Разностные неоднородные уравнения второго порядка

Линейные неоднородные дифференциальные уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами

Данная статья раскрывает вопрос о решении линейных неоднородных дифференциальных уравнений второго порядка с постоянными коэффициентами. Будет рассмотрена теория вместе с примерами приведенных задач. Для расшифровки непонятных терминов необходимо обращаться к теме об основных определениях и понятиях теории дифференциальных уравнений.

Рассмотрим линейное дифференциальное уравнение (ЛНДУ) второго порядка с постоянными коэффициентами вида y » + p · y ‘ + q · y = f ( x ) , где произвольными числами являются p и q , а имеющаяся функция f ( х ) непрерывная на интервале интегрирования x .

Перейдем к формулировке теоремы общего решения ЛНДУ.

Теорема общего решения ЛДНУ

Общим решением, находящимся на интервале х , неоднородного дифференциального уравнения вида y ( n ) + f n — 1 ( x ) · y ( n — 1 ) + . . . + f 0 ( x ) · y = f ( x ) с непрерывными коэффициентами интегрирования на x интервале f 0 ( x ) , f 1 ( x ) , . . . , f n — 1 ( x ) и непрерывной функцией f ( x ) равняется сумме общего решения y 0 , которое соответствует ЛОДУ и каким-нибудь частным решением y

, где исходным неоднородным уравнением является y = y 0 + y

Отсюда видно, что решение такого уравнения второго порядка имеет вид y = y 0 + y

. Алгоритм нахождения y 0 рассмотрен в статье о линейных однородных дифференциальных уравнениях второго порядка с постоянными коэффициентами. После чего следует переходить к определению y

Выбор частного решения ЛНДУ зависит от вида имеющейся функции f ( x ) , располагающейся в правой части уравнения. Для этого необходимо рассмотреть отдельно решения линейных неоднородных дифференциальных уравнений второго порядка при постоянных коэффициентах.

Когда f ( x ) считается за многочлен n -ой степени f ( x ) = P n ( x ) , отсюда следует, что частное решение ЛНДУ находим по формуле вида y

= Q n ( x ) · x γ , где Q n ( x ) является многочленом степени n , r – это количество нулевых корней характеристического уравнения. Значение y

является частным решением y

= f ( x ) , тогда имеющиеся коэффициенты, которые определены многочленом
Q n ( x ) , отыскиваем при помощи метода неопределенных коэффициентов из равенства y

Вычислить по теореме Коши y » — 2 y ‘ = x 2 + 1 , y ( 0 ) = 2 , y ‘ ( 0 ) = 1 4 .

Решение

Иначе говоря, необходимо перейти к частному решению линейного неоднородного дифференциального уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами y » — 2 y ‘ = x 2 + 1 , которое будет удовлетворять заданным условиям y ( 0 ) = 2 , y ‘ ( 0 ) = 1 4 .

Общим решением линейного неоднородного уравнения является сумма общего решения, которое соответствует уравнению y 0 или частному решению неоднородного уравнения y

, то есть y = y 0 + y

Для начала найдем общее решение для ЛНДУ, а после чего – частное.

Перейдем к нахождению y 0 . Запись характеристического уравнения поможет найти корни. Получаем, что

k 2 — 2 k = 0 k ( k — 2 ) = 0 k 1 = 0 , k 2 = 2

Получили, что корни различные и действительные. Поэтому запишем

y 0 = C 1 e 0 x + C 2 e 2 x = C 1 + C 2 e 2 x .

. Видно, что правая часть заданного уравнения является многочленом второй степени, тогда один из корней равняется нулю. Отсюда получим, что частным решением для y

= Q 2 ( x ) · x γ = ( A x 2 + B x + C ) · x = A x 3 + B x 2 + C x , где значения А , В , С принимают неопределенные коэффициенты.

Найдем их из равенства вида y

Тогда получим, что:

‘ = x 2 + 1 ( A x 3 + B x 2 + C x ) » — 2 ( A x 3 + B x 2 + C x ) ‘ = x 2 + 1 3 A x 2 + 2 B x + C ‘ — 6 A x 2 — 4 B x — 2 C = x 2 + 1 6 A x + 2 B — 6 A x 2 — 4 B x — 2 C = x 2 + 1 — 6 A x 2 + x ( 6 A — 4 B ) + 2 B — 2 C = x 2 + 1

Приравняв коэффициенты с одинаковыми показателями степеней x , получим систему линейных выражений — 6 A = 1 6 A — 4 B = 0 2 B — 2 C = 1 . При решении любым из способов найдем коэффициенты и запишем: A = — 1 6 , B = — 1 4 , C = — 3 4 и y

= A x 3 + B x 2 + C x = — 1 6 x 3 — 1 4 x 2 — 3 4 x .

Эта запись называется общим решением исходного линейного неоднородного дифференциального уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами.

