stringtranslate.com

Рекуррентное соотношение

В математике рекуррентное соотношение — это уравнение , согласно которому -й 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 соотношения. Если значения первых чисел в последовательности были даны, то остальную часть последовательности можно вычислить, многократно применяя уравнение.

В линейных рекуррентах n - й член приравнивается к линейной функции предыдущих членов. Известным примером является рекуррентность для чисел Фибоначчи , где порядок равен двум, а линейная функция просто складывает два предыдущих члена. Этот пример представляет собой линейную рекуррентность с постоянными коэффициентами , поскольку коэффициенты линейной функции (1 и 1) являются константами, не зависящими от Для этих рекуррент можно выразить общий член последовательности как выражение в замкнутой форме . Кроме того, линейные рекуррентности с полиномиальными коэффициентами, зависящими от, также важны, поскольку многие общие элементарные и специальные функции имеют ряд Тейлора , коэффициенты которого удовлетворяют такому рекуррентному соотношению (см. голономную функцию ).

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

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

Определение

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

где

— это функция, где X — это множество, которому должны принадлежать элементы последовательности. Для любого это определяет уникальную последовательность с первым элементом, называемым начальным значением . [1]

Определение легко модифицировать для получения последовательностей, начинающихся с члена с индексом 1 или выше.

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

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

Примеры

Факториал

Факториал определяется рекуррентным соотношением

и начальное состояние

Это пример линейной рекуррентности с полиномиальными коэффициентами порядка 1, с простым полиномом (в n )

как его единственный коэффициент.

Логистическая карта

Примером рекуррентного отношения является логистическое отображение , определяемое формулой

для заданной константы Поведение последовательности существенно зависит от начальных условий, но остается стабильным, когда они изменяются.

Числа Фибоначчи

Рекуррентность второго порядка, которой удовлетворяют числа Фибоначчи, является каноническим примером однородного линейного рекуррентного соотношения с постоянными коэффициентами (см. ниже). Последовательность Фибоначчи определяется с помощью рекуррентности

с начальными условиями

Явно, повторение дает уравнения

и т. д.

Получаем последовательность чисел Фибоначчи, которая начинается

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

Рекуррентное уравнение можно решить с помощью методов, описанных ниже, что дает формулу Бине , которая включает степени двух корней характеристического многочлена ; производящая функция последовательности является рациональной функцией

Биномиальные коэффициенты

Простой пример многомерного рекуррентного соотношения 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 генерирует бесконечный массив, называемый треугольником Паскаля . Те же значения можно также вычислить напрямую с помощью другой формулы, которая не является рекуррентной, но использует факториалы , умножение и деление, а не только сложения:

Биномиальные коэффициенты также можно вычислить с помощью одномерной рекуррентности:

с начальным значением (Деление не отображается как дробь, чтобы подчеркнуть, что оно должно быть вычислено после умножения, чтобы не вводить дробные числа). Эта рекуррентность широко используется в компьютерах, поскольку она не требует построения таблицы, как двумерная рекуррентность, и не включает очень большие целые числа, как формула с факториалами (если использовать все задействованные целые числа, то они будут меньше конечного результата).

Разностный оператор и разностные уравнения

TheОператор разности — этооператор, который отображаетпоследовательностив последовательности и, в более общем смысле,функциив функции. Он обычно обозначаетсяи определяется вфункциональной нотациикак

Таким образом, это частный случай конечной разности .

При использовании индексной записи для последовательностей определение становится

Скобки вокруг и обычно опускаются и должны пониматься как член индекса n в последовательности , а не применяться к элементу

Приведенная последовательностьПервое отличиеaравно

TheВторое отличие : Простой расчет показывает, что

В более общем случае: k -я разность определяется рекурсивно как и имеем

Это отношение можно инвертировать, получив

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

Два приведенных выше соотношения позволяют преобразовать рекуррентное соотношение порядка k в разностное уравнение порядка k и, наоборот, разностное уравнение порядка k в рекуррентное соотношение порядка k . Каждое преобразование является обратным другому, и последовательности, являющиеся решением разностного уравнения, — это в точности те, которые удовлетворяют рекуррентному соотношению.

Например, разностное уравнение

эквивалентно рекуррентному соотношению

в том смысле, что оба уравнения удовлетворяются одними и теми же последовательностями.

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

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

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

От последовательностей к сеткам

Одномерные или одномерные рекуррентные соотношения описывают последовательности (т. е. функции, определенные на одномерных сетках). Многомерные или n-мерные рекуррентные соотношения описывают -мерные сетки. Функции, определенные на -сетках, также можно изучать с помощью уравнений в частных разностях. [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 метод решения этой проблемы: [3]

Позволять

Затем

Если применить формулу к и взять предел , то 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 обобщенного гипергеометрического ряда . Их частные случаи приводят к рекуррентным соотношениям для ортогональных многочленов и многих специальных функций . Например, решение

дается

функция Бесселя , в то время как

решается путем

конфлюэнтный гипергеометрический ряд . Последовательности, которые являются 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

Рациональное разностное уравнение первого порядка имеет вид . Такое уравнение можно решить, записав как нелинейное преобразование другой переменной , которая сама по себе развивается линейно. Затем можно использовать стандартные методы для решения линейного разностного уравнения в .

