《差分方程初步》PPT课件.ppt
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1、差分方程初步差分方程初步第一节第一节 差分方程的基本概念差分方程的基本概念一、一、差分的概念差分的概念定定义义1 设设函函数数yt=f(t)在在t=,-2,-1,0,1,2,处处有有定定义义,对对应应的的函函数数值值为为,y-2,y-1,y0,y1,y2,则则函函数数yt=f(t)在在时时间间t的的一一阶阶差分差分定定义为义为 yt=yt+1-yt=f(t+1)-f(t)依此定依此定义类义类推推,有有 yt+1=yt+2-yt+1=f(t+2)-f(t+1),yt+2=yt+3-yt+2=f(t+3)-f(t+2),一阶差分的性质一阶差分的性质(1)若若yt=C(C为为常数常数),则则 yt=
2、0;(2)对对于任意常数于任意常数k,(kyt)=k yt;(3)(yt+zt)=yt+zt定定义义2 函函数数yt=f(t)在在时时刻刻t的的二二阶阶差差分分定定义义为为一一阶阶差差分分的差分的差分,即即 2yt=(yt)=yt+1-yt =(yt+2-yt+1)-(yt+1-yt)=yt+2-2yt+1+yt依此定依此定义类义类推推,有有 2yt+1=yt+2-yt+1=yt+3-2yt+2+yt+1,2yt+2=yt+3-yt+2=yt+4-2yt+3+yt+2,类类推推,计计算两个相算两个相继继的二的二阶阶差分之差差分之差,便得到便得到三三阶阶差分差分 3yt=2yt+1-2yt=yt
3、+3-3yt+2+3yt+1-yt,3yt+1=2yt+2-2yt+1=yt+4-3yt+3+3yt+2-yt+1,一般地一般地,k阶阶差分差分(k为为正整数正整数)定定义为义为 这这里里 二、二、差分方程差分方程定定义义3 含有未知函数含有未知函数yt=f(t)以及以及yt的差分的差分 yt,2yt,的的函数方程函数方程,称称为为常差分方程常差分方程(简简称差分方程称差分方程);出出现现在差分在差分方程中的差分的最高方程中的差分的最高阶阶数数,称称为为差分方程的差分方程的阶阶.n阶阶差分方程的一般形式差分方程的一般形式为为F(t,yt,yt,nyt)=0,其中其中F是是t,yt,yt,nyt
4、的已知函数的已知函数,且且 nyt一定要在方一定要在方程中出程中出现现 定定义义3 含有两个或两个以上函数含有两个或两个以上函数值值yt,yt+1,的函数方的函数方程程,称称为为(常常)差分方程差分方程,出出现现在差分方程中未知函数下在差分方程中未知函数下标标的最大差的最大差,称称为为差分方程的差分方程的阶阶 n阶阶差分方程的一般形式差分方程的一般形式为为F(t,yt,yt+1,,yt+n)=0,其其中中F为为t,yt,yt+1,,yt+n的的已已知知函函数数,且且yt和和yt+n一一定定要在差分方程中出要在差分方程中出现现.三、三、差分方程的解差分方程的解定定义义4 如如果果将将已已知知函函
5、数数yt=(t)代代入入方方程程F(t,yt,yt+1,,yt+n)=0,使使其其对对t=,-2,-1,0,1,2,成成为为恒恒等等式式,则则称称yt=(t)为为方程的解方程的解.含有含有n个任意个任意(独立独立)常数常数C1,C2,Cn的解的解yt=(t,C1,C2,Cn)称称为为n阶阶差差分分方方程程的的通通解解.在在通通解解中中给给任任意意常常数数C1,C2,Cn以以确确定定的的值值所所得得的的解解,称称为为n阶阶差差分分方方程程的的特解特解.例例如如,函函数数yt=at+C(a为为已已知知常常数数,C为为任任意意常常数数)是是差差分分方方程程yt+1-yt=a的的通通解解.而而函函数数
6、yt=at,yt=at-1,均均是是这这个差分方程的特解个差分方程的特解.由由差差分分方方程程的的通通解解来来确确定定它它的的特特解解,需需要要给给出出确确定定特特解解的的定定解解条条件件.n阶阶差差分分方方程程F(t,yt,yt+1,,yt+n)=0常常见见的定解条件的定解条件为为初始条件初始条件.y0=a0,y1=a1,,yn-1=an-1,这这里里a0,a1,a2,,an-1均均为为已知常数已知常数 只只要要保保持持差差分分方方程程中中的的时时间间滞滞后后结结构构不不变变,无无论论对对t提提前前或或推推后后一一个个相相同同的的等等间间隔隔值值,所所得得新新方方程程与与原原方方程程是等价的