Для нахождения частного решения, которое удовлетворяет условиям y ( 0 ) = 2 , y ‘ ( 0 ) = 1 4 , требуется определить значения C 1 и C 2 , исходя из равенства вида y = C 1 + C 2 e 2 x — 1 6 x 3 + 1 4 x 2 + 3 4 x .

y ( 0 ) = C 1 + C 2 e 2 x — 1 6 x 3 + 1 4 x 2 + 3 4 x x = 0 = C 1 + C 2 y ‘ ( 0 ) = C 1 + C 2 e 2 x — 1 6 x 3 + 1 4 x 2 + 3 4 x ‘ x = 0 = = 2 C 2 e 2 x — 1 2 x 2 + 1 2 x + 3 4 x = 0 = 2 C 2 — 3 4

Работаем с полученной системой уравнений вида C 1 + C 2 = 2 2 C 2 — 3 4 = 1 4 , где C 1 = 3 2 , C 2 = 1 2 .

Применив теорему Коши, имеем, что

y = C 1 + C 2 e 2 x — 1 6 x 3 + 1 4 x 2 + 3 4 x = = 3 2 + 1 2 e 2 x — 1 6 x 3 + 1 4 x 2 + 3 4 x

Ответ: 3 2 + 1 2 e 2 x — 1 6 x 3 + 1 4 x 2 + 3 4 x .

Когда функция f ( x ) представляется в виде произведения многочлена со степенью n и экспоненты f ( x ) = P n ( x ) · e a x , тогда отсюда получаем, что частным решением ЛНДУ второго порядка будет уравнение вида y

= e a x · Q n ( x ) · x γ , где Q n ( x ) является многочленом n -ой степени, а r – количеством корней характеристического уравнения, равняющиеся α .

Коэффициенты, принадлежащие Q n ( x ) находятся по равенству y

Найти общее решение дифференциального уравнения вида y » — 2 y ‘ = ( x 2 + 1 ) · e x .

Решение

Уравнение общего вида y = y 0 + y

. Указанное уравнение соответствует ЛОДУ y » — 2 y ‘ = 0 . По предыдущему примеру видно, что его корни равняются k 1 = 0 и k 2 = 2 и y 0 = C 1 + C 2 e 2 x по характеристическому уравнению.

Видно, что правой частью уравнения является x 2 + 1 · e x . Отсюда ЛНДУ находится через y

= e a x · Q n ( x ) · x γ , где Q n ( x ) , являющимся многочленом второй степени, где α = 1 и r = 0 , потому как у характеристического уравнения отсутствует корень, равный 1 . Отсюда получаем, что

= e a x · Q n ( x ) · x γ = e x · A x 2 + B x + C · x 0 = e x · A x 2 + B x + C .

А , В , С являются неизвестными коэффициентами, которые можно найти по равенству y

‘ = e x · A x 2 + B x + C ‘ = e x · A x 2 + B x + C + e x · 2 A x + B = = e x · A x 2 + x 2 A + B + B + C y

‘ ‘ = e x · A x 2 + x 2 A + B + B + C ‘ = = e x · A x 2 + x 2 A + B + B + C + e x · 2 A x + 2 A + B = = e x · A x 2 + x 4 A + B + 2 A + 2 B + C

‘ = ( x 2 + 1 ) · e x ⇔ e x · A x 2 + x 4 A + B + 2 A + 2 B + C — — 2 e x · A x 2 + x 2 A + B + B + C = x 2 + 1 · e x ⇔ e x · — A x 2 — B x + 2 A — C = ( x 2 + 1 ) · e x ⇔ — A x 2 — B x + 2 A — C = x 2 + 1 ⇔ — A x 2 — B x + 2 A — C = 1 · x 2 + 0 · x + 1

Показатели при одинаковых коэффициентах приравниваем и получаем систему линейных уравнений. Отсюда и находим А , В , С :

— A = 1 — B = 0 2 A — C = 1 ⇔ A = — 1 B = 0 C = — 3

Ответ: видно, что y

= e x · ( A x 2 + B x + C ) = e x · — x 2 + 0 · x — 3 = — e x · x 2 + 3 является частным решением ЛНДУ, а y = y 0 + y = C 1 e 2 x — e x · x 2 + 3 — общим решением для неоднородного дифуравнения второго порядка.

Когда функция записывается как f ( x ) = A 1 cos ( β x ) + B 1 sin β x , а А 1 и В 1 являются числами, тогда частным решением ЛНДУ считается уравнение вида y

= A cos β x + B sin β x · x γ , где А и В считаются неопределенными коэффициентами, а r числом комплексно сопряженных корней, относящихся к характеристическому уравнению, равняющимся ± i β . В этом случае поиск коэффициентов проводится по равенству y

Найти общее решение дифференциального уравнения вида y » + 4 y = cos ( 2 x ) + 3 sin ( 2 x ) .

Решение

Перед написанием характеристического уравнения находим y 0 . Тогда

k 2 + 4 = 0 k 2 = — 4 k 1 = 2 i , k 2 = — 2 i

Имеем пару комплексно сопряженных корней. Преобразуем и получим:

y 0 = e 0 · ( C 1 cos ( 2 x ) + C 2 sin ( 2 x ) ) = C 1 cos 2 x + C 2 sin ( 2 x )

Корни из характеристического уравнения считаются сопряженной парой ± 2 i , тогда f ( x ) = cos ( 2 x ) + 3 sin ( 2 x ) . Отсюда видно, что поиск y

будет производиться из y

= ( A cos ( β x ) + B sin ( β x ) · x γ = ( A cos ( 2 x ) + B sin ( 2 x ) ) · x . Неизвестные коэффициенты А и В будем искать из равенства вида y

= cos ( 2 x ) + 3 sin ( 2 x ) .

