求解线性递推关系

  • 相关概念
    线性递推关系:
    一个常系数的k阶线性齐次递推关系是形如

    an=c1an1+c2an2+...+ckank

    的递推关系,其中c1,c2,...,ck是实数且ck0。该定义中的递推关系是线性的,因为它的右边是序列前项的倍数。该递推关系是齐次的,因为所出现的各项都是aj的倍数。该递推关系各项的系数都是常数而不是依赖于n的函数。该递推关系的k,因为an由序列前面的k项来表示。
    特征方程:
    求解常系数线性齐次递推关系的基本方法是寻找形如an=rn的解。
    an=rn是递推关系an=c1an1+c2an2+...+ckank的解当且仅当
    rn=c1rn1+c2rn2+...+ckrnk

    方程两边同除rnk并移项可得
    rkc1rk1c2rk2...ck1rck=0

    上式称为该递推关系的特征方程。方程的解称为特征根。

  • 相关定理
    1.求解常系数线性齐次递推关系:
    【定理1】:设c1c2是实数。假设r2c1rc2=0有两个不相等的根r1r2,那么序列{an}是递推关系an=c1an1+c2an2的解,当且仅当an=α1rn1+α2rn2,n=0,1,2,...,其中α1α2是常数。
    【定理2】:设c1c2是实数,c20。假设r2c1rc2=0只有一个根r0。序列{an}是递推关系an=c1an1+c2an2的解,当且仅当an=α1rn0+α2nrn0,n=0,1,2,...,其中α1α2是常数。
    【定理3】:设c1,c2,...,ck是实数。假设特征方程

    rkc1rk1...ck=0

    k个不相等的根r1,r2,...,rk。那么序列{an}是递推关系
    an=c1an1+c2an2+...+ckank

    的解,当且仅当
    an=α1rn1+α2rn2+...+αkrnk

    n=0,1,2,....,α1,α2,...,αk
    是常数。
    【定理4(一般性结果)】:设c1,c2,...,ck是实数,假设特征方程式
    rkc1rk1...ck=0

    有t个不相等的根r1,r2,...,rt,其重数分别为m1,m2,...,mt,满足mi1,i=1,2,...t,且m1+m2+...+mk=k。那么序列{an}是递推关系
    an=c1an1+c2an2+...+ckank

    的解,当且仅当
    an=(α1,0+α1,1+...+α1,mi1nmi1+)rn1+(α2,0+α2,1+...+α2,mi1nmi1+)rn2+...+(αt,0+αt,1+...+αt,mt1nmt1+)rn1

    n=0,1,2,...,其中αi,j是常数,1it0jmi1
    2.求解常系数线性非齐次递推关系
    【定理5】:如果{a(p)n}是常系数非齐次线性递推关系
    an=c1an1+c2an2+...+ckank+F(n)

    的一个特解,那么每个解都是{a(p)n+a(h)n}的形式,其中{a(h)n}是相伴的齐次递推关系
    an=c1an1+c2an2+...+ckank

    的一个解。
    可见,求解常系数非齐次递推关系的关键是找一个特解。然后每个解都是这个特解与相伴的齐次递推关系的一个解的和。
    F(n)n的多项式与一个常数的n次幂之积时,我们就能知道一个特解恰好是什么形式。
    【定理6】:假设{an}满足线性非齐次递推关系
    an=c1an1+c2an2+...+ckank+F(n)

    其中c1,c2,...,ck是实数,且
    F(n)=(btnt+bt1nt1+...+b1n+b0)sn

    其中b0,b1,...,bts是实数。当s不是相伴的线性齐次递推关系的特征方程的根时,存在一个下述形式的特解
    (ptnt+pt1nt1+..+p1n+p0)sn

    s是特征方程的根且它的重数是m时,存在一个下述形式的特解
    nm(ptnt+pt1nt1+..+p1n+p0)sn


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