Алгебра · 11 класс4 четвертьТема 9ГОСО РК 2026Базовый

Дифференциальные уравнения первого порядка

Понятие обыкновенного дифференциального уравнения, общее и частное решения, задача Коши, уравнения с разделяющимися переменными.

Время изучения~75 минтеория + практика
Разделы темы5 разд.пошаговый разбор
Тест темы2 вопр.с мгновенным ответом
СОР / СОЧ4 четвертьдескрипторы ГОСО

Дифференциальным уравнением (ДУ) называют уравнение, связывающее независимую переменную x, искомую неизвестную функцию y = y(x) и её производные различных порядков: F(x, y, y', y'', ..., y⁽ⁿ⁾) = 0. Порядком дифференциального уравнения называют наивысший порядок входящей в него производной. Дифференциальное уравнение первого порядка содержит производную не выше первого порядка: F(x, y, y') = 0 или в разрешенном относительно производной виде: y' = f(x, y).

y' = f(x, y)

ДУ первого порядка

Связь между аргументом, функцией и её скоростью изменения.
Порядок уравнения

Максимальная производная

Определяется наивысшим порядком входящей производной.

Искомым объектом является функция

В обычных алгебраических уравнениях ищут неизвестное число x. В дифференциальных уравнениях ищут неизвестную ФУНКЦИЮ y(x).

Шаг 1
Анализ входящих производных
Определяют наивысший порядок производной.
Шаг 2
Запись в форме Лейбница
Заменяют y' на отношение дифференциалов dy / dx.
Шаг 3
Классификация типа ДУ
Определяют метод решения (с разделяющимися переменными, линейное).
Общий вид дифференциального уравнения 1-го порядка
y′=dydx=f(x,y)  ⟺  P(x,y) dx+Q(x,y) dy=0y' = \frac{dy}{dx} = f(x, y) \iff P(x, y)\,dx + Q(x, y)\,dy = 0

Общим решением ДУ первого порядка называют функцию вида y = φ(x, C), содержащую одну произвольную константу C, которая обращает уравнение в тождество при любом допустимом значении C. Геометрически общее решение представляет собой бесконечное семейство интегральных кривых на плоскости. Частным решением называют любое решение y = φ(x, C₀), полученное из общего решения при конкретном числовом значении C = C₀. Задача нахождения частного решения, удовлетворяющего начальному условию y(x₀) = y₀, называется задачей Коши.

y = φ(x, C)

Общее решение

Семейство всех возможных решений с параметром C.
y(x₀) = y₀

Задача Коши

Поиск единственной интегральной кривой, проходящей через точку (x₀; y₀).

Теорема существования и единственности

Если функция f(x, y) непрерывна и гладка в окрестности точки (x₀; y₀), через эту точку проходит ровно одна интегральная кривая.

Шаг 1
Нахождение общего решения
Интегрируют ДУ и получают y = φ(x, C).
Шаг 2
Подстановка начальных данных
В равенство подставляют x = x₀ и y = y₀.
Шаг 3
Вычисление C₀
Находят константу и записывают частное решение.
Формулировка задачи Коши
{y′=f(x,y)y(x0)=y0  ⟹  y=φ(x,C0)— единственное решение\begin{cases} y' = f(x, y) \\ y(x_0) = y_0 \end{cases} \implies y = \varphi(x, C_0) \text{— единственное решение}

Уравнением с разделяющимися переменными называют ДУ вида y' = g(x) · h(y). Алгоритм решения: 1) Записывают производную через дифференциалы: dy / dx = g(x) · h(y); 2) Разделяют переменные: умножают на dx и делят на h(y) ≠ 0, чтобы все переменные y оказались слева с dy, а все x — справа с dx: dy / h(y) = g(x) dx; 3) Интегрируют обе части: ∫ dy / h(y) = ∫ g(x) dx + C. После взятия интегралов выражают y через x.

dy / h(y) = g(x) dx

Разделение переменных

Перенос всех переменных y влево, а всех x вправо.
Почленное интегрирование

Сведение к квадратурам

Взятие неопределенных интегралов от обеих частей равенства.

Особые решения при делении на h(y)

При делении на h(y) корни уравнения h(y) = 0 могут быть потеряны! Их необходимо проверить отдельно: если y = b обращает h(b) = 0, то y = b — постоянное решение.

