Калькулятор дифференциальных уравнений онлайн с решением

Пошаговое решение ОДУ и систем, задача Коши, проверка подстановкой и график.

Дифференциальное уравнение
Случайный пример
y′+y=xy' + y = x

Как пользоваться калькулятором

Калькулятор решает обыкновенные дифференциальные уравнения — те, где искомая функция зависит от одной переменной. Весь путь занимает пять шагов.

  1. Запиши уравнение

    Введи его в строку, например y' + y = x. Производные — штрихами y′, y″ или в виде dy/dx, знак умножения можно опускать. Под строкой сразу видно, как калькулятор понял запись.

  2. Выбери переменную или систему

    Над строкой выбери y(x) или y(t). Переключатель «Система» добавляет строки для функций y, z и u — их можно добавлять и удалять кнопками + и −.

  3. Добавь начальные условия

    Для задачи Коши открой «Добавить начальные условия» и укажи точку x₀ и значения y(x₀). Для уравнений высших порядков есть кнопка «Условие на производную». Пустые поля не учитываются.

  4. Нажми «Решить» или Enter

    Калькулятор определит тип уравнения, выберет метод и покажет каждый переход с формулами. Ответ проверяется подстановкой в исходное уравнение.

  5. Посмотри график и поделись

    Ползунок C показывает, как меняется кривая при разных значениях постоянной. Кнопка «Скопировать ссылку на решение» сохраняет уравнение и условия в ссылке.

Уравнениеy′+2y=xy' + 2y = xто, что ты вводишь
Тип и методμ=e2x\mu = e^{2x}линейное → интегрирующий множитель
Решение и проверкаy=x2−14+Ce−2xy = \tfrac{x}{2} - \tfrac{1}{4} + C e^{-2x}ответ подставляется обратно
Схема работы калькулятора: от записи уравнения к проверенному ответу.

Общее решение, частное решение и задача Коши

Решить дифференциальное уравнение — значит найти функцию, которая превращает его в верное равенство. Обычно таких функций бесконечно много: в ответе появляются произвольные постоянные C₁, C₂… — столько, каков порядок уравнения. Такой ответ называют общим решением, а его графики — семейством интегральных кривых.

y(0) = −1xy
Общее решение y = x²/4 + C уравнения y′ = x/2 — целое семейство парабол. Начальное условие y(0) = −1 оставляет одну из них: y = x²/4 − 1.

Частное решение — одна кривая из семейства. Чтобы её выбрать, задают начальные условия: значение функции в точке, а для уравнений высших порядков ещё и значения производных в той же точке. Такая постановка называется задачей Коши. Для уравнения n-го порядка нужно n условий: y(x₀), y′(x₀), …, y⁽ⁿ⁻¹⁾(x₀).

В калькуляторе условия задаются в блоке «Добавить начальные условия». Без них ответ останется общим, а на графике можно двигать ползунок C и смотреть, как меняется кривая. С условиями калькулятор найдёт постоянные и проверит, что ответ им удовлетворяет.

Типы дифференциальных уравнений и методы решения

Уравнение первого порядка y′ = f(x, y) в каждой точке плоскости задаёт наклон касательной к решению. Если нарисовать эти наклоны короткими штрихами, получится поле направлений, а любое решение — кривая, которая везде идёт вдоль него.

xy
Поле направлений для y′ = x − y. Каждый штрих — наклон касательной в точке. Зелёная кривая проходит через точку (0; 1), фиолетовая — через другую начальную точку, а пунктир y = x − 1 — решение, к которому они приближаются.

Найти такую кривую формулой удаётся не всегда, но для многих классов уравнений есть готовые методы. Первым делом нужно понять тип: от него зависят замена и весь ход решения.

Калькулятор пошагово решает дифференциальные уравнения первого порядка: с разделяющимися переменными, однородные, линейные, Бернулли, Риккати (если есть частное решение-многочлен), Клеро, в полных дифференциалах и с интегрирующим множителем, зависящим от x или от y. Для уравнений высших порядков — линейные с постоянными коэффициентами (неоднородные — методом вариации постоянных), уравнения Эйлера и уравнения без самой функции y (понижение порядка), а также линейные системы с постоянной матрицей. Поддерживается задача Коши. Каждый ответ проверяется подстановкой в уравнение. Если подходящего метода нет, решение расписывает ИИ, и калькулятор честно помечает, удалось ли проверить его ответ.

  • С разделяющимися переменными

    y′=f(x) g(y)y' = f(x)\,g(y)

    Всё, что с y, переносят влево, всё, что с x, — вправо: dy/g(y) = f(x)dx. Затем интегрируют обе части. Корни g(y) = 0 проверяют отдельно — при делении они теряются.