Стабильность

Устойчивость линейных рекуррент высшего порядка

Линейная рекуррентность порядка ,

имеет характеристическое уравнение

Рекуррентность является устойчивой , что означает, что итерации асимптотически сходятся к фиксированному значению тогда и только тогда, когда собственные значения (т. е. корни характеристического уравнения), будь то действительные или комплексные, все 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 стационарного состояния тогда и только тогда, когда все собственные значения матрицы перехода (действительные или комплексные) имеют абсолютное значение , меньшее 1.

Устойчивость нелинейных рекуррентных соотношений 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,

Нелинейное повторение может иметь несколько неподвижных точек, и в этом случае некоторые неподвижные точки могут быть локально устойчивыми, а другие — локально неустойчивыми; для непрерывного f две соседние неподвижные точки не могут быть обе локально устойчивыми.

Нелинейное рекуррентное соотношение также может иметь цикл периода для . Такой цикл является устойчивым, что означает, что он притягивает набор начальных условий положительной меры, если составная функция

с появляющимися временами локально устойчиво 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 фиксированные точки или циклы уравнения нестабильны. См. также логистическое отображение , диадическое преобразование и тентовое отображение .

Связь с дифференциальными уравнениями

При численном решении обыкновенного дифференциального уравнения обычно встречается рекуррентное соотношение. Например, при решении задачи начального значения

с помощью метода Эйлера и размера шага вычисляются значения

по повторению

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

Приложения

Математическая биология

Некоторые из самых известных дифференциальных уравнений берут свое начало в попытке смоделировать динамику популяции . Например, числа Фибоначчи когда-то использовались в качестве модели роста популяции кроликов.

Логистическая карта используется либо напрямую для моделирования роста популяции, либо в качестве отправной точки для более подробных моделей динамики популяции. В этом контексте уравнения связанных разностей часто используются для моделирования взаимодействия двух или более популяций . Например, модель Николсона–Бейли для взаимодействия хозяина и паразита задается как

с представлением хозяев и паразитов в определенный момент времени .

Интегроразностные уравнения являются формой рекуррентного соотношения, важного для пространственной экологии . Эти и другие разностные уравнения особенно подходят для моделирования унивольтинных популяций.

Информатика

Рекуррентные соотношения также имеют фундаментальное значение в анализе алгоритмов . [4] [5] Если алгоритм разработан таким образом, что он разбивает задачу на более мелкие подзадачи ( разделяй и властвуй ), время его выполнения описывается рекуррентным соотношением.

Простым примером является время, которое требуется алгоритму для нахождения элемента в упорядоченном векторе с элементами в худшем случае.

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

Лучший алгоритм называется двоичным поиском . Однако он требует отсортированного вектора. Сначала он проверит, находится ли элемент в середине вектора. Если нет, то он проверит, больше или меньше ли средний элемент искомого элемента. На этом этапе половину вектора можно отбросить, а алгоритм можно снова запустить на другой половине. Количество сравнений будет задано как

временная сложность которого составит .

Цифровая обработка сигнала

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

Например, уравнение для гребенчатого фильтра задержки с прямой связью (БИХ) выглядит следующим образом:

где есть вход в момент времени , есть выход в момент времени , и контролирует, какая часть задержанного сигнала возвращается обратно в 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, сектор товаров, рынок труда и т. д.), в которых некоторые действия агентов зависят от запаздывающих переменных. Затем модель будет решена для текущих значений ключевых переменных ( процентная ставка , реальный ВВП и т. д.) в терминах прошлых и текущих значений других переменных.

Смотрите также

Ссылки

Сноски

  1. Якобсон, Натан, Основы алгебры 2 (2-е изд.), § 0.4. стр. 16.
  2. ^ Уравнения в частных разностях, Суй Сун Ченг, CRC Press, 2003, ISBN  978-0-415-29884-1
  3. ^ "Архивная копия" (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 2010-07-05 . Получено 2010-10-19 .{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link)
  4. ^ Кормен, Т. и др., Введение в алгоритмы , MIT Press, 2009
  5. ^ Р. Седжвик, Ф. Флажоле, Введение в анализ алгоритмов , Эддисон-Уэсли, 2013
  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. ^ Льюнгквист, Ларс ; Сарджент, Томас Дж. (2004). Рекурсивная макроэкономическая теория (второе изд.). Кембридж: MIT Press. ISBN 0-262-12274-X.

Библиография

Внешние ссылки