ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 03.04.2021

Просмотров: 609

Скачиваний: 1

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
background image

 

56 

3.2 

Линейные

 

рекуррентные

 

соотношения

  

с

 

постоянными

 

коэффициентами

 

 

Для

 

решения

 

рекуррентных

 

соотношений

 

общих

 

правил

 

не

 

существу

-

ет

Однако

 

существует

 

весьма

 

часто

 

встречающийся

 

класс

 

соотношений

решаемых

 

единообразным

 

методом

Это

 – 

рекуррентные

 

соотношения

 

вида

 

)

n

(

f

a

...

)

k

n

(

f

a

)

k

n

(

f

a

)

k

n

(

f

k

+

+

-

+

+

-

+

=

+

2

1

2

1

где

 

k

a

,...,

a

,

a

2

1

 – 

некоторые

 

числа

Такие

 

соотношения

 

называются

 

ли

-

нейными

 

рекуррентными

 

соотношениями

 

с

 

постоянными

 

коэффици

-

ентами

Рассмотрим

как

 

решаются

 

такие

 

соотношения

 

при

 

2

=

k

то

 

есть

 

изучим

 

соотношения

 

вида

 

1

2

(

2)

(

1)

( ).

f n

a f n

a f n

+

=

+ +

                                     (3) 

Решение

 

этих

 

соотношений

 

основано

 

на

 

следующих

 

двух

 

утвержде

-

ниях

1)

 

Если

 

)

n

(

f

1

 

и

 

)

n

(

f

2

 

являются

 

решениями

  

рекуррентного

 

соотноше

-

ния

  (3), 

то

 

при

 

любых

 

A

 

и

 

B

 

последовательность

 

)

n

(

Bf

)

n

(

Af

)

n

(

f

2

1

+

=

 

также

 

является

 

решением

 

этого

 

соотношения

В

 

самом

 

деле

по

 

условию

 

имеем

 

)

n

(

f

a

)

n

(

f

a

)

n

(

f

1

2

1

1

1

1

2

+

+

=

+

 

и

 

2

1 2

2 2

(

2)

(

1)

( ).

f n

a f n

a f n

 

 

 

Умножим

 

эти

 

равенства

 

на

 

A

 

и

 

B

 

соответственно

 

и

 

сложим

 

полу

-

ченные

 

тождества

Мы

 

получим

что

  

1

2

1

1

2

2

1

(

2)

(

2)

[

(

1)

(

1)]

[

( )

( )].

Af n

Bf n

a Af n

Bf n

a Af n

Bf n

+ +

+

=

+ +

+

+

+

+

 

Это

 

означает

что

 

)

n

(

Bf

)

n

(

Af

)

n

(

f

2

1

+

=

 

является

 

решением

 

нашего

 

соотношения

2)

 

Если

 

число

 

1

r

 

является

 

корнем

 

квадратного

 

уравнения

  

2

1

2

a

r

a

r

+

=

то

 

последовательность

   

,...

r

...,

,

r

,

r

,

n

1

1

2

1

1

1

-

 

является

 

решением

 

рекуррентного

 

соотношения

 

)

n

(

f

a

)

n

(

f

a

)

n

(

f

2

1

1

2

+

+

=

+

Наряду

 

с

 

последовательностью

 

{ }

1

1

-

n

r

 

любая

 

последовательность

 

вида

 

m

n

r

)

n

(

f

+

=

1

,   

1, 2, ...

n

=

 

также

 

является

 

решением

 

исследуемого

 

соотношения

.  

Из

 

утверждений

  1) 

и

  2) 

вытекает

 

следующее

 

правило

 

решения

 

ли

-

нейных

 

рекуррентных

 

соотношений

   

второго

 

порядка

 

с

 

постоянными

 

ко

-

эффициентами


background image

 

57 

Пусть

 

дано

 

рекуррентное

 

соотношение

 

1

2

(

2)

(

1)

( ).

f n

a f n

a f n

+

=

+ +

 

Составим

 

квадратное

 

уравнение

  

2

1

2

a

r

a

r

+

=

,                                             (4) 

которое

 

называется

 

характеристическим

 

для

 

данного

 

соотношения

Если

 

это

 

уравнение

 

имеет

 

два

 

различных

 

корня

 

1

r

 

и

 

2

r

то

 

общее

 

реше

-

ние

 

рекуррентного

 

соотношения

 

имеет

 

вид

  

2

2

2

1

1

1

-

-

+

=

n

n

r

C

r

C

)

n

(

f

Действительно

по

 

утверждению

 2) 

1

1

1

-

=

n

r

)

n

(

f

  

и

 