7、是等价的,即二者有相同的解即二者有相同的解.例如例如,方程方程ayt+1-byt=0与方程与方程ayt+2-byt+1=0都是相互等价的都是相互等价的 四、四、线性差分方程及其基本定理线性差分方程及其基本定理 形如形如yt+n+a1(t)yt+n-1+a2(t)yt+n-2+an-1(t)yt1+an(t)yt=f(t)的的差差分分方方程程,称称为为n阶阶非非齐齐次次线线性性差差分分方方程程.其其中中a1(t),a2(t),an-1(t),an(t)和和 f(t)都都 是是 t的的 已已 知知 函函 数数,且且an(t)0,f(t)0.而形如而形如yt+n+a1(t)yt+n-1+an-1(t
8、)yt+1+an(t)yt=0 的的 差差 分分 方方 程程,称称 为为 n阶阶 齐齐 次次 线线 性性 差差 分分 方方 程程.其其 中中ai(t)(i=1,2,,n)为为t的已知函数的已知函数,且且an(t)0.如果如果ai(t)=ai(i=1,2,n)均均为为常数常数(an0),则则有有yt+n+a1yt+n-1+a2yt+n-2+an-1yt+1+anyt=f(t),yt+n+a1yt+n-1+a2yt+n-2+an-1yt+1+anyt=0 分分别别称称为为n阶阶常系数非常系数非齐齐次次线线性差分方程性差分方程和和n阶阶常系常系数数齐齐次次线线性差分方程性差分方程.定理定理1(齐齐次
9、次线线性差分方程解的叠加原理性差分方程解的叠加原理)若若y1(t),y2(t),ym(t)是是齐齐次次线线性差分方程性差分方程yt+n+a1yt+n-1+a2yt+n-2+an-1yt+1+anyt=0的的m个特解个特解(m2),则则其其线线性性组组合合y(t)=A1y1(t)+A2y2(t)+Amym(t)也是方程也是方程 的解的解,其其中中A1,A2,Am为为任意常数任意常数定理定理2 n阶齐次线性差分方程阶齐次线性差分方程yt+n+a1yt+n-1+a2yt+n-2+an-1yt+1+anyt=0一定存在一定存在n个线性无关的特解个线性无关的特解定理定理3(齐齐次次线线性差分方程通解性差
10、分方程通解结结构定理构定理)如如 果果 y1(t),y2(t),yn(t)是是 齐齐 次次 线线 性性 差差 分分 方方 程程yt+n+a1yt+n-1+a2yt+n-2+an-1yt+1+anyt=0的的n个个线线性性无无关关的的特解特解,则则方程方程 的通解的通解为为:yA(t)A1y1(t)+A2y2(t)+Anyn(t),其中其中A1,A2,An为为n个任意个任意(独立独立)常数常数 定理定理4(非非齐齐次次线线性差分方程通解性差分方程通解结结构定理构定理)如如果果 (t)是是非非齐齐次次线线性性方方程程yt+n+a1(t)yt+n-1+a2(t)yt+n-2+an-1(t)yt1+a
11、n(t)yt=f(t)的的一一个个特特解解,yA(t)是是其其对对应应的的齐齐次次线线性性方方程程yt+n+a1yt+n-1+a2yt+n-2+an-1yt+1+anyt=0的的通解通解,那么那么,非非齐齐次次线线性差分方程的通解性差分方程的通解为为:y(t)=yA(t)+(t)即即y(t)=A1y1(t)+A2y2(t)+Anyn(t)+(t),这这里里A1,A2,An为为n个任意个任意(独立独立)常数常数第二节第二节 一阶常系数线性差分方程一阶常系数线性差分方程 一一阶阶常系数常系数线线性差分方程的一般形式性差分方程的一般形式为为yt+1+ayt=f(t)和和yt+1+ayt=0,其其中中
