差分方程及其应用(精)

差分方程及其应用在经济与管理及其它实际问题中，许多数据都是以等间隔时间周期统计的。例如，银行中的定期存款是按所设定的时间等间隔计息，外贸出口额按月统计，国民收入按年统计，产品的产量按月统计等等。这些量是变量，通常称这类变量为离散型变量。描述离散型变量之间的关系的数学模型成为离散型模型。对取值是离散化的经济变量，差分方程是研究他们之间变化规律的有效方法。本章介绍差分方程的基本概念、解的基本定理及其解法，与微分方程的基本概念、解的基本定理及其解法非常类似，可对照微分方程的知识学习本章内容。§1基本概念线性差分方程解的基本定理一、基本概念1、函数的差分对离散型变量，差分是一个重要概念。下面给出差分的定义。设自变量t取离散的等间隔整数值：，，，，210tty是t的函数，记作)(tfyt。显然，ty的取值是一个序列。当自变量由t改变到1t时，相应的函值之差称为函数)(tfyt在t的一阶差分，记作ty，即)()1(1tftfyyyttt。由于函数)(tfyt的函数值是一个序列，按一阶差分的定义，差分就是序列的相邻值之差。当函数)(tfyt的一阶差分为正值时，表明序列是增加的，而且其值越大，表明序列增加得越快；当一阶差分为负值时，表明序列是减少的。例如：设某公司经营一种商品，第t月初的库存量是)(tR，第t月调进和销出这种商品的数量分别是)(tP和)(tQ，则下月月初，即第1t月月初的库存量)1(tR应是)()()()1(tQtPtRtR，若将上式写作)()()()1(tQtPtRtR，则等式两端就是相邻两月库存量的改变量。若记))()1()(tRtRtR，并将理解为库存量)(tR是时间t的函数，则称上式为库存量函数)(tR在t时刻（此处t以月为单位）的差分。按一阶差分的定义方式，我们可以定义函数的高阶差分。函数)(tfyt在t的一阶差分的差分为函数在t的二阶差分，记作ty2，即)()()(11212ttttttttyyyyyyyytttyyy122。依次定义函数)(tfyt在t的三阶差分为tttttttyyyyyyy12212232)(ttttyyyy12333。一般地，函数)(tfyt在t的n阶差分定义为tntntntnyyyy1111）（nkkntkykknnn0!)1()1()1(。上式表明，函数)(tfyt在t的n阶差分是该函数的n个函数值，tntntyyy，，，1的线性组合。例1设322ttyt，求ty，ty2。解32)32(]3)1(2)1[(221tttttyyyttt。tttttyyyyy1222)(232]312)1[(2]3)2(2)2[(222tttttt）（。2、差分方程的基本概念先看例题。设0A是初始存款（0t时的存款），年利率)10(rr，如以复利计息，试确定t年末的本利和tA。在该问题中，如将时间t（t以年为单位）看作自变量，则本利和tA可看作是t的函数：)(tfAt。这个函数是要求的未知函数。虽然不能立即写出函数关系)(tfAt，但可以写出相邻两个函数值之间的关系式tttrAAA1，),2,1,0(r，（1-1）如写作函数)(tfAt在t的差分tttAAA1的形式，则上式为ttrAA，),2,1,0(r，（1-2）由（1-1）式可算出t年末的本利和为01ArAtt）（，),2,1,0(r。（1-3）在（1-1）式和（1-2）式中，因含有未知函数)(tfAt，所以这是一个函数方程；又由于在方程（1-1）中含有两个未知函数的函数值tA和1tA，在方程（1-2）中含有未知函数的差分tA，像这样的函数方程称为差分方程。在方程（1-2）中，仅含未知函数的函数值)(tfAt的一阶差分，在方程（1-1）中，未知函数的下标最大差数是1，即11tt）（，故方程（1-1）或方程（1-2）称为一阶差分方程。（1-3）式是tA在t之间的函数关系式，就是要求的未知函数，它满足差分方程（1-1）或（1-2），这个函数称为差分方程的解。由上例题分析，差分方程的基本概念如下：含有自变量，未知函数以及未知函数差分的函数方程，称为差分方程。由于差分方程中必须含有未知函数的差分（自变量、未知函数可以不显含），因此差分方程也可称为含有未知函数差分的函数方程。例如0332tyyyttt就是一个差分方程，按函数差分定义，任意阶的差分都可以表示为函数)(tfyt在不同点的函数值的线性组合，因此上差分方程又可分别表示为0512tyyyttt。正因如此，差分方程又可定义为含有自变量和多个点的未知函数值的函数方程称为差分方程。差分方程中实际所含差分的最高阶数，称为差分方程的阶数。或者说，差分方程中未知函数下标的最大差数，称为差分方程的阶数。上方程为二阶差分方程。n阶差分方程的一般形式可表示为0),,,,(2tntttyyyyt，（1-4）或0),,,(1ntttyyytF，（1-5）由于经济学中经常遇到是形如（1-5）式的差分方程，所以以后我们只讨论由（1-5）式的差分方程。若把一个函数)(tyt代入差分方程中，使其成为恒等式，则称)(tyt为差分方程的解。含有任意常数的个数等于差分方程的阶数的解，称为差分方程得通解；给任意常数以确定值的解，称为差分方程得特解。用以确定通解中任意常数的条件称为初始条件。一阶差分方程的初始条件为一个，一般是00ay（0a是常数）；二阶差分方程的初始条件为两个，一般是00ay，11ay（0a，1a是常数）；依次类推。