1

2

2

-

=

n

r

)

n

(

f

 

явля

-

ются

 

решениями

 

нашего

 

соотношения

По

 

утверждению

  1) 

и

 

2

2

2

1

1

1

-

-

+

=

n

n

r

C

r

C

)

n

(

f

 

является

 

его

 

решением

Надо

 

показать

что

 

любое

 

решение

 

соотношения

 

можно

 

записать

 

в

 

этом

 

виде

Но

 

любое

 

решение

 

ли

-

нейного

 

рекуррентного

 

соотношения

 

второго

 

порядка

 

определяется

 

значе

-

ниями

 

)

(

f

1

 

и

 

)

(

f

2

Поэтому

 

достаточно

 

показать

что

 

система

 

уравнений

 

î

í

ì

=

+

=

+

b

r

C

r

C

a

C

C

2

2

1

1

2

1

 

имеет

 

решение

 

при

 

любых

 

a

 

и

 

b

Этими

 

решениями

 

являются

  

.

r

r

b

ar

C

,

r

r

ar

b

C

2

1

1

2

2

1

2

1

-

-

=

-

-

=

 

Случай

когда

 

оба

 

корня

 

уравнения

 

2

1

2

a

r

a

r

+

=

 

совпадают

   

друг

 

с

 

другом

мы

 

разберем

 

несколько

 

позже

Рассмотрим

 

пример

При

 

изучении

 

чисел

 

Фибоначчи

 

мы

 

пришли

 

к

 

рекуррентному

 

соот

-

ношению

 

)

n

(

f

)

n

(

f

)

n

(

f

2

1

-

+

-

=

Для

 

него

 

характеристическое

 

уравнение

 

имеет

 

вид

  

1

2

+

=

r

r

Корнями

 

этого

 

квадратного

 

уравнения

 

являются

 

числа

 

.

r

,

r

2

5

1

2

5

1

1

1

-

=

+

=

 

Поэтому

 

общее

 

решение

 

соотношения

 

Фибоначчи

 

имеет

 

вид

 

n

n

C

C

)

n

(

f

÷÷

ø

ö

çç

è

æ -

+

÷÷

ø

ö

çç

è

æ +

=

2

5

1

2

5

1

2

1

 
 


background image

 

58 

3.3 

Случай

 

равных

 

корней

 

характеристического

 

уравнения

 

 

Остановимся

 

теперь

 

на

 

случае

когда

 

оба

 

корня

 

характеристического

 

уравнения

 

совпадают

2

1

r

r

=

В

 

этом

 

случае

 

выражение

 

1

2

2

1

1

1

-

-

+

n

n

r

C

r

C

 

уже

 

не

 

будет

 

общим

 

решением

Ведь

 

из

-

за

 

того

что

 

2

1

r

r

=

это

 

решение

 

можно

 

записать

 

в

 

виде

 

( ) (

)

.

Cr

r

C

C

n

f

n

n

1

1

1

1

2

1

=

-

=

+

=

 

У

 

нас

 

остается

 

только

 

одно

 

произвольное

 

постоянное

 

C

и

 

выбрать

 

его

 

так

чтобы

 

удовлетворить

 

двум

 

начальным

 

условиям

 

( )

( )

b

f

,

a

f

=

=

2

1

вообще

 

говоря

невозможно

Поэтому

 

надо

 

найти

 

какое

-

нибудь

 

второе

 

решение

 

отличное

 

от

 

( )

1

1

1

-

=

n

r

n

f

Оказывается

таким

 

решением

 

является

 

( )

1

1

2

-

=

n

nr

n

f

В

 

самом

 

деле

если

 

квадратное

 

уравнение

 

2

1

2

a

r

a

r

+

=

имеет

 

два

 

совпадающих

 

корня

 

2

1

r

r

=

то

 

по

 

теореме

 

Виета

 

2

1

2

1

1

2

r

a

,

r

a

-

=

=

Поэтому

 

наше

 

урав

-

нение

 

записывается

  

так

2

1

1

2

2

r

r

r

r

-

=

Тогда

 

рекуррентное

 

соотношение

 

имеет

 

такой

 

вид

(

)

(

)

( )

n

f

r

n

f

r

n

f

2

1

1

1

2

2

-

+

=

+

.                                     (5) 

Проверим

что

 

( )

1

1

2

-

=

n

nr

n

f

 

действительно

 

является

 

его

 

решением

Имеем

 

(

) (

)

1

1

2

2

2

+

+

=

+

n

r

n

n

f

а

 

(

) (

)

n

r

n

n

f

1

2

1

1

+

=

+

Подставляя

 

эти

 

значе

-

ния

 

в

 