Шаг 1
Замена y' на dy / dx
Переходят к дифференциальной форме записи.
Шаг 2
Разделение переменных по сторонам
Группируют y с dy и x с dx.
Шаг 3
Интегрирование обеих частей
Берут интегралы и находят общее решение.
Схема метода разделения переменных
dydx=g(x)h(y)  ⟺  ∫dyh(y)=∫g(x) dx+C\frac{dy}{dx} = g(x) h(y) \iff \int \frac{dy}{h(y)} = \int g(x) \, dx + C

Простейшее фундаментальное ДУ y' = k · y утверждает, что скорость изменения величины прямо пропорциональна её текущему значению. Разделяя переменные: dy / y = k dx => ln |y| = kx + C₁ => |y| = e^{kx + C₁} = e^{C₁} · e^{kx}. Обозначая ±e^{C₁} через произвольную постоянную C, получают общее решение: y(x) = C · e^{kx}. Если при x = 0 задано начальное значение y(0) = y₀, то частное решение принимает канонический вид: y(x) = y₀ · e^{kx}. При k > 0 величина экспоненциально растет, при k < 0 — экспоненциально затухает.

y(x) = y₀ · e^{kx}

Экспоненциальный закон

Единственное решение базового уравнения y' = ky.
k > 0 / k < 0

Рост или распад

Знак константы пропорциональности определяет динамику системы.

Всеобъемлющий закон природы

Этому простейшему уравнению подчиняются: размножение бактерий, распространение эпидемий на начальной стадии, радиоактивный распад атомов и капитализация непрерывных процентов.

Шаг 1
Идентификация уравнения y' = ky
Фиксируют пропорциональность производной самой функции.
Шаг 2
Запись общего вида y = C · e^{kt}
Используют готовую экспоненциальную модель.
Шаг 3
Определение y₀ и k
Подставляют начальные и граничные условия.
Решение уравнения естественного роста и распада
y′=ky  ⟺  y(t)=y0ekt,где y0=y(0)y' = k y \iff y(t) = y_0 e^{k t}, \text{где } y_0 = y(0)
Раздел 5 из 5

Закон теплоотдачи Ньютона формулируется дифференциальным уравнением: скорость остывания нагретого тела прямо пропорциональна разности температур между телом T(t) и окружающей средой Tср: dT/dt = -k(T - Tср), где k > 0 — коэффициент теплопередачи. Разделяя переменные: dT / (T - Tср) = -k dt => ln(T - Tср) = -kt + C. Отсюда получаем частное решение задачи Коши: T(t) = Tср + (T₀ - Tср) · e^{-kt}, где T₀ — начальная температура тела при t = 0.

dT/dt = -k(T - Tср)

Закон охлаждения Ньютона

Скорость падения температуры пропорциональна температурному перепаду.
T → Tср при t → ∞

Термодинамическое равновесие

Со временем температура тела асимптотически приближается к температуре среды.

Криминалистическая экспертиза

Закон остывания Ньютона используется судебными медицинскими экспертами для точного определения времени наступления биологической смерти по остаточной температуре тела.

Шаг 1
Фиксация Tср и T₀
Определяют температуру среды и начальную температуру объекта.
Шаг 2
Нахождение коэффициента k
Используют второй контрольный замер температуры.
Шаг 3
Прогнозирование температуры T(t)
Вычисляют температуру в интересующий момент времени.
Формула температуры остывающего тела
T(t)=Tср+(T0−Tср)e−ktT(t) = T_{\text{ср}} + (T_0 - T_{\text{ср}}) e^{-k t}
Ваш прогресс по теме25%
Шпаргалка формул11 класс
Свойства показательной функции aˣ:
ax⋅ay=ax+y;(ax)y=ax⋅y;a0=1aˣ \cdot aʸ = a^{x+y};\quad (aˣ)ʸ = a^{x \cdot y};\quad a^0 = 1
Основное логарифмическое тождество:
alogab=ba^{logₐ b} = b
Логарифм произведения и частного:
loga(xy)=logax+logay;loga(x/y)=logax−logaylogₐ (xy) = logₐ x + logₐ y;\quad logₐ (x/y) = logₐ x - logₐ y
Вынесение степеней из логарифма:
logaq(xp)=(p/q)⋅logaxlog_{a^q} (xᵖ) = (p / q) \cdot logₐ x
Следующая тема

Случайные величины и их характеристики

Перейти к теме →