‘ = ( ( A cos ( 2 x ) + B sin ( 2 x ) · x ) ‘ = = ( — 2 A sin ( 2 x ) + 2 B cos ( 2 x ) ) · x + A cos ( 2 x ) + B sin ( 2 x ) y

» = ( ( — 2 A sin ( 2 x ) + 2 B cos ( 2 x ) ) · x + A cos ( 2 x ) + B sin ( 2 x ) ) ‘ = = ( — 4 A cos ( 2 x ) — 4 B sin ( 2 x ) ) · x — 2 A sin ( 2 x ) + 2 B cos ( 2 x ) — — 2 A sin ( 2 x ) + 2 B cos ( 2 x ) = = ( — 4 A cos ( 2 x ) — 4 B sin ( 2 x ) ) · x — 4 A sin ( 2 x ) + 4 B cos ( 2 x )

Тогда видно, что

= cos ( 2 x ) + 3 sin ( 2 x ) ⇔ ( — 4 A cos ( 2 x ) — 4 B sin ( 2 x ) ) · x — 4 A sin ( 2 x ) + 4 B cos ( 2 x ) + + 4 ( A cos ( 2 x ) + B sin ( 2 x ) ) · x = cos ( 2 x ) + 3 sin ( 2 x ) ⇔ — 4 A sin ( 2 x ) + 4 B cos ( 2 x ) = cos ( 2 x ) + 3 sin ( 2 x )

Необходимо приравнять коэффициенты синусов и косинусов. Получаем систему вида:

— 4 A = 3 4 B = 1 ⇔ A = — 3 4 B = 1 4

= ( A cos ( 2 x ) + B sin ( 2 x ) · x = — 3 4 cos ( 2 x ) + 1 4 sin ( 2 x ) · x .

Ответ: общим решением исходного ЛНДУ второго порядка с постоянными коэффициентами считается

= = C 1 cos ( 2 x ) + C 2 sin ( 2 x ) + — 3 4 cos ( 2 x ) + 1 4 sin ( 2 x ) · x

Когда f ( x ) = e a x · P n ( x ) sin ( β x ) + Q k ( x ) cos ( β x ) , тогда y

= e a x · ( L m ( x ) sin ( β x ) + N m ( x ) cos ( β x ) · x γ . Имеем, что r – это число комплексно сопряженных пар корней, относящихся к характеристическому уравнению, равняются α ± i β , где P n ( x ) , Q k ( x ) , L m ( x ) и N m ( x ) являются многочленами степени n , k , т , m , где m = m a x ( n , k ) . Нахождение коэффициентов L m ( x ) и N m ( x ) производится, исходя из равенства y

Найти общее решение y » + 3 y ‘ + 2 y = — e 3 x · ( ( 38 x + 45 ) sin ( 5 x ) + ( 8 x — 5 ) cos ( 5 x ) ) .

Решение

По условию видно, что

α = 3 , β = 5 , P n ( x ) = — 38 x — 45 , Q k ( x ) = — 8 x + 5 , n = 1 , k = 1

Тогда m = m a x ( n , k ) = 1 . Производим нахождение y 0 , предварительно записав характеристическое уравнение вида:

k 2 — 3 k + 2 = 0 D = 3 2 — 4 · 1 · 2 = 1 k 1 = 3 — 1 2 = 1 , k 2 = 3 + 1 2 = 2

Получили, что корни являются действительными и различными. Отсюда y 0 = C 1 e x + C 2 e 2 x . Далее необходимо искать общее решение, исходя из неоднородного уравнения y

= e α x · ( L m ( x ) sin ( β x ) + N m ( x ) cos ( β x ) · x γ = = e 3 x · ( ( A x + B ) cos ( 5 x ) + ( C x + D ) sin ( 5 x ) ) · x 0 = = e 3 x · ( ( A x + B ) cos ( 5 x ) + ( C x + D ) sin ( 5 x ) )

Известно, что А , В , С являются коэффициентами, r = 0 , потому как отсутствует пара сопряженных корней, относящихся к характеристическому уравнению с α ± i β = 3 ± 5 · i . Данные коэффициенты находим из полученного равенства:

= — e 3 x ( ( 38 x + 45 ) sin ( 5 x ) + ( 8 x — 5 ) cos ( 5 x ) ) ⇔ ( e 3 x ( ( A x + B ) cos ( 5 x ) + ( C x + D ) sin ( 5 x ) ) ) » — — 3 ( e 3 x ( ( A x + B ) cos ( 5 x ) + ( C x + D ) sin ( 5 x ) ) ) = — e 3 x ( ( 38 x + 45 ) sin ( 5 x ) + ( 8 x — 5 ) cos ( 5 x ) )