соотношение

 (4), 

получаем

 

очевидное

 

тождество

 

(

)

(

)

1

1

1

1

1

1

1

2

2

+

+

+

-

+

=

+

n

n

n

nr

r

n

r

n

Значит

1

1

-

n

nr

 — 

решение

 

нашего

 

соотношения

Теперь

 

уже

 

знаем

 

два

 

решения

 

( )

1

1

1

-

=

n

r

n

f

 

и

 

( )

1

1

2

-

=

n

nr

n

f

 

заданного

 

соотношения

Его

 

общее

 

решение

 

пишется

 

так

( )

(

)

n

C

C

r

nr

C

r

C

n

f

n

r

n

n

2

1

1

1

1

2

1

1

1

+

=

+

=

-

-

-

Путем

 

подбора

 

1

C

 

и

 

2

C

 

можно

 

удовлетворить

 

любым

 

начальным

 

ус

-

ловиям

Линейные

 

рекуррентные

 

соотношения

 

с

 

постоянными

 

коэффициен

-

тами

порядок

 

которых

 

больше

 

двух

решаются

 

таким

 

же

 

способом

Пусть

 

соотношение

 

имеет

 

вид

 

(

)

(

)

( )

n

f

a

k

n

f

a

k

n

f

k

+

+

-

+

=

+

K

1

1

Составляем

 

характеристическое

 

уравнение

 

k

k

k

a

r

a

r

+

+

=

-

K

1

1

Если

 

все

 

корни

 

k

r

,

,

r

K

1

 

этого

 

алгебраического

 

уравнения

 

k

-

й

 

степе

-

ни

 

различны

то

 

общее

 

решение

 

имеет

 

вид

 

( )

1

1

2

2

1

1

1

-

-

-

+

+

+

=

n

k

k

n

n

r

C

r

C

r

C

n

f

K


background image

 

59 

Если

 

же

например

s

r

r

r

=

=

=

K

2

1

то

 

этому

 

корню

 

соответствуют

 

решения

 

( )

( )

( )

( )

1

1

1

1

1

2

3

1

1

2

1

1

1

-

-

-

-

-

=

=

=

=

n

s

s

n

n

n

r

n

n

f

,

,

r

n

n

f

,

nr

n

f

,

r

n

f

K

 

рассматриваемого

 

рекуррентного

 

соотношения

В

 

общем

 

решении

 

этому

 

корню

 

соответствует

 

часть

 

[

]

1

2

3

2

1

1

1

-

-

+

+

+

+

s

s

n

n

C

n

C

n

C

C

r

K

Составляя

 

такие

 

выражения

 

для

 

всех

 

корней

 

и

 

складывая

 

их

получа

-

ем

 

общее

 

решение

Например

решим

 

рекуррентное

 

соотношение

  

(

)

(

)

(

)

(

)

( )

n

f

n

f

n

f

n

f

n

f

8

1

4

2

6

3

5

4

+

+

-

+

-

+

=

+

Характеристическое

 

уравнение

 

имеет

 

здесь

 

вид

 

0

8

4

6

5

2

3

4

=

-

+

+

-

r

r

r

r

Решая

 

его

получаем

 

корни

 

.

r

,

r

,

r

,

r

1

2

2

2

4

3

2

1

-

=

=

=

=

 

Значит

общее

 

решение

 

нашего

 

соотношения

 

имеет

 

следующий

 

вид

( )

[

]

( )

1

4

2

3

2

1

1

1

2

-

-

-

+

+

+

=

n

n

C

n

C

n

C

C

n

f

 
 

ЗАДАЧИ

 

И

 

УПРАЖНЕНИЯ

 

 

1. 

Написать

 

первые

 

пять

 

членов

 

решения

 

рекуррентного

 

соотноше

-

ния

 

(

)

(

)

( )

n

f

n

f

n

f

3

1

2

2

-

+

=

+

удовлетворяющего

 

заданным

 

начальным

 

условиям

1)

 

 

( )
( )

1

0

;

2

1

f

f

=

ìï

í

=

ïî

  2) 

( )
( )

1

1

;

2

1

f

f

= -

ìï

í

=

ïî

  3)

 

( )
( )

1

3

;

2

0

f

f

=

ìï

í

=

ïî

 

4)

 

( )
( )

1

2

;

2

1

f

f

=

ìï

í

=

ïî

  5)

 

( )
( )

1 2

.

2

8

f

f

=

ìï

í

=

ïî

 

2. 

