stringtranslate.com

Рекуррентное отношение

В математике рекуррентное соотношение — это уравнение , согласно которому пятый член последовательности чисел равен некоторой комбинации предыдущих членов. Часто в уравнении появляются только предыдущие члены последовательности для параметра, который не зависит от ; это число называется порядком отношения. Если значения первых чисел в последовательности заданы, остальную часть последовательности можно вычислить, повторно применяя уравнение.

В линейных рекуррентах n-й член приравнивается к линейной функции предыдущих членов . Известный пример — повторяемость чисел Фибоначчи .

линейную рекуррентность с постоянными коэффициентамивыражение в замкнутойлинейные рекурренты с полиномиальными коэффициентами,специальныеряд Тейлораголономную функцию

Решение рекуррентного соотношения означает получение решения в замкнутой форме : нерекурсивной функции от .

Понятие рекуррентного отношения можно распространить на многомерные массивы , то есть индексированные семейства , которые индексируются кортежами натуральных чисел .

Определение

Рекуррентное отношение — это уравнение, которое выражает каждый элемент последовательности как функцию предыдущих. Точнее, в случае, когда задействован только непосредственно предшествующий элемент, рекуррентное отношение имеет вид

где

— функция, где X — множество, которому должны принадлежать элементы последовательности. Для любого это определяет уникальную последовательность, первым элементом которой является начальное значение . [1]

Определение для получения последовательностей, начиная с члена с индексом 1 или выше, легко изменить.

Это определяет рекуррентное отношение первого порядка . Рекуррентное соотношение порядка k имеет вид

где – функция, включающая k последовательных элементов последовательности. В этом случае для определения последовательности необходимо k начальных значений.

Примеры

Факториал

Факториал определяется рекуррентным соотношением

и начальное состояние

Это пример линейной рекуррентности с полиномиальными коэффициентами порядка 1, с простым полиномом

как его единственный коэффициент.

Логистическая карта

Примером рекуррентного отношения является логистическая карта :

с заданной константой ; учитывая начальный член , каждый последующий член определяется этим соотношением.

Числа Фибоначчи

Рекуррентность второго порядка, удовлетворяемая числами Фибоначчи, является каноническим примером однородного линейного рекуррентного соотношения с постоянными коэффициентами (см. Ниже). Последовательность Фибоначчи определяется с помощью рекуррентного выражения

с начальными условиями

Явно, рекуррентность дает уравнения

и т. д.

Получаем последовательность чисел Фибоначчи, которая начинается

0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, ...

Рекуррентность может быть решена методами, описанными ниже, с получением формулы Бине , которая включает в себя степени двух корней характеристического многочлена ; производящая функция последовательности является рациональной функцией

Биномиальные коэффициенты

Простой пример многомерного рекуррентного отношения дают биномиальные коэффициенты , которые подсчитывают способы выбора элементов из множества элементов. Их можно вычислить с помощью рекуррентного соотношения

с базовыми случаями . Использование этой формулы для вычисления значений всех биномиальных коэффициентов создает бесконечный массив, называемый треугольником Паскаля . Те же значения также можно вычислить напрямую по другой формуле, которая не является повторением, но использует факториалы , умножение и деление, а не только сложение:

Биномиальные коэффициенты также можно вычислить с помощью одномерной рекуррентности:

с начальным значением (Деление не отображается в виде дроби, чтобы подчеркнуть, что оно должно вычисляться после умножения, чтобы не вводить дробные числа). Это повторение широко используется в компьютерах, поскольку оно не требует построения таблицы, как двумерное повторение, и включает в себя очень большие целые числа, как это делает формула с факториалами (если использовать все задействованные целые числа меньше конечного результата). .

Разностный оператор и разностные уравнения

The Оператор разности — этооператор, который отображаетпоследовательностив последовательности и, в более общем смысле,функциив функции. Его обычно обозначаюти определяют вфункциональной записикак

Таким образом, это частный случай конечной разности .

При использовании индексной записи для последовательностей определение становится

Круглые скобки вокруг и обычно опускаются, и их следует понимать как член с индексом n в последовательности , а не применять к элементу.

Учитывая последовательностьпервая разницаaэто

The Второе отличие : Простое вычисление показывает, что

В более общем смысле: k -я разница определяется рекурсивно как и

Это соотношение можно обратить, дав

АРазностное уравнение порядкаk— это уравнение, которое включает в себяkпервых разностей последовательности или функции точно так же, какдифференциальное уравнениепорядкаkсвязываетkпервыхпроизводныхфункции.