Нахождение производной и подобных слагаемых дает

— e 3 x · ( ( 15 A + 23 C ) · x · sin ( 5 x ) + + ( 10 A + 15 B — 3 C + 23 D ) · sin ( 5 x ) + + ( 23 A — 15 C ) · x · cos ( 5 x ) + ( — 3 A + 23 B — 10 C — 15 D ) · cos ( 5 x ) ) = = — e 3 x · ( 38 · x · sin ( 5 x ) + 45 · sin ( 5 x ) + + 8 · x · cos ( 5 x ) — 5 · cos ( 5 x ) )

После приравнивания коэффициентов получаем систему вида

15 A + 23 C = 38 10 A + 15 B — 3 C + 23 D = 45 23 A — 15 C = 8 — 3 A + 23 B — 10 C — 15 D = — 5 ⇔ A = 1 B = 1 C = 1 D = 1

Из всего следует, что

= e 3 x · ( ( A x + B ) cos ( 5 x ) + ( C x + D ) sin ( 5 x ) ) = = e 3 x · ( ( x + 1 ) cos ( 5 x ) + ( x + 1 ) sin ( 5 x ) )

Ответ: теперь получено общее решение заданного линейного уравнения:

= = C 1 e x + C 2 e 2 x + e 3 x · ( ( x + 1 ) cos ( 5 x ) + ( x + 1 ) sin ( 5 x ) )

Алгоритм решения ЛДНУ

Любой другой вид функции f ( x ) для решения предусматривает соблюдение алгоритма решения:

• нахождение общего решения соответствующего линейного однородного уравнения, где y 0 = C 1 ⋅ y 1 + C 2 ⋅ y 2 , где y 1 и y 2 являются линейно независимыми частными решениями ЛОДУ, С 1 и С 2 считаются произвольными постоянными;
• принятие в качестве общего решения ЛНДУ y = C 1 ( x ) ⋅ y 1 + C 2 ( x ) ⋅ y 2 ;
• определение производных функции через систему вида C 1 ‘ ( x ) + y 1 ( x ) + C 2 ‘ ( x ) · y 2 ( x ) = 0 C 1 ‘ ( x ) + y 1 ‘ ( x ) + C 2 ‘ ( x ) · y 2 ‘ ( x ) = f ( x ) , а нахождение функций C 1 ( x ) и C 2 ( x ) посредствам интегрирования.

Найти общее решение для y » + 36 y = 24 sin ( 6 x ) — 12 cos ( 6 x ) + 36 e 6 x .

Решение

Переходим к написанию характеристического уравнения, предварительно записав y 0 , y » + 36 y = 0 . Запишем и решим:

k 2 + 36 = 0 k 1 = 6 i , k 2 = — 6 i ⇒ y 0 = C 1 cos ( 6 x ) + C 2 sin ( 6 x ) ⇒ y 1 ( x ) = cos ( 6 x ) , y 2 ( x ) = sin ( 6 x )

Имеем, что запись общего решения заданного уравнения получит вид y = C 1 ( x ) · cos ( 6 x ) + C 2 ( x ) · sin ( 6 x ) . Необходимо перейти к определению производных функций C 1 ( x ) и C 2 ( x ) по системе с уравнениями:

C 1 ‘ ( x ) · cos ( 6 x ) + C 2 ‘ ( x ) · sin ( 6 x ) = 0 C 1 ‘ ( x ) · ( cos ( 6 x ) ) ‘ + C 2 ‘ ( x ) · ( sin ( 6 x ) ) ‘ = 0 ⇔ C 1 ‘ ( x ) · cos ( 6 x ) + C 2 ‘ ( x ) · sin ( 6 x ) = 0 C 1 ‘ ( x ) ( — 6 sin ( 6 x ) + C 2 ‘ ( x ) ( 6 cos ( 6 x ) ) = = 24 sin ( 6 x ) — 12 cos ( 6 x ) + 36 e 6 x

Необходимо произвести решение относительно C 1 ‘ ( x ) и C 2 ‘ ( x ) при помощи любого способа. Тогда запишем:

C 1 ‘ ( x ) = — 4 sin 2 ( 6 x ) + 2 sin ( 6 x ) cos ( 6 x ) — 6 e 6 x sin ( 6 x ) C 2 ‘ ( x ) = 4 sin ( 6 x ) cos ( 6 x ) — 2 cos 2 ( 6 x ) + 6 e 6 x cos ( 6 x )

Каждое из уравнений следует проинтегрировать . Тогда запишем получившиеся уравнения:

C 1 ( x ) = 1 3 sin ( 6 x ) cos ( 6 x ) — 2 x — 1 6 cos 2 ( 6 x ) + + 1 2 e 6 x cos ( 6 x ) — 1 2 e 6 x sin ( 6 x ) + C 3 C 2 ( x ) = — 1 6 sin ( 6 x ) cos ( 6 x ) — x — 1 3 cos 2 ( 6 x ) + + 1 2 e 6 x cos ( 6 x ) + 1 2 e 6 x sin ( 6 x ) + C 4

Отсюда следует, что общее решение будет иметь вид:

y = 1 3 sin ( 6 x ) cos ( 6 x ) — 2 x — 1 6 cos 2 ( 6 x ) + + 1 2 e 6 x cos ( 6 x ) — 1 2 e 6 x sin ( 6 x ) + C 3 · cos ( 6 x ) + + — 1 6 sin ( 6 x ) cos ( 6 x ) — x — 1 3 cos 2 ( 6 x ) + + 1 2 e 6 x cos ( 6 x ) + 1 2 e 6 x sin ( 6 x ) + C 4 · sin ( 6 x ) = = — 2 x · cos ( 6 x ) — x · sin ( 6 x ) — 1 6 cos ( 6 x ) + + 1 2 e 6 x + C 3 · cos ( 6 x ) + C 4 · sin ( 6 x )

