差分方程模型

差分方程模型一、差分方程简介以t表示时间，规定t只取非负整数。t=0表示第一周期初，t=1表示第二周期初等。记yt为变量y在时刻t时的取值，则称为yt的一阶差分，称为的二阶差分。类似地，可以定义yt的n阶差分。由t、yt及yt的差分给出的方程称为yt差分方程，其中含的最高阶差分的阶数称为该差分方程的阶。差分方程也可以写成不显含差分的形式。例如，二阶差分方程也可改写成tttyyy1tttttttyyyyyyy12122)(02tttyyy012tttyyy满足一差分方程的序列yt称为此差分方程的解。类似于微分方程情况，若解中含有的独立常数的个数等于差分方程的阶数时，称此解为该差分方程的通解。若解中不含任意常数，则称此解为满足某些初值条件的特解，例如，考察两阶差分方程02ttyy易见2sintyt与2costyt均是它的特解，而tctcyt2sin2sin21则为它的通解，其中c1，c2为两个任意常数。类似于微分方程，称差分方程)()()()(110tbytaytaytatnntnt为n阶线性差分方程，当≠0时称其为n阶非齐次线性差分方程，而)(tb0)()()(110tnntntytaytayta则被称为方程对应的齐次线性差分方程。若所有的ai(t)均为与t无关的常数，则称其为常系数差分方程，即n阶常系数线性差分方程可分成)(110tbyayayatntntn（1）的形式，其对应的齐次方程为0110tntntnyayaya（2）)2(2)1(1tttycycy)1(ty)2(ty容易证明，若序列与均为方程（2）的解，则也是方程（2）的解，其中c1、c2为任意常数，这说明，齐次方程的解构成一个线性空间（解空间）。方程（1）可用如下的代数方法求其通解：（步一）先求解对应的特征方程0110nnnaaa（3）（步二）根据特征根的不同情况，求齐次方程(2)的通解情况1若特征方程（3）有n个互不相同的实根1,…,n，则齐次方程（2）的通解为tnntCC11(C1,…,Cn为任意常数)，iC情况2若λ是特征方程（3）的k重根，通解中对应于λ的项为tkktCC)(11为任意常数，i=1,…,k。情况3若特征方程（3）有单重复根ia通解中对应它们的项为ttttsinCcosC2122为λ的模，arctan为λ的幅角。情况4若ia为特征方程（3）的k重复根，则通解对应于它们的项为tttttktksin)CC(cos)CC(12k1k1k1iC为任意常数，i=1,…,2k。ty.若yt为方程(2)的通解,则非齐次方程(1)的通解为（步三）求非齐次方程(1)的一个特解ttyy求非齐次方程（1）的特解一般要用到常数变易法，计算较繁。对特殊形式的b(t)也可使用待定系数法。例1求解两阶差分方程tyytt2解对应齐次方程的特征方程为012，其特征根为i2,1，对应齐次方程的通解为tCtCyt2sin2cos21原方程有形如bat的特解。代入原方程求得21a，21b，故原方程的通解为21212sin2cos21ttCtC在应用差分方程研究问题时，一般不需要求出方程的通解，在给定初值以后，通常可用计算机迭代求解，但我们常常需要讨论解的稳定性。对差分方程(1),若不论其对应齐次方程的通解中任意常数C1,…,Cn如何取值,在时总有,则称方程(3)的解是稳定的,否则称其解为不稳定的.根据通解的结构不难看出,非齐次方程(1)稳定的充要条件为其所有特征根的模均小于1。t0ty三、差分方程的平衡点及稳定性1．一阶线性常系数差分方程的平衡点及稳定性一阶线性常系数差分方程xk+1+axk=b,k=0,1,2,…（1）的平衡点由x+ax=b解得，为，当时，若xkx*，则x*是稳定的。