010)
[4] S Ali and P K Shukla Phys. Plasmas 13 022313 (2006)
[5] A Mushtaq and S A Khan Phys. Plasmas 14 052307 (2007)
[6] A P Misra and C Bhowmik Phys. Plasmas 14 012309 (2007)
[7] Y Wang and J Zhang Phys. Lett. A 372 6509 (2008)
[8] T Koikawa Phys. Lett. B 110 129 (1982)
[9] R A Baldock, B A Robson and R F Barrett Nucl. Phys. A 366270 (1981)
[10] A N Beavers Jr and E D Denman Math. Biosci. 21 143 (1974)
[11] M L Wang, Y B Zhou and Z B Li Phys. Lett. A 216 67 (1996)
[12] J F Zhang Phys. Lett. A 313 401 (2003)
[13] A H Bhrawy, A Biswas, M Javidi, W X Ma, Z Pinar and A
Yildirim Results in Mathematics (Berlin: Springer) (2012)
[14] A H Khater, D K Callebaut and M A Abdelkawy Phys. Plasmas17 122902 (2010)
[15] S Tang, C Li and K Zhang Commun. Nonlinear Sci. Numer.Simul. 15 3358 (2010)
[16] Z Emami and H R Pakzad Indian J. Phys. 85 1643 (2011)
[17] E G Fan Phys. Lett. A 277 212 (2000)
[18] A M Wazwaz Commun. Nonlinear Sci. Numer. Simul. 11 148 (2006)
[19] S K Liu, Z T Fu, S D Liu and Q Zhao Phys. Lett. A 289 69
(2001)
[20] A V Porubov Phys. Lett. A 221 391 (1996)
[21] A V Porubov and M G Velarde J. Math. Phys. 40 884 (1999)
[22] A V Porubov and D F Parker J. Phys. A. Math. Theor. 35 6853
(2002)
[23] S Zhang and T Xia Commun. Nonlinear Sci. Numer. Simul. 131294 (2008)
[24] W Rui, B He and Y Long Commun. Nonlinear Sci. Numer.Simul. 14 1245 (2009)
[25] M A Abdou J. Comput. Appl. Math. 214 202 (2008)
[26] S Zhang and T Xia Appl. Math. Comput. 189 836 (2007)
[27] J Zhang, C Dai, Q Yang and J Zhu Opt. Commun. 252 408 (2005)
[28] Y Shen and N Cao Appl. Math. Comput. 198 683 (2008)
[29] M Wang and X Li Phys. Lett. A 343 48 (2005)
[30] I Paul, G Pakira, S K Chattopadhyay, S N Paul and B Ghosh
Indian J. Phys. 86 395 (2012)
[31] B Zhang, Z Liu and Q Xiao Appl. Math. Comput. 217 392 (2010)
[32] B Ghosh, S N Paul, C Das, A Sinhamahapatra and I Paul IndianJ. Phys. 85 745 (2011); M Mottaghizadeh and P Eslami Indian J.Phys. 86 71 (2012)
[33] N Nimje, S Dubey and S Ghosh Indian J. Phys. 86 749 (2012)
[34] G Ebadi, A Mojavir, D Milovic, S Johnson and A Biswas
Astrophys. Space Sci. 341 507 (2012)
Solitons and other solutions 463