12、f(t)为为t的的已已知知函函数数,a0为为常常数数.分分别别称称为为一一阶阶常常系数非系数非齐齐次次线线性差分方程性差分方程和其和其对应对应的的齐齐次差分方程次差分方程.一、一、齐次差分方程的通解齐次差分方程的通解将方程将方程yt+1+ayt=0改写改写为为:yt+1=-=-ayt,t=0,1,2,假假定定在在初初始始时时刻刻(即即t=0)时时,函函数数yt取取任任意意值值A,那那么么由由上式逐次迭代上式逐次迭代,算得算得y1=-=-ay0=-=-aA,y2=-=-ay1=(-a)2A,方程的通解方程的通解为为yt=A(-a)t,t=0,1,2,如果如果给给定初始条件定初始条件t=0时时yt
13、=y0,则则A=y0,此此时时特解特解为为:yt=y0(-a)t 二、二、非齐次方程的通解与特解非齐次方程的通解与特解1.迭代法求通解迭代法求通解将方程改写将方程改写为为 yt+1=(-a)yt+f(t),t=0,1,2,逐步迭代逐步迭代,则则有有y1=(-a)y0+f(0),y2=(-a)2y0+(-a)f(0)+f(1),y3=(-a)3y0+(-a)2f(0)+(-a)f(1)+f(2),由数学由数学归纳归纳法法,可得可得 yt=(-a)ty0+(-a)t-1f(0)+(-a)t-2f(1)+f(t-1)=(-a)ty0+,(t=0,1,2,),yA(t)=(-a)ty0为为 对应对应的
14、的齐齐次方程次方程 的通解的通解.解解例例方程的通解方程的通解 2.待定系数法求特解待定系数法求特解情形情形 f(t)为常数为常数方程方程变为变为yt+1+ayt=b,a,b均均为为非零常数非零常数试试以以 (为为待定常数待定常数)形式的特解代入方程得形式的特解代入方程得 +a =(1+a)=b当当a-1时时,可求得特解可求得特解当当a=-=-1时时,改改设设特特解解 (为为待待定定系系数数),将将其其代代入方程得入方程得 (t+1)+a t=(1+a)t+=b 求得特解求得特解方程的通解为方程的通解为 解解例例情形情形 f(t)为为t的多项式的多项式不妨不妨设设f(t)=b0+b1t(t的一
15、次多的一次多项项式式),即即 yt+1+ayt=b0+b1t,t=1,2,,其中其中a,b0,b1均均为为常数常数,且且a0,b10试试以特解以特解 =+t,(,为为待定系数待定系数)代入方程得代入方程得+(t+1)+a(+t)=b0+b1t,上式对一切上式对一切t值均成立值均成立,其充分必要条件是:其充分必要条件是:当当1+a0时时,即即a-1时,时,方程的特解为方程的特解为 当当a=-1时时,改设特解改设特解 =(+t)t=t+t2 将其代入方程可求得特解将其代入方程可求得特解方程的通解为方程的通解为 解解例例情形情形 f(t)为指数函数为指数函数 不妨不妨设设f(t)=bdt,b,d均均
16、为为非零常数非零常数,方程方程变为变为 yt+1+ayt=bdt,t=0,1,2,求得特解求得特解当当a+d0时时,设设方方程程有有特特解解 =dt,为为待待定定系系数数.将将其其代代入方程得入方程得 dt+1+a dt=bdt,当当a+d=0时时,改改设设方方程程的的特特解解 =tdt,为为待待定定系系数数,将将其代入方程可求得特解其代入方程可求得特解=btdt 方程的通解为方程的通解为 解解例例情形情形 f(t)为正弦、余弦型三角函数为正弦、余弦型三角函数 设设f(t)=b1cos t+b2sin t,其其中中b1,b2,均均为为常常数数,且且 0,b1与与b2不同不同时为时为零零.于是非
17、于是非齐齐次方程次方程变为变为yt+1+ayt=b1cos t+b2sin t,a0,t=0,1,2,设设方程有特解方程有特解 =cos t+sin t,均均为为待定系数待定系数.将其代入方程得将其代入方程得 cos(t+1)+sin(t+1)+a cos t+a sin t =b1cos t+b2sin t,(cos+sin +a)cos t+(-sin +cos +a)sin t=b1cos t+b2sin t(cos+sin +a)cos t+(-sin +cos +a)sin t=b1cos t+b2sin t 上式对上式对t=0,1,2,恒成立的充分必要条件是恒成立的充分必要条件是
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