Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
КОМБИ+РС_матем_2012.doc
Скачиваний:
29
Добавлен:
14.08.2019
Размер:
1.46 Mб
Скачать

Алгоритм нахождения общего решения

  1. Составить характеристическое уравнение ka1k–1 – … – ak–1ak = 0.

  2. Найти все его различные корни 1 , … , s и их кратности r1 , … , rs .

  3. Записать общее решение u(n, c1 , … , ck) = .

Если нужно найти частное решение u(n) с заданными начальными условиями u(0)=u0 , … , u(k–1)=uk–1 , то составляем систему линейных уравнений:

,

из которой однозначно находятся все k констант сij (0 i s, 0 j < ri). Можно доказать (как ?!), что эта система всегда однозначно разрешима.

Примеры: 1. Найти общее решение линейного рекуррентного соотношения f(n + 3) = 3f(n + 2) – 3f(n + 1) + f(n).

Составляем характеристическое уравнение: 3–32+3–1 = ( – 1)3 = 0. Оно имеет единственный корень = 1 кратности r = 3. Значит, общее решение этого соотношения третьего порядка выглядит так: u(n, c0 , c1 , c2) = (c0 + c1n + c2n2)1n = c0 + c1n + c2n2 .

Если требуется соблюсти начальные условия u(0) = 0, u(1) = 1, u(2) = 3, то получается система

,

из которой находим c0 = 0, c1 = = c2 , т.е. un = .

  1. Найти общее решение линейного рекуррентного соотношения

f(n+3) = –f(n+2) – 2f(n+1) + 16·f(n).

С

_ 3 + 2 + 2· – 16 | – 2

3 – 2·2 2 + 3· + 8

_ 3·2 + 2· – 16

2 – 6·

_ 8· – 16

– 16

0

оставляем характеристическое уравнение: () = 3 + 2 + 2 – 16 = 0. Угадываем корень 1 = 2 и понижаем степень уравнения, деля характеристический многочлен на – 2. Таким образом, 3 + 2 + 2 – 16 = ( – 2)·(2 + 3· + 8), и решая уравнение 2 + 3· + 8 = 0, находим остальные корни уравнения 2 , 3 = .

Все корни различны, т.е. имеют кратности r1 = r2 = r3 = 1. Поэтому общее решение таково: un = 2n·a + ·b + ·c (a, b, c C).

3. Найти общее решение линейного рекуррентного соотношения

f(n+4) = –2·f(n+2) – f(n).

Характеристическое уравнение () = 4 + 2·2 + 1 = 0 раскладывается на множители 4 + 2·2 + 1 = (2 + 1)2, так что имеет два корня 1 = i, 2 = –i кратностей r1 = 2 = r2 . Общее решение записывается так:

un = in·(a·n + b) + (–i)n·(c·n + d).

§ 5. Частные решения линейных неоднородных рекуррентных соотношений с постоянными коэффициентами и специальной правой частью

Теорема (о частном решении линейного неоднородного рекуррентного соотношения). Для любого линейного рекуррентного соотношения с постоянными коэффициентами

f(n + k) = a1f(n + k – 1) + …+ akf(n) + Tm(n)n,

где Tm(x) – многочлен степени m, С, существует решение вида nrSm(n)n , где Sm(x) – некоторый многочлен степени m, а r – кратность корня в характеристическом уравнении xka1xk–1 – … – ak–1xak = 0 . В частности, если не является корнем характеристического уравнения, то нужно считать r = 0.

Доказательство. Подставим nr(smnm+…+s1n+s0)n в рекуррентное соотношение:

(здесь всегда можно считать m > r, используя, если необходимо, нулевые коэффициенты многочленов).

В случае, когда не является корнем характеристического многочлена, т.е. r = 0, система упрощается:

Видно, что система имеет верхнетреугольный вид с диагональными элементами () 0, а потому имеет единственное решение.

Если же это r-кратный корень характеристического многочлена (x), то в силу леммы о соотношениях для r-кратного корня многочлена последняя группа уравнений системы тривиальна: все коэффициенты в ней нулевые. Действительно, эти коэффициенты имеют вид , где u = m+jr (j = 1, … , r).

При этом

по упомянутой выше лемме.

Более того, система снова верхнетреугольная. В самом деле, если j > u, то коэффициент при su в j-м уравнении первой группы (j r) равен

по лемме о соотношениях для r-кратного корня многочлена, т.к. u+rj < r при j > u. При j = u коэффициент при su равен

и отличен от нуля по той же лемме.

Если же j > r, то коэффициенты могут быть ненулевыми только для значений u из диапазона jr u m. При этом

по лемме о соотношениях для r-кратного корня многочлена, т.к. u+rj < r при j > u. При j = u > r коэффициент при su равен и отличен от нуля по той же лемме.

Таким образом, в любом случае полученная система уравнений крамерова и имеет единственное решение.

Теорема доказана.

Эта теорема упрощает нахождение частных решений для линейных рекуррентных соотношений с постоянными коэффициентами, имеющими свободные члены специального рассмотренного в теореме вида.

Пример. 1. Найти формулу общего члена решения рекуррентного соотношения f(n + 3) = f(n) + 1.

Здесь (x) = x3 – 1 имеет три простых корня 1 = 1, , а свободный член соотношения представим в виде 1 = 1nT0(x), где T0(x) = 1. Таким образом, общее решение однородного соотношения записывается в виде c11n + c22n + c33n, а частное решение неоднородного соотношения – в виде cn1n = cn. Подставляя это выражение в исходное соотношение, получаем соотношение с(n+3) = cn + 1, откуда находим c = .

Таким образом, общее решение рассматриваемого неоднородного соотношения имеет вид c11n + c22n + c33n + .

2. Найти формулу общего члена решения рекуррентного соотношения

f(n + 1) = f(n) + n2 – 1.

Здесь () = – 1 имеет единственный корень = 1, так что общее решение однородного соотношения (n, c) = c.

Частное решение неоднородного соотношения будем искать в виде n·(s2n2+s1n+s0)1n, т.к. свободный член рассматриваемого соотношения имеет вид 1nT2(n), где T2(x) = x2 – 1. Подставляя это выражение в исходное соотношение, получим

s2(n + 1)3+s1(n + 1)2+s0(n + 1) = s2n3 + s1n2 + s0n + n2 – 1,

т.е. 3s2n2+(3s2 + 2s1)n + s2 + s1+s0 = n2 – 1, откуда , а значит, s2 = , s1 = – , s0 = – . Таким образом, общее решение рассматриваемого неоднородного соотношения имеет вид

w(n) = с + ( n3n2n).