EssayAI
Блог
Блог
Математика и алгоритмы

Уравнение с разделяющимися переменными: решение и примеры

11 июня 2026Время чтения: 8 минут
#дифференциальные уравнения#разделяющиеся переменные#уравнение первого порядка#задача коши#метод разделения переменных
Уравнение с разделяющимися переменными: решение и примеры

Уравнение с разделяющимися переменными - самый простой и при этом самый частый тип дифференциальных уравнений первого порядка, с которого начинается почти любой курс дифференциальных уравнений. Его узнают по виду y′=f(x)g(y)y' = f(x)g(y): правая часть распадается в произведение функции только от xx и функции только от yy. Именно эта структура позволяет буквально развести переменные по разные стороны равенства и проинтегрировать каждую часть отдельно - без матриц, рядов и специальных функций. Ниже разберём алгоритм разделения переменных по шагам, покажем, как из общего решения получить частное через начальное условие, и решим несколько типовых примеров. Чтобы сразу увидеть, как параметры уравнения превращаются в конкретную кривую, покрутите калькулятор ниже: он строит семейство решений и подсвечивает ту единственную кривую, которая проходит через заданную начальную точку.

Что такое уравнение с разделяющимися переменными

Дифференциальное уравнение первого порядка называется уравнением с разделяющимися переменными, если его можно записать в виде

dydx=f(x) g(y),\frac{dy}{dx} = f(x)\,g(y),

где f(x)f(x) зависит только от xx, а g(y)g(y) - только от yy. Частный, но очень распространённый случай - линейная по xx зависимость вида y′=kxyy' = kxy, где f(x)=kxf(x) = kx, а g(y)=yg(y) = y: именно на нём удобно разобрать метод целиком, а потом применить его к более сложным правым частям. Если g(y)≠0g(y) \ne 0, обе части можно разделить на g(y)g(y) и умножить на dxdx - тогда xx и yy окажутся строго по разные стороны знака равенства, и уравнение станет интегрируемым напрямую.

Алгоритм решения

Разделение переменных выполняется в четыре шага, и их порядок принципиален:

  1. Убедиться, что уравнение имеет вид y′=f(x)g(y)y' = f(x)g(y), и найти корни g(y)=0g(y) = 0 - это особые (стационарные) решения, которые легко потерять при делении.
  2. Разделить переменные: dyg(y)=f(x) dx\dfrac{dy}{g(y)} = f(x)\,dx.
  3. Проинтегрировать обе части отдельно: ∫dyg(y)=∫f(x) dx+C\displaystyle\int \frac{dy}{g(y)} = \int f(x)\,dx + C.
  4. Выразить yy через xx явно (если это возможно) - получится общее решение с произвольной постоянной CC.

Разберём эти шаги на уравнении y′=kxyy' = kxy. Здесь g(y)=yg(y) = y, а единственный особый случай - y≡0y \equiv 0 (подстановка сразу проверяет: если y≡0y \equiv 0, то и y′≡0y' \equiv 0, равенство выполняется). Для y≠0y \ne 0 делим на yy и умножаем на dxdx:

dyy=kx dx.\frac{dy}{y} = kx\,dx.

Поле направлений уравнения y' = kxy плавно поворачивается вместе с изменением k от отрицательного к положительному, а золотая интегральная кривая всё время остаётся касательной к стрелкам поля в каждой точке - видно, что решение это путь вдоль направлений, а не произвольная линия

Слева стоит дифференциал функции от yy, справа - дифференциал функции от xx, поэтому интегрирование обеих частей даёт:

∫dyy=∫kx dx    ⟹    ln⁡∣y∣=k2x2+C1.\int \frac{dy}{y} = \int kx\,dx \;\;\Longrightarrow\;\; \ln|y| = \frac{k}{2}x^2 + C_1.

Потенцируя (возводя число ee в степень обеих частей), получаем общее решение:

y(x)=C ek2x2,C=±eC1.y(x) = C\,e^{\frac{k}{2}x^2}, \qquad C = \pm e^{C_1}.

Сюда же нужно добавить C=0C = 0 - то самое особое решение y≡0y \equiv 0, которое было потеряно при делении на yy.

Общее решение - это не одна кривая, а целое семейство: при каждом значении CC получается своя интегральная кривая. Ниже, на графике из калькулятора, это семейство показано тонкими линиями, а выбранная константа CC выделена жирным.

