Бесплатные калькуляторы
⌕ Поиск

Примеры запросов: процентыипотекаплощадьВсе калькуляторы бесплатны

МАТЕМАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ · ОНЛАЙН

Линейное дифференциальное уравнение y′ = a·y + b

Калькулятор решает задачу Коши для линейного дифференциального уравнения первого порядка y′ = a·y + b с постоянными коэффициентами и начальным условием y(0) = y₀ и возвращает значение y(t) в заданный момент. Формула аналитическая, без численного шага: y(t) = (y₀ + b/a)·e^(a·t) − b/a, а при a = 0 решение линейно по времени.

✓ Бесплатно⌁ С пояснением✦ Без регистрации
▦
КАЛЬКУЛЯТОР

Введите данные

Значение y при t = 0, от −10⁸ до 10⁸.
Скорость роста (a > 0) или затухания (a < 0), от −10⁴ до 10⁴.
Постоянный приток или вынуждающий член, от −10⁸ до 10⁸.
Момент, в который нужно найти y, от 0 до 10⁴.
✓ Исходные значения передаются серверу только для выполнения расчёта. Регистрация не нужна.
ВАШ РЕЗУЛЬТАТ✓ Вычислено

Линейное ОДУ с постоянными коэффициентами

y(t)17,293294

«Копировать картинку» помещает изображение результата в буфер обмена без сохранения файла — его можно сразу вставить в мессенджер или документ. Картинка и PDF содержат ссылку на calc-calc.ru.

Аналитическое решение y′=a·y+b для постоянных a и b; не решает произвольные дифференциальные уравнения.

Был ли калькулятор полезен?Одно касание — и мы поймём, какие инструменты улучшать.
ПОДРОБНЫЙ РАЗБОР · ФОРМУЛЫ И ПРИМЕРЫ

Решение линейного дифференциального уравнения первого порядка y′ = ay + b

Линейное дифференциальное уравнение первого порядка y′ = a·y + b описывает величину, скорость изменения которой складывается из доли от текущего значения и постоянной добавки. К такому виду приводятся остывание тела, затухание лекарства в крови с постоянной подачей, рост вклада с непрерывными взносами.

Ниже выведено решение, разобраны три режима поведения в зависимости от знака a и приведены расчёты, которые легко проверить в калькуляторе.

Вывод решения

Пусть a ≠ 0. Введём новую функцию z = y + b/a. Тогда z′ = y′ = a·y + b = a·(y + b/a) = a·z, то есть для z получается простейшее уравнение показательного роста. Его решение z(t) = z(0)·eᵃᵗ, где z(0) = y₀ + b/a.

Возвращаясь к y, получаем y(t) = (y₀ + b/a)·eᵃᵗ − b/a. Проверка подстановкой: производная y′ = a·(y₀ + b/a)·eᵃᵗ, а a·y + b = a·(y₀ + b/a)·eᵃᵗ − b + b — выражения совпадают. При t = 0 формула возвращает y₀.

Особый случай a = 0

Если a = 0, уравнение превращается в y′ = b: скорость постоянна, и решение y(t) = y₀ + b·t линейно. Подставлять a = 0 в общую формулу нельзя — в ней стоит деление на a, поэтому калькулятор обрабатывает этот случай отдельно.

Предельный переход подтверждает согласованность: (eᵃᵗ − 1)/a стремится к t при a → 0, и общая формула, записанная как y₀·eᵃᵗ + b·(eᵃᵗ − 1)/a, переходит в y₀ + b·t. Именно такая запись и используется для устойчивого вычисления.

Три режима: затухание, рост, равномерное изменение

При a < 0 члены уравнения «тянут» решение к равновесию −b/a: чем дальше y от него, тем быстрее приближение. Для y′ = −0,5·y + 10 равновесие равно 20, и из нуля решение выходит на уровень 17,29 за 4 часа, 19,63 за 8 часов, оставаясь ниже 20 всегда.

При a > 0 равновесие неустойчиво. Для y′ = 0,05·y + 100 и y₀ = 1000 равновесие равно −2000, а решение y(t) = 3000·e^(0,05t) − 2000 растёт всё быстрее: через 10 лет 2946,16. Если y₀ = −b/a, решение постоянно при любом знаке a.

Типичные модели

Закон охлаждения Ньютона T′ = −k·(T − Tₛ) приводится к виду y′ = a·y + b при a = −k и b = k·Tₛ. Смесь вещества в баке с постоянным притоком и пропорциональным оттоком описывается тем же уравнением, где равновесие — установившаяся концентрация.

Для финансовой модели с непрерывным начислением процентов a — ставка, а b — скорость пополнения. Это приближение: реальные банки начисляют дискретно, и результаты будут немного отличаться от непрерывной модели.

Ограничения калькулятора

Расчёт выполняется по аналитической формуле, а не численным интегрированием, поэтому шаг сетки не влияет на точность. Однако допускаются только постоянные a и b; уравнения с переменными коэффициентами, нелинейные и системы требуют иных методов.

Для защиты от переполнения принимаются значения |a·t| ≤ 50, время до 10⁴, а модули y₀ и b не выше 10⁸. Результат по модулю не должен превышать 10¹⁵. Если ввод нарушает эти пределы, калькулятор сообщит об ошибке, а не вернёт неверное число.

Формула расчёта

ОСНОВНАЯ ФОРМУЛА

y′ = a·y + b, y(t) = (y₀ + b/a)·eᵃᵗ − b/a (a ≠ 0), y(t) = y₀ + b·t (a = 0)

Проверенные примеры

Накопление вещества с выведением

В ёмкость поступает 10 единиц в час, а за час выводится 50% содержимого: y′ = −0,5·y + 10, y(0) = 0. Сколько вещества будет через 4 часа?

Равновесие −b/a = 20. Здесь b/a = −20, поэтому y(4) = (0 − 20)·e⁻² + 20 = 20·(1 − e⁻²) ≈ 17,293.

Непрерывные взносы

Счёт 1000 растёт с непрерывной ставкой 5% и пополняется со скоростью 100 в год: y′ = 0,05·y + 100. Чему равен счёт через 10 лет?

y(10) = (1000 + 2000)·e^0,5 − 2000 ≈ 2946,16.

Как пользоваться онлайн-калькулятором

  1. Введите начальное значение y₀ и коэффициенты a и b.
  2. Укажите момент времени t ≥ 0.
  3. Нажмите «Рассчитать» и прочитайте y(t).
ВОПРОСЫ И ОТВЕТЫ

Частые вопросы

Что такое точка равновесия?

Это значение y, при котором правая часть уравнения равна нулю: a·y + b = 0, то есть y = −b/a. Если решение в ней оказалось, оно больше не меняется. При a < 0 равновесие устойчиво: к нему стремятся все решения.

Чем отличается эта модель от закона охлаждения Ньютона?

Закон Ньютона — частный случай: для температуры T с температурой среды Tₛ уравнение T′ = −k·(T − Tₛ) имеет вид y′ = a·y + b с a = −k и b = k·Tₛ. Здесь коэффициенты задаются произвольно.

Почему калькулятор не принимает слишком большое a·t?

Экспонента растёт настолько быстро, что при |a·t| > 50 значение выходит за разумные пределы вычислений. Уменьшите время или единицу времени, например считайте в часах, а не в секундах.

Похожие калькуляторы

ПОДЕЛИТЬСЯ ИНСТРУМЕНТОМ

Встроить на свой сайт

Вставьте этот код в HTML-блок на своём сайте. Посетители смогут пользоваться калькулятором без перехода.

Прямая ссылка: https://calc-calc.ru/embed/calc_010028/

Предварительный просмотр