Ответ: y = y 0 + y

= — 2 x · cos ( 6 x ) — x · sin ( 6 x ) — 1 6 cos ( 6 x ) + + 1 2 e 6 x + C 3 · cos ( 6 x ) + C 4 · sin ( 6 x )

Разностные неоднородные уравнения второго порядка

Индивидуальные онлайн уроки: Отправьте запрос сейчас: irina@bodrenko.org
Математика (ЕГЭ, ОГЭ), Английский язык (разговорный, грамматика, TOEFL)
Решение задач: по математике, IT, экономике, психологии

Дифференциальные и разностные уравнения

Тема лекции: «Разностные (рекуррентные) уравнения второго порядка»

1. Линейные разностные уравнения k -го порядка.

2. Линейные разностные уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами.

3. Модели экономической динамики с дискретным временем.

1. ЛИНЕЙНЫЕ РАЗНОСТНЫЕ УРАВНЕНИЯ k -ГО ПОРЯДКА.

1.1. Определение разностного уравнения k -го порядка.

Теория разностных уравнений находит многообразные приложения во многих областях естествознания при моделировании поведения систем различной природы. Разностные уравнения обычно возникают тогда, когда рассматриваемая величина регистрируется через некоторые (как правило, равные) промежутки времени.

Например, так называемая паутинообразная модель рынка одного товара описывается разностным уравнением вида

где P_t — цена товара в период t , a и b — некоторые числа.

Уравнение (*) представляет собой линейное разностное уравнение первого порядка с постоянными коэффициентами.

В задачах описания, анализа и синтеза дискретных динамических систем управления математические модели таких систем описываются разнообразными разностными уравнениями.

В современной теории нелинейных колебаний разностные уравнения появляются либо самостоятельно, либо при переходе от дифференциальных уравнений к точечным отображениям Пуанкаре. Такой переход в трехмерном случае значительно упрощает исследование.

В математике основным источником разностных уравнений являются дифференциальные уравнения. Имеются в виду разностные схемы, используемые для приближенного решения дифференциальных уравнений.

Многие факты теории линейных дифференциальных уравнений верны и для линейных разностных уравнений, хотя есть и некоторые различия. Отличие разностных уравнений от дифференциальных уравнений проявляется в наибольшей степени, когда уравнения нелинейны. Например, поведение решений одномерных разностных уравнений может быть таким же сложным, как и поведение решений многомерных разностных уравнений. Для динамических систем, описываемых дифференциальными уравнениями, сложное поведение имеется лишь в пространствах большой размерности ( n > 3).

Приведем простейшие примеры разностных уравнений.

Разностное уравнение второго порядка

определяет признак арифметической прогрессии. Его решением является последовательность с общим членом

где a₁ — первый член арифметической прогрессии, и d – разность арифметической прогрессии.

определяет признак геометрической прогрессии, и его решением является последовательность с общим членом

где b₁ – первый член геометрической прогрессии, q – знаменатель геометрической прогрессии.

где k − фиксированное, а n − произвольное натуральное число, y_n , y_n+1 . y_n+k – члены некоторой числовой последовательности, называется разностным уравнением k-го порядка.

Решить разностное уравнение означает найти его общее решение, т.е. все последовательности y_n = y(n) , удовлетворяющие уравнению (1).

Разностные уравнения используются в моделях экономической динамики с дискретным временем, а также для приближенного решения дифференциальных уравнений.

Между теориями разностных и дифференциальных уравнений прослеживается определенная аналогия. Если в уравнении (1) произвести формальную замену:

то определение разностного уравнения преобразуется в общее определение обыкновенного дифференциального уравнения порядка k.

Проведя формальную замену (2), нетрудно получить нормальную форму записи разностного уравнения:

Аналогичным образом определяется и задача Коши – как задача нахождения решения уравнения (3), удовлетворяющего начальным условиям:

Ниже будет показано, что решения соответствующих классов дифференциальных и разностных уравнений (например, линейных) осуществляется схожими методами.

Теорема 1. Решение y_n = y(n) задачи Коши (3), (4) при n ≥ n₀ определено однозначно.

Доказательство. Подставляя значения для y(n₀) , y(n₀+1) , . , y (n₀+ k−1) из (4) в (3), мы находим y(n₀+k) . Это, в свою очередь, дает нам возможность определить y(n₀+k+1) .

Продолжая этот процесс, можно рекуррентным способом по формуле (3) найти любое значение y(n) при n ≥ n₀ . Теорема доказана.

Следует, однако, заметить, что нахождения общего решения разностного уравнения в отличие от задачи Коши является гораздо более сложной задачей.

1. 2. Линейные разностные уравнения k -го порядка.

Определение 2. Разностное уравнение вида

где a₀ ,a₁ . a_k , f − некоторые функции от n (a₀ ≠ 0, a_k ≠ 0), называется линейным разностным уравнением k-го порядка.