  • Линейное первого порядка

    y′+p(x) y=q(x)y' + p(x)\,y = q(x)

    Уравнение умножают на интегрирующий множитель μ = e^(∫p dx), и левая часть превращается в производную (μy)′. Другой путь — вариация постоянной.

  • Однородное

    y′=f ⁣(yx)y' = f\!\left(\frac{y}{x}\right)

    Правая часть зависит только от отношения y/x. Замена y = u·x сводит уравнение к разделяющимся переменным относительно новой функции u.

  • Бернулли

    y′+p(x) y=q(x) yn,n≠0, 1y' + p(x)\,y = q(x)\,y^{n},\quad n \ne 0,\ 1

    Отличается от линейного множителем yⁿ справа. Замена z = y¹⁻ⁿ делает уравнение линейным относительно z.

  • Риккати (если есть частное решение-многочлен)

    y′=a(x) y2+b(x) y+c(x)y' = a(x)\,y^{2} + b(x)\,y + c(x)

    В общем случае не решается в квадратурах. Калькулятор ищет частное решение y₁ в виде многочлена; если оно нашлось, замена y = y₁ + 1/v даёт линейное уравнение для v.

  • В полных дифференциалах

    M dx+N dy=0,∂M∂y=∂N∂xM\,dx + N\,dy = 0,\quad \frac{\partial M}{\partial y} = \frac{\partial N}{\partial x}

    Левая часть — полный дифференциал функции F(x, y). Её восстанавливают по частным производным F′ₓ = M и F′ᵧ = N, а ответ записывают как F(x, y) = C.

  • С интегрирующим множителем μ(x) или μ(y)

    μ M dx+μ N dy=0\mu\,M\,dx + \mu\,N\,dy = 0

    Если левая часть не является полным дифференциалом, иногда помогает множитель, зависящий только от x или только от y. После умножения на него уравнение решается как уравнение в полных дифференциалах.

  • Клеро

    y=x y′+φ(y′)y = x\,y' + \varphi(y')

    Общее решение — семейство прямых y = Cx + φ(C). Огибающая этого семейства даёт ещё и особое решение, которое из общей формулы не получается.

  • Линейное с постоянными коэффициентами

    y′′+a y′+b y=f(x)y'' + a\,y' + b\,y = f(x)

    Корни характеристического уравнения λ² + aλ + b = 0 дают решение однородной части. Для неоднородного уравнения калькулятор находит частное решение методом вариации постоянных.

  • Эйлера

    x2y′′+a x y′+b y=0x^{2}y'' + a\,x\,y' + b\,y = 0

    Решение ищут в виде y = xᵏ: показатель k находят из уравнения k(k − 1) + ak + b = 0. Замена x = eᵗ сводит задачу к постоянным коэффициентам.

  • Без самой функции y (понижение порядка)

    F(x, y′, y′′)=0F\big(x,\ y',\ y''\big) = 0

    Если сама функция y в уравнение не входит, замена p = y′ понижает порядок на единицу. После решения для p остаётся проинтегрировать ещё раз.

  • Линейные системы

    X′=A X+F(t)X' = A\,X + F(t)

    Для системы с постоянной матрицей A по собственным числам строят фундаментальную матрицу. Неоднородную часть F(t) учитывают вариацией постоянных.

Примеры решения дифференциальных уравнений

Четыре типичные задачи с первого курса: разделение переменных, задача Коши для линейного уравнения, второй порядок и система. Каждую можно открыть в калькуляторе и сравнить ход решения.

Пример 1. Уравнение с разделяющимися переменными

y′=x(1+y2)y' = x\left(1 + y^{2}\right)
  1. Правая часть — произведение функции от x и функции от y. Разделяем переменные. Делить на 1 + y² безопасно: это выражение всегда больше нуля.

    dy1+y2=x dx\frac{dy}{1 + y^{2}} = x\,dx
  2. Интегрируем обе части.

    arctg⁡y=x22+C\operatorname{arctg} y = \frac{x^{2}}{2} + C
  3. Проверка: производная найденной функции равна x/cos² и совпадает с правой частью.

    y′=xcos⁡2(x22+C)=x(1+y2)y' = \frac{x}{\cos^{2}\left(\frac{x^{2}}{2} + C\right)} = x\left(1 + y^{2}\right)
Ответy=tg⁡(x22+C)y = \operatorname{tg}\left(\frac{x^{2}}{2} + C\right)
Решить в калькуляторе

Пример 2. Задача Коши для линейного уравнения

y′+2y=x,y(0)=1y' + 2y = x,\qquad y(0) = 1
  1. Уравнение линейное: p(x) = 2, q(x) = x. Находим интегрирующий множитель.