方程（1）的平衡点的稳定性问题可以通过变量代换转换为齐次方程xk+1+axk=0,k=0,1,2…(2)abx1k的平衡点x*=0的稳定性问题。而对于方程（2），其解可以表示为xk=(-a)kx0,k=1,2,…(3)所以当且仅当|a|1时，方程（2）（从而方程（1））的平衡点是稳定的。对于n维向量x(k)和n*n常数矩阵A构成的方程组x(k+1)+Ax(k)=0其平衡点稳定的条件是A的特征根λi,I=1,2,…，均有|λi|1。2．二阶线性差分方程的平衡点及稳定性考察二阶线性差分方程xk+a1xk+1+a2xk+2=0(4)在平衡点x*=0的稳定性。为求（4）的通解，先写出他的特征方程记它的根为λ1，λ2，则（4）的通解可以表示为，其中常数c1,c2由初始条件x0,x1确定，从而可知，当且仅当|λ1|1,|λ2|1时方程（4）的平衡点是稳定的。0212aakkkccx22113一阶非线性差分方程的平衡点及稳定性考察一阶非线性差分方程xk+1=f(xk)(7)的平衡点的稳定性。其平衡点x*由x=f(x)解出。将（7）的右端在x*点做泰勒展开，只取一次项，则（7）可以近似为：（8）x*也是（8）的平衡点。线性方程（8）的平衡点的稳定性讨论同（1），而当|f’(x*)|≠1时（7）与（8）的平衡点的稳定性相同。从而有：当|f’(x*)|1时，方程（7）的平衡点是稳定的；当|f’(x*)|1时，方程（7）的平衡点是不稳定的。*)(*)*)(('1xfxxxfxkk例1（市场经济的蛛网模型）在自由竞争的市场经济中，商品的价格是由市场上该商品的供应量决定的，供应量越大，价格就越低。另一方面，生产者提供的商品数量又是由该商品的价格决定的，价格上升将刺激生产者的生产积极性，导致商品生产量的增加。反之，价格降低会影响生产者的积极性，导致商品生产量的下降。在市场经济中，对每一商品事实上存在着两个不同的函数：（1）供应函数x=f(P)，它是价格P的单增函数，其曲线称为供应曲线。（2）需求函数x=g(P)，它是价格P的单降函数，其曲线称为需求曲线，供应曲线与需求曲线的形状如图所示。记t时段初市场上的供应量(即上一时段的生产量)为xt，市场上该商品的价格为Pt。商品成交的价格是由需求曲线决定的，即)(1ttxgP随着t,Mt将趋于平衡点M*,即商品量将趋于平衡量x*,价格将趋于平衡价格P*。图中的箭线反映了在市场经济下该商品的供应量与价格的发展趋势。xoPP0P2P*P1xx1x2x0x*需求曲线供应曲线M0M2M1M*①PoM3M2M1②如果供应曲线和需求曲线呈图①中的形状，则平衡点M*是稳定的，Mt将越来越远离平衡点。图①和图②的区别在哪里，如何判定平衡点的稳定性呢？但是，如果供应曲线和需求曲线呈图②中的形状，则平衡点M*是不稳定的，Mt将越来越远离平衡点。即使初始时刻的供应量和价格对应于平衡点，一点微小的波动也会导致市场供求出现越来越大的混乱。上述用图示法分析市场经济稳定性的讨论在经济学中被称为市场经济的蛛网模型。不难看出，在图①中平衡点M*处供应曲线的切线斜率大于需求曲线切线斜率的绝对值，而在图②中情况恰好相反。现在利用差分方程方法来研究蛛网模型，以验证上述猜测是否正确。我们知道，平衡点M*是否稳定取决于在M*附近供、需曲线的局部性态。为此，用M*处供、需曲线的线性近似来代替它们，并讨论此线性近似模型中M*的稳定性。设供应曲线与需求曲线的线性近似分别为)(**xxaPP和)(**xxbPP式中，a、b分别为供应曲线在M*处的切线斜率与需求曲线在M*处切线斜率的绝对值。