Условие a₀ ≠ 0 для всех n является существенным в определении линейного разностного уравнения первого порядка. Например, линейное разностное уравнение вида

не считается уравнением первого порядка, поскольку замена к+1 = m дает уравнение

которое условно можно назвать разностным уравнением нулевого порядка.

Введем следующее обозначение:

Это выражение называется линейным разностным оператором k-го порядка .

С учетом этих обозначений уравнение (6) может быть записано в виде:

называется линейным однородным разностным уравнением, соответствующим уравнению (7). Само же уравнение (7) (при f(n) ≠ 0) называется неоднородным .

Имеют место следующие утверждения.

Теорема 2 (об общем решении линейного неоднородного уравнения).

Общее решение линейного неоднородного разностного уравнения (7) есть сумма частного решения ȳ (n) этого уравнения и общего решения y ₀( n ) соответствующего ему однородного уравнения (8).

Теорема 3 (об общем решении линейного однородного уравнения).

Пусть у (1) (n), . у (k) (n) – система, состоящая из k линейно независимых решений линейного однородного разностного уравнения (8), тогда общее решение этого уравнения задается формулой:

Множество решений линейного однородного разностного уравнения k-го порядка образует k- мерное линейное пространство, а любой набор у (1) (n), . у (k) (n) из k линейно независимых решений (называемый фундаментальным набором) является его базисом.

Признаком линейной независимости решений у (1) (n), . у (k) (n) однородного уравнения является неравенство нулю определителя Казорати:

∆ = det y n (1) ⋯ y n ( k ) ⋮ ⋱ ⋮ y n + k (1) ⋯ y n + k ( k ) , (10)

который является аналогом определителя Вронского в теории обыкновенных дифференциальных уравнений.

1.3. Линейные однородные разностные уравнения с постоянными коэффициентами k -го порядка.

В случае, когда коэффициенты a₀ , a₁ . a_k являются постоянными, методы решения линейного однородного разностного уравнения

во многом аналогичны методам решения дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами.

Действительно, будем искать решения уравнения в виде:

где λ ≠ 0 – некоторая постоянная. Подставляя выражение для y_n из (12) в (11), находим:

a_k λ n + k + a_{k −1} λ n + k −1 + … + a ₁ λ n +1 + a ₀ λ n = 0 .

Разделим обе части этого уравнения на λ n , получим:

Уравнение (13) называется характеристическим уравнением однородного линейного разностного уравнения.

Так же, как и в случае линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами, знание корней характеристического уравнения, позволяет построить общее решение однородного разностного уравнения.

2. ЛИНЕЙНЫЕ РАЗНОСТНЫЕ УРАВНЕНИЯ ВТОРОГО ПОРЯДКА

С ПОСТОЯННЫМИ КОЭФФИЦИЕНТАМИ.

Рассмотрим линейное разностное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентами

Построим решения этого уравнения в зависимости от значения D = b 2 − 4 ac . Однако заметим, что полученные в этом случае результаты могут быть без труда перенесены на случай уравнений более высокого порядка.

В зависимости от значения дискриминанта

a λ 2 + b λ + c = 0 (15)

возможны следующие случаи.

Характеристическое уравнение (15) имеет два действительных и различных корня – λ₁ и λ₂ . Тогда λ₁ ≠ 0 и λ₂ ≠ 0 . Действительно, если хотя бы один корень равен нулю, то коэффициент приведенного квадратного уравнения (15`) c / a = λ₁ λ₂ также будет равен нулю, что противоречит определению линейного разностного уравнения второго порядка.

Корням λ₁ и λ₂ характеристического уравнения соответствуют два решения:

Покажем, что эти решения линейно независимы. Для этого вычислим определитель Казорати

∆ = det y n (1) ⋯ y n ( k ) ⋮ ⋱ ⋮ y n + k (1) ⋯ y n + k ( k )

В данном случае получим

∆ = λ 1 n λ 2 n λ 1 n +1 λ 2 n +1 = λ 1 n λ 2 n +1 — λ 2 n λ 1 n +1 = λ 1 n λ 2 n λ 2 — λ 1 .

Так как корни λ₁ и λ₂ различны, то λ₂ − λ₁ ≠ 0 , следовательно, ∆ ≠ 0 , а значит, решения линейно независимы.

В этом случае общее решение уравнения имеет вид:

где C₁ , C₂ – произвольные постоянные.

Решение примера 3.

Составим характеристическое уравнение, имеем:

Оно имеет два действительных различных корня: λ₁ = 1 , λ₂ = − 5 . Поэтому общее решение исходного уравнения в силу формулы (16) имеет вид:

Решение примера 4.

Составим характеристическое уравнение, имеем:

Оно имеет два действительных различных корня: λ₁ = 3 , λ₂ = 2 . Поэтому общее решение исходного уравнения в силу формулы (16) имеет вид:

Характеристическое уравнение имеет два комплексно сопряженных корня: λ₁ и λ₂ ,

которые, используя тригонометрическую форму записи, могут быть представлены следующим образом:

где r – модуль λ₁ , а φ – его аргумент:

Соответствующие решения разностного уравнения также комплексно сопряжены и на основании формулы Муавра имеют вид:

y (1) _n = r n (cos n φ + i sin n φ ) , y (2) _n = r n (cos n φ − i sin n φ ) .

