差分方程的解法

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1、常系数线性差分方程的解

方程( 8)其中为常数,称方程(8)为常系数线性方程。

又称方程(9)

为方程(8)对应的齐次方程。

如果(9)有形如的解,带入方程中可得:

(10)

称方程(10)为方程(8)、(9)的特征方程。

显然,如果能求出(10)的根,则可以得到(9)的解。

基本结果如下:

(1)若(10)有k个不同的实根,则(9)有通解:

(2)若(10)有m重根,则通解中有构成项:

(3)若(10)有一对单复根,令:,,则(9)的通解中有构成项:

(4)若有m 重复根:,,则(9)的通项中有成项:

综上所述,由于方程(10)恰有k 个根,从而构成方程

(9)的通解中必有k个独立的任意常数。通解可记为:

如果能得到方程(8)的一个特解:,则(8)必有通解:

+

(11)

(1)的特解可通过待定系数法来确定。

例如:如果为n 的多项式,则当b不是特征根时,可设成形如形式的特解,其中为m次多项式;如果b是r重根时,可设特解:,将其代入(8)中确定出系数即可。

2、差分方程的z变换解法

对差分方程两边关于取Z变换,利用的Z 变换F(z)来表示出的Z变换,然后通过解代数方程求出F(z),并把F(z)在z=0的解析圆环域中展开成洛朗级数,其系数就是所要求的

例1设差分方程,求

解:解法1:特征方程为,有根:

故:为方程的解。

由条件得:

解法2:设F(z)=Z(),方程两边取变换可得:

由条件得

由F(z)在中解析,有

所以,

3、二阶线性差分方程组

设,,形成向量方程组

(12)则

(13)(13)即为(12)的解。

为了具体求出解(13),需要求出,这可以用高等代数的方法计算。常用的方法有:

(1)如果A为正规矩阵,则A必可相似于对角矩阵,对角线上的元素就是A的特征值,相似变换矩阵由A的特征向量构成:。

(2)将A 分解成为列向量,则有

从而,

(3)或者将A相似于约旦标准形的形式,通过讨论A的特征值的性态,找出的内在构造规律,进而分析解的变化规律,获得它

的基本性质。

4、关于差分方程稳定性的几个结果

(1)k 阶常系数线性差分方程(8)的解稳定的充分必要条件是它对应的特征方程(10)所有的特征根满足

(2)一阶非线性差分方程

(14)

(14)的平衡点由方程决定,

将在点处展开为泰勒形式:

(15)

故有:时,(14)的解是稳定的,

时,方程(14)的平衡点是不稳定的。