    μ(x)=e∫2 dx=e2x\mu(x) = e^{\int 2\,dx} = e^{2x}
  2. Умножаем уравнение на μ — левая часть сворачивается в производную произведения.

    (e2x y)′=x e2x\left(e^{2x}\,y\right)' = x\,e^{2x}
  3. Интегрируем правую часть по частям и делим на e²ˣ.

    y=x2−14+C e−2xy = \frac{x}{2} - \frac{1}{4} + C\,e^{-2x}
  4. Подставляем начальное условие y(0) = 1.

    −14+C=1  ⇒  C=54-\frac{1}{4} + C = 1 \;\Rightarrow\; C = \frac{5}{4}
Ответy=x2−14+54 e−2xy = \frac{x}{2} - \frac{1}{4} + \frac{5}{4}\,e^{-2x}
Решить в калькуляторе

Пример 3. Второй порядок с постоянными коэффициентами

y′′−3y′+2y=exy'' - 3y' + 2y = e^{x}
  1. Решаем характеристическое уравнение однородной части.

    λ2−3λ+2=0  ⇒  λ1=1, λ2=2\lambda^{2} - 3\lambda + 2 = 0 \;\Rightarrow\; \lambda_{1} = 1,\ \lambda_{2} = 2
  2. Общее решение однородного уравнения.

    y0=C1ex+C2e2xy_{0} = C_{1}e^{x} + C_{2}e^{2x}
  3. Правая часть eˣ соответствует простому корню λ = 1, поэтому частное решение ищем с дополнительным множителем x.

    y~=A x ex\tilde{y} = A\,x\,e^{x}
  4. Подставляем ỹ в уравнение и находим A.

    y~′′−3y~′+2y~=−A ex=ex  ⇒  A=−1\tilde{y}'' - 3\tilde{y}' + 2\tilde{y} = -A\,e^{x} = e^{x} \;\Rightarrow\; A = -1
Ответy=C1ex+C2e2x−x exy = C_{1}e^{x} + C_{2}e^{2x} - x\,e^{x}
Решить в калькуляторе

Пример 4. Система из двух уравнений

{y′=zz′=−yy(0)=0, z(0)=1\begin{cases} y' = z \\ z' = -y \end{cases}\qquad y(0) = 0,\ z(0) = 1
  1. Дифференцируем первое уравнение и подставляем второе — получаем одно уравнение второго порядка.

    y′′=z′=−y  ⇒  y′′+y=0y'' = z' = -y \;\Rightarrow\; y'' + y = 0
  2. Корни характеристического уравнения λ² + 1 = 0 равны ±i.

    y=C1cos⁡t+C2sin⁡ty = C_{1}\cos t + C_{2}\sin t
  3. Функцию z находим из первого уравнения системы.

    z=y′=−C1sin⁡t+C2cos⁡tz = y' = -C_{1}\sin t + C_{2}\cos t
  4. Подставляем начальные условия.

    y(0)=C1=0,z(0)=C2=1y(0) = C_{1} = 0,\qquad z(0) = C_{2} = 1
Ответy=sin⁡t,z=cos⁡ty = \sin t,\qquad z = \cos t
Решить в калькуляторе

Как вводить уравнения: таблица обозначений

Записывай уравнение обычным текстом в одну строку. Пробелы не важны, регистр букв — важен: y, z и u — искомые функции, x или t — независимая переменная. Если выбрана переменная t, производная в виде дроби пишется как dy/dt. В системе используй функции y, z, u — запись вроде x(t) калькулятор не поймёт.

Что записатьКак ввестиКак выглядит
Первая производнаяy'dy/dxy′y'
Вторая производнаяy''d2y/dx2y′′y''
Производные старше, до шестого порядкаy'''y'4y′′′, y(4)y''',\ y^{(4)}
Умножение2*x*y2xy2xy2xy
Степеньy^2x^(1/3)y2, x1/3y^{2},\ x^{1/3}
Дробь(x+1)/(y-1)\frac{x+1}{y-1}x+1y−1\frac{x+1}{y-1}
Экспонентаe^xexp(x)exe^{x}
Натуральный логарифмln(x)log(x)ln⁡x\ln x
Квадратный кореньsqrt(x)\sqrt{x}x\sqrt{x}
Тригонометрияsin(x)cos(x)tg(x)arctg(x)sin⁡x, cos⁡x, tg⁡x, arctg⁡x\sin x,\ \cos x,\ \operatorname{tg} x,\ \operatorname{arctg} x
Модуль и число πabs(x)pi∣x∣, π|x|,\ \pi
Система: функции y, z, uy' = zz' = -y{y′=zz′=−y\begin{cases} y' = z \\ z' = -y \end{cases}

Частые вопросы о калькуляторе