二、线性差分方程解的基本定理现在我们来讨论线性差分方程解的基本定理，将以二阶线性差分方程为例，任意阶线性差分方程都有类似结论。二阶线性差分方程的一般形式）tfytbytayttt()()(12，（1-6）其中)(ta，)(tb和)(tf均为t的已知函数，且0)(tb。若0)(tf，则（1-6）式称为二阶非齐次线性差分方程；若0)(tf，则（1-6）式称为0)()(12tttytbytay，（1-7）定理1若函数)(1ty，)(2ty是二阶齐次线性差分方程（1-7）的解，则)()()(2211tyCtyCty，也该方程的解，其中1C、2C是任意常数。定理2(齐次线性差分方程解的结构定理)若函数)(1ty，)(2ty是二阶齐次线性差分方程（1-7）的线性无关特解，则)()()(2211tyCtyCtyC是该方程的通解，其中1C、2C是任意常数。定理3（非齐次线性差分方程解的结构定理）若)(*ty是二阶非齐次线性差分方程（1-6）的一个特解，)(tyC是齐次线性差分方程（1-7）的通解，则差分方程（1-6）的通解为)()(*tytyyCt。定理4(解的叠加原理)若函数)(*1ty，)(*2ty分别是二阶非齐次线性差分方程)()()(112tfytbytayttt与)()()(212tfytbytayttt的特解，则)()(*2*1tyty是差分方程)()()()(2112tftfytbytayttt的特解。§2一阶常系数线性差分方程的迭代解法一阶常系数线性差分方程的一般形式为)(1tfayytt，（2-1）其中常数0a，)(tf为t的已知函数，当)(tf不恒为零时，（2-1）式称为一阶非齐次差分方程；当0)(tf时，差分方程01ttayy。（2-2）称为与一阶非次线性差分方程对应的一阶齐次差分方程。下面给出差分方程（2-2）的迭代解法。一、求齐次差分方程的通解把方程（2-2）写作ttyay)(1，假设在初始时刻，即0t时，函数ty取任意常数C。分别以,2,1,0t代入上式，得,2,1,0)()()()(),()(020201taCyayaCyayaCyayttt，，最后一式就是齐次差分方程（2-2）的通解。特别地，当1a时，齐次差分方程（2-2）的通解为Cyt，,2,1,0t。二、求齐次线性差分方程的通解1、设btf)(为常数此时，非齐次差分方程（2-1）可写作byaytt)(1。分别以,2,1,0t代入上式，得])()()(1[)(])()(1[)()()](1[)()()(12020323021201tttaaabyayaabyabyayabyabyaybyay。（2-3）若1a，则由（2-3）式用等比级数求和公式，得aabyayttt1)(1)(0，,2,1,0t，或abaCababyayttt1)(1)1()(0，,2,1,0t，其中abyC10为任意常数。若1a，则由（2-3）式，得btCbtyyt0，,2,1,0t，其中0yC为任意常数。综上讨论，差分方程bayytt1的通解为。，1,1,1)(abtCaabaCyt（2-4）上述通解的表达式是两项之和，其中第一项是齐次差分方程（2-2）的通解，第二项是非齐次差分方程（2-1）的一个特解。这里，当1a时，由上式所确定的解序列)2,1(tyt的特性作两点说明：例1求解差分方程51321ttyy。解：由于32a，51b，531ab。由通解公式（2-4），差分方程的通解为53)32(ttCy，（C为任意常数）。2、)(tf为一般情况此时，非齐次差分方程可写作)()(1tfyaytt。分别以,2,1,0t代入上式，得。，，，)1()()()1()2()()1()()0()()()2()1(0()0()()()2()()1()0()()()1()()0()(1021020323021201ktfaaCtftfafafayayffafayafyayffayafyayfyaytkkttttt（2-5）其中0yC是任意常数。（2-5）式就是非齐次差分方程（2-1）的通解。其中第一项是齐次差分方程（2-2）的通解，第二项是非齐次线性差分方程（2-1）的一个特解。例1求差分方程tttyy21的通解。解由于1a，ttf2)(。由通解式（2-5）得非齐次线性差分方程的特解tttttkktkttkkty131231211)21(12)21(22)1()(1101110*，于是，所求通解为ttttttCCy231)1()1(31231)1(1。其中311CC为任意常数。§3常系数线性差分方程一、一阶常系数线性差分方程的解法一阶常系数线性差分方程的一般形式为)(1tfayytt，（3-1）与一阶非次线性差分方程对应的一阶齐次差分方程为01ttayy。（3-2）1、求齐次线性差分方程的通解为了求出一阶齐次差分方程（3-2）的通解，由上节定理2，只要求出其一非零的特解即可。注意到方程（3-2）的特点，1ty是ty的常数倍，而函数tt1恰满足这个特点。不妨设方程有形如下式的特解tty，其中是非零待定常数。将其代入方程（3-2）中，有01tta，即0)(at。由于0t，因此tty是方程（3-2）的解的充要条件是0a。所以a时，一阶齐次差分方程（2）的非零特解为ttay）（。从而差分方程（3-2）通解为tcaCy)(（C为任意常数）。称一次代数方程0a为差分方