离散 #离散#数学

10.线性递推

Shane Lorien

介绍如题的内容


毕业生的工作问题:

工作总数固定是 ,假设在某个领域每年每个教授教出一个毕业生,除了第一年。假设教师们不会退休(永生),什么时候 个职位会被填满?边界条件:一个教授在一开始被聘用。

记第 年有 个教授, 。没错,是个斐波那契数列。

线性递推

是指递推满足如下形式:

其中 是常数, 被称为阶数。 时称为齐次线性递推

如何求解呢,我们猜测 ,其中 是常数。代入递推式(斐波那契)化简得到:,这就能解出 的两个根,那么就有 。实际上,利用线性, 的任意线性组合也是解。为了确定他们的线性组合,就需要边界条件。例如 ,如此解出两个系数。 那么回到开头的问题:

对于一般的齐次线性递推,带入幂次猜测就有:

这被称为特征方程

如果没有重根,那么解的线性组合就是递推方程的解。具体可以通过边界条件确定系数。

如果存在重根呢,我们不加证明地给出结果:

假设 是特征方程的 重根,那么 都是递推方程的根,我们将他们作为等效的根进行线性组合也就得到了递推方程的解。这与微分方程一致。

Ex.考虑如下的递推:

那么特征方程就是

则是二重根,利用前面所说,根就由 构成,也就是

对于非齐次的情形,特征方程变成:

就回到了齐次的情形。与线性方程组/微分方程类似,我们

  • 首先求解 的情形得到通解

  • 然后带入 找到特解

  • 最后的结果形式由通解加特解确定,并通过边界条件确定系数。

Ex.考虑

首先扔掉 ,那么可以一眼看出 ,那么 就是通解 。 然后试着找特解,根据形式,我们猜 ,代入得到 ,那么特解就是 。 最后把通解加上特解得到, ,最后的系数则通过边界条件解出。

关于猜特解,就通过 猜,多项式就猜多项式,指数就猜指数……如果,例如 猜测 失败,就猜测 还不行再猜 ,往往能解决问题,