Два приведенных выше соотношения позволяют преобразовать рекуррентное соотношение k-го порядка в разностное уравнение k-го порядка и, наоборот, разностное уравнение k-го порядка в рекуррентное соотношение k-го порядка . Каждое преобразование является обратным другому, и решением разностного уравнения являются именно те последовательности, которые удовлетворяют рекуррентному соотношению.

Например, разностное уравнение

эквивалентно рекуррентному соотношению

в том смысле, что двум уравнениям удовлетворяют одни и те же последовательности.

Поскольку для последовательности эквивалентно удовлетворять рекуррентному соотношению или быть решением разностного уравнения, два термина «рекуррентное соотношение» и «разностное уравнение» иногда используются как синонимы. См. Рациональное разностное уравнение и Матричное разностное уравнение, где приведен пример использования «разностного уравнения» вместо «рекуррентного соотношения».

Разностные уравнения напоминают дифференциальные уравнения, и это сходство часто используется для имитации методов решения дифференцируемых уравнений, применяемых к решению разностных уравнений и, следовательно, рекуррентных соотношений.

Уравнения суммирования относятся к разностным уравнениям так же, как интегральные уравнения относятся к дифференциальным уравнениям. См. Исчисление шкалы времени для объединения теории разностных уравнений с теорией дифференциальных уравнений.

От последовательностей к сеткам

Рекуррентные отношения с одной переменной или одномерные рекуррентные отношения относятся к последовательностям (т.е. функциям, определенным на одномерных сетках). Многопараметрические или n-мерные рекуррентные отношения относятся к -мерным сеткам. Функции, определенные на -сетках, также можно изучать с помощью уравнений в частных производных . [2]

Решение

Решение линейных рекуррентных соотношений с постоянными коэффициентами

Решение неоднородных рекуррентных соотношений первого порядка с переменными коэффициентами

Более того, для общего неоднородного линейного рекуррентного соотношения первого порядка с переменными коэффициентами:

есть также хороший способ решить эту проблему: [3]

Позволять

Затем

Если применить формулу к и взять предел , мы получим формулу для линейных дифференциальных уравнений первого порядка с переменными коэффициентами; сумма становится интегралом, а произведение становится показательной функцией интеграла.

Решение общих однородных линейных рекуррентных соотношений

Многие однородные линейные рекуррентные соотношения могут быть решены с помощью обобщенных гипергеометрических рядов . Особые случаи из них приводят к рекуррентным соотношениям для ортогональных многочленов и многим специальным функциям . Например, решение

дан кем-то

функция Бесселя , в то время как

решается

сливающийся гипергеометрический ряд . Последовательности, являющиеся решениями линейных разностных уравнений с полиномиальными коэффициентами, называются P-рекурсивными . Для этих конкретных рекуррентных уравнений известны алгоритмы, которые находят полиномиальные , рациональные или гипергеометрические решения.

Решение рациональных разностных уравнений первого порядка

Рационально-разностное уравнение первого порядка имеет вид . Такое уравнение можно решить, записав его как нелинейное преобразование другой переменной, которая сама развивается линейно. Тогда стандартными методами можно решить линейно-разностное уравнение в .

Стабильность

Стабильность линейных рекурсий высшего порядка

Линейная рекуррентность порядка ,

имеет характеристическое уравнение

Рекуррентность стабильна , что означает, что итерации асимптотически сходятся к фиксированному значению тогда и только тогда, когда все собственные значения (т. е. корни характеристического уравнения), действительные или комплексные, меньше единицы по абсолютной величине.

Устойчивость линейных матричных рекуррент первого порядка

В матричном разностном уравнении первого порядка

с вектором состояния и матрицей перехода асимптотически сходится к вектору установившегося состояния тогда и только тогда, когда все собственные значения матрицы перехода (действительные или комплексные) имеют абсолютное значение меньше 1.

Устойчивость нелинейных рекуррентов первого порядка.

Рассмотрим нелинейную рекуррентность первого порядка

Эта рекуррентность локально устойчива , что означает, что она сходится к фиксированной точке из точек, достаточно близких к , если наклон в окрестности меньше единицы по абсолютной величине: то есть,

Нелинейная рекуррентность может иметь несколько фиксированных точек, и в этом случае некоторые фиксированные точки могут быть локально стабильными, а другие локально нестабильными; для непрерывного f две соседние неподвижные точки не могут быть одновременно локально устойчивыми.

Нелинейное рекуррентное соотношение может также иметь цикл периода для . Такой цикл устойчив, то есть он привлекает набор начальных условий положительной меры, если сложная функция

с появляющимися временами локально устойчива по тому же критерию:

где находится любая точка цикла.