Проверить

являются

 

ли

 

данные

 

функции

 

решениями

 

данных

 

ре

-

куррентных

 

соотношений

 

1)

 

(

)

(

)

( )

( )

( )

( )

.

n

,

n

n

,

n

;

n

f

n

f

n

f

n

3

1

2

2

5

1

2

2

3

2

1

=

+

=

×

=

-

+

=

+

j

j

j

 

 

2)

 

(

)

(

)

( )

( )

( )

( )

7

1

3

5

2

3

1

4

2

3

2

1

=

-

×

=

=

-

+

=

+

n

,

n

,

n

n

;

n

f

n

f

n

f

n

j

j

j

 

 
 
 
 
 
 

3. 

Найти

 

общее

 

решение

 

рекуррентных

 

соотношений

1)

 

  (

2) 7 (

1) 12 ( ) 0;

f n

f n

f n

+ -

+ +

=

 

2)

 

 

0

10

1

3

2

=

-

+

+

+

)

n

(

f

)

n

(

f

)

n

(

f

3)

 

 

0

13

1

4

2

=

+

+

-

+

)

n

(

f

)

n

(

f

)

n

(

f


background image

 

60 

4)

 

 

0

9

2

=

+

+

)

n

(

f

)

n

(

f

5)

 

  (

2) 4 (

1) 4 ( ) 0;

f n

f n

f n

+ +

+ +

=

 

6)

 

 

(

)

(

)

(

)

( )

3

9

2

26

1

24

0;

f n

f n

f n

f n

+ -

+

+

+ -

=

 

7)

 

 

(

)

(

)

(

)

( )

3

3

2

3

1

0;

f n

f n

f n

f n

+ +

+

+

+ +

=

 

8)

 

 

(

)

( )

.

n

f

n

f

0

4

4

=

+

+

 

 

4. 

Найти

 

( )

n

f

зная

 

рекуррентное

 

соотношение

 

и

 

начальные

 

члены

1)

 

 

 

 

2

5

1

6

0,

1

1,

2

7;

f n

f n

f n

f

f

 

 



 

2)

 

 

 

 

2

4

1

4

0,

1

2,

2

4;

f n

f n

f n

f

f

 

 

 

3)

 

 

 

 

1

1

2

1

0,

1

,

2

;

4

2

f n

f n

f n

f

f

 

 





 

4)

 

(

)

(

)

( )

( )

( )

;

f

;

f

;

n

f

n

f

n

f

4

2

2

1

1

2

2

=

=

-

+

=

+

 

5)

 

(

)

(

)

( )

( )

( )

;

f

;

f

;

n

f

n

f

n

f

5

2

1

1

5

1

4

2

=

=

+

+

=

+

 

6)

 

(

)

(

)

( )

( )

( )

;

f

;

f

;

n

f

n

f

n

f

3

2

0

1

9

1

6

2

=

=

-

+

=

+

 

7)

 

(

)

( )

(

)

( )

( )

;

f

;

f

;

n

f

n

f

n

f

2

2

1

1

1

2

2

=

=

+

-

=

+

 

8)

 

 

2

8

1 ;

1

4.

f n

f n

f

 

 

 
 
5. 

Привести

 

пример

 

линейного

 

рекуррентного

 

соотношения

 2-

го

 

по

-

рядка

среди

 

решений

 

которого

 

имеются

 

следующие

 

функции

 

1)

 

( )

;

n

n

3

=

j

 

2)

 

( )

3 2

5 ;

n

n

n

j

= ×

-

 

3)

 

( )

;

n

n

1

2

-

=

j

 

4)

 

( )

17.

n

n

j

= -

 

 
 
6.

 

 

Найти

 

такую

 

последовательность

что

 

a

a

2

2

1

cos

)

(

f

,

cos

)

(

f

=

=

и

  

0

1

2

2

=

+

+

-

+

)

n

(

f

)

n

(

f

cos

)

n

(

f

a

 

7. 

Найти

 

последовательность

 

такую

что

  

n

)

n

(

f

)

n

(

f

)

n

(

f

2

8

1

2

2

=

-

+

+

+

 

8. 

Проанализировать

 

рекуррентное

 

соотношение

  (3), 

если

 

известно

что

 

один

 

из

 

корней

 

характеристического

 

уравнений

 (4) 

равен

 

нулю

Каков

 

порядок

 

этого

 

рекуррентного

 

соотношения

Доказать

что

 

его

 

общее

 

ре

-

шение

 

в

 

данном

 

случае

 

имеет

 

вид

(

)

n

a

C

C

,

n

1

1

=

j

Что

 

можно

 

сказать

 

о

 

ре

-

шении

 

рекуррентного

 

соотношения

 (3), 

если

 

оба

 

корня

 

характеристическо

-

го

 

уравнения

 (4) 

равны

 

нулю