Частное решение и задача Коши

Общего решения обычно недостаточно - в задачах требуется найти конкретную кривую, проходящую через заданную точку (x0,y0)(x_0, y_0). Такая задача называется задачей Коши: к уравнению добавляется начальное условие y(x0)=y0y(x_0) = y_0, и это условие однозначно фиксирует константу CC.

Подставим x0x_0 и y0y_0 в общее решение y(x)=C ek2x2y(x) = C\,e^{\frac{k}{2}x^2}:

y0=C ek2x02    ⟹    C=y0 e−k2x02.y_0 = C\,e^{\frac{k}{2}x_0^2} \;\;\Longrightarrow\;\; C = y_0\,e^{-\frac{k}{2}x_0^2}.

Подставляя это CC обратно, получаем частное решение в закрытом виде:

y(x)=y0 exp⁡ ⁣(k2(x2−x02)).y(x) = y_0\,\exp\!\left(\frac{k}{2}\left(x^2 - x_0^2\right)\right).

Семейство интегральных кривых уравнения y' = kxy при k = 0.5 для нескольких значений C и вертикальная отметка x = 0, показывающая, что начальное условие выбирает ровно одну кривую из семейства
Семейство интегральных кривых уравнения y' = kxy при k = 0.5 для нескольких значений C и вертикальная отметка x = 0, показывающая, что начальное условие выбирает ровно одну кривую из семейства

На этой схеме хорошо видно, зачем вообще нужно начальное условие: без него уравнение y′=kxyy' = kxy описывает не одну функцию, а целое семейство, различающееся лишь вертикальным сдвигом (значением yy в точке x=0x = 0). Начальное условие y(x0)=y0y(x_0) = y_0 - это выбор одной конкретной кривой из семейства, единственной, которая проходит через отмеченную точку.

Форма кривой при этом зависит от знака kk. Если k>0k > 0, показатель степени растёт вместе с x2x^2, и решение неограниченно возрастает в обе стороны от x0x_0 - получается раскрывающаяся парабола-экспонента. Если k<0k < 0, показатель степени убывает при удалении от нуля, и кривая приобретает форму колокола с максимумом в точке x0x_0 - это тот же механизм, что и в нормальном распределении. При k=0k = 0 уравнение вырождается в y′=0y' = 0, и решение попросту постоянно.

Пример решения типовой задачи

Решим задачу Коши: y′=0,5xyy' = 0{,}5xy, y(0)=1y(0) = 1. Здесь k=0,5k = 0{,}5, x0=0x_0 = 0, y0=1y_0 = 1 - это как раз параметры, стоящие в калькуляторе по умолчанию.

Разделяем переменные и интегрируем:

dyy=0,5x dx    ⟹    ln⁡∣y∣=0,25x2+C1    ⟹    y=C e0,25x2.\frac{dy}{y} = 0{,}5x\,dx \;\;\Longrightarrow\;\; \ln|y| = 0{,}25x^2 + C_1 \;\;\Longrightarrow\;\; y = C\,e^{0{,}25x^2}.

Подставляем начальное условие y(0)=1y(0) = 1: поскольку x0=0x_0 = 0, экспонента равна e0=1e^0 = 1, и сразу получаем C=1C = 1. Частное решение:

y(x)=e0,25x2.y(x) = e^{0{,}25x^2}.

Проверим числами. При x=2x = 2: y(2)=e0,25⋅4=e1≈2,718y(2) = e^{0{,}25 \cdot 4} = e^1 \approx 2{,}718. При x=−2x = -2 значение то же самое - функция чётная относительно x0=0x_0 = 0, что видно и на графике. При x=3x = 3: y(3)=e0,25⋅9=e2,25≈9,488y(3) = e^{0{,}25 \cdot 9} = e^{2{,}25} \approx 9{,}488. Эти же числа калькулятор выше показывает в панели результата при дефолтных значениях ползунков - так удобно сверить свои вычисления.