根据市场经济的规律，当供应量为xt时，现时段的价格)(**1xxbPPtt，又对价格1tP，由供应曲线)(*1*1xxaPPtt解得下一时段的商品量])([1)(1*****1*1PxxbPaxPPaxxttt)(**xxabxt由此导出一阶差分方程：*11xabxabxtt（4）此差分方程的解在(b/a)1时是稳定的，从而证实了我们的猜测。注意到a和b的实际含义，上述结果在经济学上可作如下解释：当ab时，顾客需求对价格的敏感度较小（小于生产者的敏感程度），商品供应量和价格会自行调节而逐步趋于稳定；反之，若ab（商品紧缺易引起顾客抢购），该商品供售市场易造成混乱.如果生产者对市场经济的蛛网模型有所了解，为了减少因价格波动而造成的经济损失，他应当提高自己的经营水平，不应当仅根据上一周期的价格来决定现阶段的生产量。例如可以根据本时段与前一时段价格的平均值来确定生产量。此时，若t时段的商品量为xt时，仍有（7）将（5）式、（7）式代入（6）式，整理得)(**1xxbPPtt（5）但t+1时段的商品量则不再为)(1*1*1PPaxxtt而被修正为)2(1*1*1PPPaxxttt（6）由（5）式得)(*1*xxbPPtt*1122(1)tttbbbxxxxaaa（8）（4.22）式是一个常系数二阶线性差分方程，特征方程为022abab其特征根为482ababab记abr。若082rr，则24,max221r此时差分方程（4.22）是不稳定的。，若082rr，此时特征根2,1为一对共轭复数，)8(4122,1irrr22,1r。由线性差分方程稳定的条件，当r2即b2a时（8）式是稳定的，从而M*是稳定的平衡点。不难发现，生产者管理方式的这一更动不仅使自己减少了因价格波动而带来的损失，而且大大消除了市场的不稳定性。生产者在采取上述方式来确定各时段的生产量后，如发现市场仍不稳定（b≥2a），可按类似方法试图再改变确定生产量的方式，此时可得到更高阶的差分方程。对这些方程稳定性条件的研究很可能会导出进一步稳定市场经济的新措施。例2国民经济的稳定性国民收入的主要来源是生产，国民收入的开支主要用于消费资金、投入再生产的积累资金及政府用于公共设施的开支。现在我们用差分方程方法建立一个简略的模型，粗略地分析一下国民经济的稳定性问题。再生产的投资水平It取决于消费水平的变化量，设0),(1bCCbIttt政府用于公共设施的开支在一个不太大的时期内变动不大，设为常数G。故由GICyttt可得出GCCbayytttt)(11。将1ttayC及21ttayC代入10,1aayCtt。记yt为第t周期的国民收入，Ct为第t周期的消费资金。Ct的值决定于前一周期的国民收入，设10,1aayCttGabyybayttt21)1(（9）（9）式是一个二阶常系数差分方程，其特征方程为0)1(2abba，相应特征根满足21(1)1(1)14ababab或（10）成立时才是稳定的。（10）式可用于预报经济发展趋势。现用待定系数法求方程（9）的一个特解ty令Cyt代入（9）式，得aGC1故当（10）式成立时，差分方程（9）的通解为aGtCtCytt1)sincos(21其中ρ为2,1的模，ω为其幅角。例如，若取41a，21b又若取y0=1600，y1=1700，G=550，则由迭代公式Gabyybayttt21)1(550838921ttyy求得y2=1862.5,y3=2007.8,y4=2110.3,y5=2171.2,y6=2201.2,y7=2212.15,y8=2213.22,y9=2210.3,…。易见22001aGyt例3商品销售量预测(实例)某商品前5年的销售量见表。现希望根据前5年的统计数据预测第6年起该商品在各季度中的销售量。从表中可以看出，