Чтобы получить действительные решения, заменим y n ( 1 ) и y n ( 2 ) их линейными комбинациями:

Таким образом, мы получили два линейно независимых действительных решения:

z (1) _n = r n cos(n φ ) , z (2) _n = r n sin(n φ ) .

Таким образом, в данном случае общее решение имеет вид:

y(n) = r n ( C₁ cos (n φ )+ C₂ sin (n φ ) ) . (17)

Решение примера 5.

имеет два комплексно сопряженных корня –

которые могут быть записаны как:

λ ₁ = 2 (cos ( π /3) + i sin( π /3)), λ ₂ = 2 (cos ( π /3) – i sin( π /3))

Следовательно, общим решением исходного уравнения в силу формулы (17) будет:

Оба корня характеристического уравнения действительны и равны ( λ₁ = λ₂ = λ ) .

Покажем, что в этом случае кроме решения

существует еще одно решение, линейно независимое с y _n (1) .

Действительно, нетрудно убедится, что таковым является:

Сначала докажем, что y_n (2) является решением уравнения (14).

В самом деле, подставляя выражение для y_n (2) в уравнение (14) , получим:

a(n+2) λ n+2 + b(n+1) λ n+1 + cn λ n = λ n (a (n+2) λ 2 + b(n+1) λ + cn) =

= λ n (n (a λ 2 + b λ + c) + 2a λ 2 + b λ ) = 0

Последнее равенство получим в силу того, что aλ 2 + bλ + c = 0 и λ = − b /2 a .

Вычислим теперь определитель Казорати, мы имеем:

∆ = λ n n λ n λ n +1 ( n +1) λ n +1 = λ 2 n +1 ≠ 0 .

так как λ ≠ 0 . Следовательно, частные решения y_n (1) и y_n (2) линейно независимы, и общее решение уравнения (147) имеет вид:

Решение примера 6.

имеет единственный действительный корень

λ = − 3 . Следовательно, общее решение исходного уравнения таково:

Для нахождения решения неоднородного линейного разностного уравнения, так же как и в случае линейных дифференциальных уравнений, используется метод неопределенных коэффициентов, основанный на подборе частного решения неоднородного уравнения по виду правой части f(n) .

Проиллюстрируем нахождение решения неоднородного линейного разностного уравнения на примерах.

Решение примера 7.

Будем искать частное решение в виде:

Подставляя это выражение в наше уравнение (19), получим:

p (25 + 10 – 3)5 n = 64 ∙ 5 n .

Следовательно, p = 2, а значит, y*(n) = 2 ∙ 5 n .

Решая характеристическое уравнение

Общее решение однородного уравнения имеет вид:

Таким образом, общее решение неоднородного уравнения (19) имеет вид:

y( n +2) – 7y( n +1) + 10y( n ) = 4 ∙ 6 n . (20)

Решение примера 8.

Для нахождения общего решения соответствующего однородного уравнения составим характеристическое уравнение:

Для нахождения частного решения y*( n ) исходного уравнения воспользуемся методом неопределенных коэффициентов. Будем искать

Подставляя это выражение в данное уравнение (20), получим:

p6 n+2 –7 p6 n+1 + 10 p6 n = 4 ∙ 6 n .

p 6 n (36 – 42 +10) = 4 ∙ 6 n .

Следовательно, p = 1, а значит, частное решение уравнения (20) имеет вид:

Складывая общее решение соответствующего однородного уравнения и частное решение неоднородного уравнения (20), получаем общее решение уравнения:

y ( n ) = 6 n + С₁ 5 n + С₂ 2 n .

3. МОДЕЛИ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ДИНАМИКИ С ДИСКРЕТНЫМ ВРЕМЕНЕМ

3.1. Модель делового цикла Самуэльсона–Хикса

Рассмотрим пример, иллюстрирующий применение разностных уравнений второго порядка. Для этого мы рассмотрим модель делового цикла Самуэльсона – Хикса (динамический вариант модели Кейнса). Эта модель основывается на принципе акселерации, то есть на предположении, что объемы инвестирования прямо пропорциональны приросту национального дохода. Данное предположение характеризуется следующим уравнением:

где коэффициент V > 0 − фактор акселерации, I (t) – величина инвестиций в период t, Y (t−1) , Y (t−2) – величины национального дохода соответственно в (t−1) -м и (t−2) -м периодах.

Предполагается также, что спрос на данном этапе зависит от величины национального дохода на предыдущем этапе, то есть:

C(t) = aY(t−1) + b . (22)

Условие равенства спроса и предложения имеет вид:

Подставляя в (23) выражение для I (t) из (21) и выражение для C(t) из (22), находим:

Y(t) = (a+V)Y(t−1) − VY(t−2) + b . (24)

Уравнение (24) известно, как уравнение Хикса.

Если предположить, что на протяжении рассматриваемых периодов величины a и V постоянны, то уравнение Хикса представляет собой неоднородное линейное разностное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентами.