Частые ошибки

  • Потеря особого решения y≡0y \equiv 0. При делении на g(y)g(y) корни этого уравнения (например y=0y = 0) исчезают из общей формулы автоматически, но остаются законными решениями исходного уравнения. Их нужно проверять подстановкой отдельно и указывать в ответе, если задача формально требует всех решений.
  • Забытая произвольная постоянная при интегрировании. После ∫dy/y=∫kx dx\int dy/y = \int kx\,dx обе стороны получают свою константу, но по традиции пишут одну C1C_1 справа - если её забыть вовсе, теряется всё семейство решений и остаётся только одна частная кривая.
  • Ошибка при потенцировании модуля. Из ln⁡∣y∣=…\ln|y| = \dots следует ∣y∣=e…|y| = e^{\dots}, то есть y=±e…y = \pm e^{\dots}. Знак прячут в новую константу CC, которая может быть любого знака (и нуля) - писать y=e…y = e^{\dots} без общей константы CC неверно.
  • Путаница между общим и частным решением. Общее решение содержит произвольную CC и описывает семейство кривых; частное - это одна кривая, полученная после подстановки конкретного начального условия. В ответе на задачу Коши нельзя оставлять CC в буквенном виде.
  • Неверная область определения переменных. Если при разделении встречается деление на выражение с xx (не только с yy), нужно проверить, не обнуляется ли оно на нужном промежутке - иначе решение может не существовать в части области.

FAQ

Чем уравнение с разделяющимися переменными отличается от линейного уравнения первого порядка? В уравнении с разделяющимися переменными правая часть распадается в произведение f(x)g(y)f(x)g(y), и переменные можно развести по разные стороны без дополнительных приёмов. Линейное уравнение y′+p(x)y=q(x)y' + p(x)y = q(x) в общем случае так не раскладывается и решается через интегрирующий множитель - это отдельный метод.

Как понять, что уравнение вообще разделяется? Нужно попытаться представить правую часть в виде произведения функции только от xx на функцию только от yy (или частного, что то же самое). Если это удаётся, деление на g(y)g(y) переносит все yy в левую часть, а все xx - в правую, и уравнение становится разделяющимся.

Что делать, если интеграл ∫dy/g(y)\int dy/g(y) не берётся в элементарных функциях? Такое случается для сложных g(y)g(y) - тогда решение записывают в неявном виде через первообразные (специальные функции или интегралы, не выражаемые элементарно) либо решают уравнение численно. Для учебных задач такие случаи почти не встречаются: g(y)g(y) обычно берётся так, чтобы интеграл был табличным.

Коротко

Уравнение с разделяющимися переменными имеет вид y′=f(x)g(y)y' = f(x)g(y): деля обе части на g(y)g(y) и умножая на dxdx, переменные разводятся по разные стороны равенства, после чего каждая часть интегрируется отдельно. Общее решение содержит произвольную константу CC и описывает целое семейство кривых; начальное условие y(x0)=y0y(x_0) = y_0 фиксирует единственную частную кривую из этого семейства. При решении важно не терять особые решения (корни g(y)=0g(y) = 0) и аккуратно работать со знаком при потенцировании модуля - эти две ошибки встречаются чаще всего.

Доверьте текст нейросети EssayAI

Открыть EssayAI

Бесплатно, на русском языке и без VPN

Читайте также

Существование и единственность решения задачи Коши

Существование и единственность решения задачи Коши

Теорема существования и единственности решения задачи Коши простыми словами: условие Липшица, метод приближений Пикара, интервал существования и где студенты теряют единственность.

11 июня 20267 минут
Метод вариации постоянных: формулы и разбор примера

Метод вариации постоянных: формулы и разбор примера

Метод вариации произвольных постоянных: как из решений однородного уравнения собрать частное, зачем здесь определитель Вронского и когда быстрее оказывается подбор по виду правой части.

24 сентября 202611 минут
Операционный метод решения дифференциального уравнения

Операционный метод решения дифференциального уравнения

Операционный метод решения дифференциального уравнения: переход к изображению по Лапласу, алгебраизация задачи Коши, обратное преобразование и разбор типовых примеров с начальными условиями.

20 июня 20267 минут
Преобразование Лапласа производной: формула и вывод

Преобразование Лапласа производной: формула и вывод

Преобразование Лапласа производной: формула для первой и второй производной, роль начальных условий, вывод через интегрирование по частям и применение к дифференциальным уравнениям.

20 июня 20267 минут
Теорема Коши-Ковалевской: аналитическое решение УрЧП

Теорема Коши-Ковалевской: аналитическое решение УрЧП

Теорема Коши-Ковалевской простыми словами: формулировка для систем уравнений в частных производных, аналитичность данных, мажоранты, нормальная форма и где теорема перестаёт работать.

19 июня 20267 минут
Характеристическое уравнение: комплексные корни ОДУ

Характеристическое уравнение: комплексные корни ОДУ

Как находить комплексные корни характеристического уравнения ОДУ второго порядка и записывать общее решение через синус, косинус и показательную функцию. Формулы, примеры, типичные ошибки.

11 июня 202610 минут