В хаотическом рекуррентном отношении переменная остается в ограниченной области, но никогда не сходится к фиксированной точке или притягивающему циклу; любые неподвижные точки или циклы уравнения неустойчивы. См. также логистическую карту , диадическую трансформацию и карту палаток .

Связь с дифференциальными уравнениями

При численном решении обыкновенного дифференциального уравнения обычно приходится сталкиваться с рекуррентным соотношением. Например, при решении задачи начального значения

с помощью метода Эйлера и размера шага вычисляются значения

из-за повторения

Системы линейных дифференциальных уравнений первого порядка можно дискретизировать точно аналитически, используя методы, показанные в статье о дискретизации .

Приложения

Математическая биология

Некоторые из наиболее известных разностных уравнений возникли в результате попытки смоделировать динамику населения . Например, числа Фибоначчи когда-то использовались в качестве модели роста популяции кроликов.

Логистическая карта используется либо непосредственно для моделирования роста населения, либо в качестве отправной точки для более детальных моделей динамики населения. В этом контексте связанные разностные уравнения часто используются для моделирования взаимодействия двух или более популяций . Например, модель Николсона-Бейли для взаимодействия хозяина и паразита имеет вид

с представлением хозяев и паразитов одновременно .

Интегроразностные уравнения представляют собой форму рекуррентного соотношения, важную для пространственной экологии . Эти и другие разностные уравнения особенно подходят для моделирования унивольтинных популяций.

Информатика

Рекуррентные соотношения также имеют фундаментальное значение при анализе алгоритмов . [4] [5] Если алгоритм спроектирован так, что он разбивает проблему на более мелкие подзадачи ( «разделяй и властвуй »), время его работы описывается рекуррентным соотношением.

Простой пример — время, необходимое алгоритму для поиска элемента в упорядоченном векторе с элементами, в худшем случае.

Наивный алгоритм будет искать слева направо, по одному элементу за раз. Наихудший возможный сценарий — когда требуемый элемент является последним, поэтому количество сравнений равно .

Лучший алгоритм называется двоичным поиском . Однако для этого требуется отсортированный вектор. Сначала он проверит, находится ли элемент в середине вектора. Если нет, то он проверит, больше или меньше средний элемент искомого элемента. На этом этапе половину вектора можно отбросить и снова запустить алгоритм на другой половине. Количество сравнений будет определяться выражением

временная сложность которого будет .

Цифровая обработка сигналов

В цифровой обработке сигналов рекуррентные отношения могут моделировать обратную связь в системе, где выходные данные в один момент времени становятся входными данными для будущего времени. Таким образом, они возникают в цифровых фильтрах с бесконечной импульсной характеристикой (БИХ) .

Например, уравнение для гребенчатого БИХ- фильтра задержки с «прямой связью» :

где вход в time , выход в time и контролирует, какая часть задержанного сигнала возвращается обратно на выход. Из этого мы можем видеть, что

и т. д.

Экономика

Рекуррентные соотношения, особенно линейные рекуррентные соотношения, широко используются как в теоретической, так и в эмпирической экономике. [6] [7] В частности, в макроэкономике можно разработать модель различных широких секторов экономики (финансовый сектор, товарный сектор, рынок труда и т. д.), в которой действия некоторых агентов зависят от запаздывающих переменных. Затем модель будет решена для текущих значений ключевых переменных ( процентная ставка , реальный ВВП и т. д.) с точки зрения прошлых и текущих значений других переменных.

Смотрите также

Рекомендации

Сноски

  1. ^ Джейкобсон, Натан, Основная алгебра 2 (2-е изд.), § 0.4. стр 16.
  2. ^ Уравнения в частных разностях, Суй Сунь Ченг, CRC Press, 2003, ISBN  978-0-415-29884-1
  3. ^ «Архивная копия» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 5 июля 2010 г. Проверено 19 октября 2010 г.{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link)
  4. ^ Кормен Т. и др., Введение в алгоритмы , MIT Press, 2009 г.
  5. ^ Р. Седжвик, Ф. Флажоле, Введение в анализ алгоритмов , Аддисон-Уэсли, 2013 г.
  6. ^ Стоки, Нэнси Л .; Лукас, Роберт Э. младший ; Прескотт, Эдвард К. (1989). Рекурсивные методы в экономической динамике. Кембридж: Издательство Гарвардского университета. ISBN 0-674-75096-9.
  7. ^ Юнгквист, Ларс ; Сарджент, Томас Дж. (2004). Рекурсивная макроэкономическая теория (второе изд.). Кембридж: MIT Press. ISBN 0-262-12274-Х.

Библиография

Внешние ссылки