Мы можем легко найти частное решение уравнения (24), если положим, что:

Y (t) = Y(t−1) = Y(t−2) = Y* , (25)

т.е. использовав в качестве частного решения равновесное решение Y* = const .

Из (24) в силу (25) имеем:

Выражение (1−a) −1 в формуле (26) носит название мультипликатора Кейнса и является одномерным аналогом матрицы полных затрат.

Рассмотреть модель Самуэльсона–Хикса при условии, что

a = 0,5 ; V = 0,5; b = 4 .

Найти общее решение уравнения Хикса.

Решение примера 9.

В этом случае уравнение (24) принимает вид:

Y(t) − Y(t−1) + 0,5 Y(t−2) = 4 .

Его частным решением (в силу формулы (26)) будет:

Y * (t) = b /(1- a ) = 4/(1 — 0,5) = 8.

Найдем корни характеристического уравнения

λ _1,2 = (1 ± i)/2 = (1/ √ 2) (cos ( π /4) ± i sin ( π /4)) .

Таким образом, общим решением соответствующего однородного уравнения является:

Следовательно, общим решением уравнения будет:

В зависимости от значений а и V возможны четыре типа динамики. Она может быть растущей или затухающей и при этом иметь или не иметь колебательный характер. Так, в рассмотренном выше примере динамика носила колебательный характер с возрастающей амплитудой.

Рассмотреть модель Самуэльсона – Хикса при условии, что

a = 0,48, V = 0,72, b = 1,3.

Найти общее решение уравнения Хикса.

Решение примера 10.

В данном случае уравнение (24) имеет вид

Y(t) – 1,2Y (t−1) + 0,72 Y(t−2) = 1,3 .

Его частным решением (в силу формулы (26)) будет:

y * (t) = b /(1- a ) = 1,3/(1 — 0,48) = 2,5.

Напишем характеристическое уравнение:

λ 2 – 1,2 λ + 0,72 = 0 .

λ_1,2 = 0,6 ± 0,6 i = 0,6 √ 2 ( cos ( π /4) ± i sin ( π /4)).

Общее решение соответствующего однородного уравнения есть

Ŷ ₀( t ) = (0,6 √ 2) t ( С₁ cos ( t π/4) + С₂ sin (t π/4) ).

Получаем общее решение данного уравнения:

В рассмотренном примере динамика носит колебательный характер с затухающей амплитудой. Очевидно, при комплексных сопряженных корнях характеристического уравнения, по модулю превышающих единицу, динамика была бы растущей. Вообще,

в зависимости от значений a и V динамика может быть растущей или затухающей и при этом иметь или не иметь колебательный характер.

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

[1] Васенкова Е.К., Волкова Е.С, Шандра Е.Г. Математика для экономистов. Дифференциальные и разностные уравнения: Курс лекций. М.: Финансовая академия, 2003. 116 с.

[2] Клюшин В. Л. Высшая математика для экономистов: Учебное пособие. — М.: ИНФРА-М, 2009. — 448 с. — (Учебники РУДН).

[3] Красс М.С., Чупрынов Б.П. Основы математики и ее приложения в экономическом образовании: Учебник. — 2-е изд., испр. — М.: Дело, 2001. — 688 с.

[4] Ласунский А.В. Разностные уравнения: Конспект лекций. ФГБОУ ВПО «Новгородский государственный университет им. Ярослава Мудрого», Великий Новгород, 2011.– 62с.

[5] Романко В.К . Разностные уравнения. Учебное пособие. БИНОМ. Лаборатория знаний, 2006. — 112 с.

Решения разностных уравнений

Разностные уравнения для чайников

На этой странице мы рассмотрим примеры решения типовых задач, встречающихся в курсе дифференциальных и разностных уравнений, а именно нахождение общего или частного решения линейного разностного уравнения с постоянными коэффициентами. Чаще всего в контрольных встречаются уравнения второго или третьего порядка:

$$ a_0 y(x) + a_1 y(x+1) + a_2 y(x+2)=f(x), \\ a_0 y(x) + a_1 y(x+1) + a_2 y(x+2)+ a_3 y(x+3)=f(x). $$

Здесь $a_i$ — постоянные коэффициенты, $f(x)$ — правая часть (неоднородность уравнения), $y(x)$ — искомая неизвестная функция.

Решение разностных уравнений практически полностью аналогично решению линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами (см. тут примеры): ищется решение однородного уравнения через составление характеристического уравнения, и частное решение неоднородного уравнения по виду правой части.

Примеры решений разностных уравнений

Задача 1. Решить разностное уравнение: $y(x+2)-4y(x+1)+4y(x)=2^x$

Задача 2. Найти общее решение линейного разностного неоднородного уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами.

Задача 3. Решить разностное уравнение третьего порядка

$$ y(x+3)-16y(x+2)+83y(x+1)-140y(x)=0, \quad y(0)=3, y(1)=18, y(2)=120. $$

Задача 4. Найти частное решение однородного разностного уравнения:

Помощь с разностными уравнениями

Если вам нужна помощь с решением задач и контрольных по дифференциальным и разностным уравнениям (и другим разделам математического анализа), обращайтесь в МатБюро. Стоимость подробной консультации от 100 рублей , оформление производится в Word, срок от 1 дня.