下载文档原格式
第七节 差分方程对连续型变量而言，我们常常回导致到微分方程的问题. 对离散型变量将导致一类的问题.一、差分的定义定义 设)(x y y =是一个函数, 自变量从x 变化到x +1, 这时函数的增量记为)()1(x y x y y x -+=∆, 我们称这个量为)(x y 在点x 步长为1的一阶差分,简称为)(x y 的一阶差分. 为了方便我们也记)(),1(1x y y x y y x x =+=+,即x x x y y y -=∆+1.称x x x x x x x x y y y y y y y y +-=---=∆∆+++++121122)()()(为)(x y 二阶差分,简记为x y 2∆.同样记)(2x y ∆∆为x y 3∆,并称为三阶差分.一般记)(1x n x n y y -∆∆=∆,称为n 阶差分.且有i n x i ni i n x ny C y -+=-=∆∑)1(0. 性质: 当a,b,C 是常数, y x 和z x 是函数时,(1) Δ(C )=0;(2) Δ(Cy x )= C Δ(y x );(3) Δ(ay x + b z x )= a Δy x + b Δ z x ;(4) Δ(y x z x )= z x+1Δy x +y x Δ z x = y x+1Δz x +z x Δy x ;(5) 1111++++∆-∆=∆-∆=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆x x x x x x x x x x x x x x z z z y y z z z z y y z z y .例 已知),0(≠=x x y x α求Δ(y x ).解 Δ(y x )= ααx x -+)1(.特别, 当n 为正整数时, Δ(y x )= i n n i i n x C-=∑1, 阶数降了一阶.推论 若m, ,n 为正整数时, m,> n P(x)为n 次多项式,则0)(=∆x P m .例 已知),10(≠<=a a y x x 求Δ(y x ).解 Δ(y x )= )1(1-=-+a a a a x x x .二、差分方程定义 设是含有未知函数差分的等式，称为差分方程。
第九节 差分方程迄今为止，我们所研究的变量基本上是属于连续变化的类型. 但在经济管理或其它实际问题中，大多数变量是以定义在整数集上的数列形式变化的，银行中的定期存款按所设定的时间等间隔计息，国家财政预算按年制定等等. 通常称这类变量为离散型变量. 对这类变量，我们可以得到在不同取值点上的各离散变量之间的关系，如递推关系等. 描述各离散变量之间关系的数学模型称为离散型模型. 求解这类模型就可以得到各离散型变量的运行规律. 本节将介绍在经济学和管理科学中最常见的一种离散型数学模型—差分方程.内容分布图示★ 引言 ★ 差分的概念 ★ 例1-5 ★ 差分方程的概念 ★ 例6★ 例7★ 一阶常系数线性齐次差分方程 ★ 一阶常系数线性非齐次差分方程★ 例9-14 ★ 例15★ 例16★ 二阶常系数线性差分方程★ 二阶常系数线性齐次差分方程的通解★ 例17 ★ 例18★ 例19 ★ 二阶常系数线性非齐次差分方程的特解★ 例20-23 差分方程在经济学中的应用★ 模型1 ★ 模型2★模型3★ 内容小结 ★ 课堂练习 ★ 习题8-9 ★ 返回内容要点：一、 差分的概念与性质一般地，在连续变化的时间范围内，变量y 关于时间t 的变化率是用dtdy来刻画的；对离散型的变量y ，我们常取在规定的时间区间上的差商ty∆∆来刻画变量y 的变化率. 如果选择1=∆t ，则)()1(t y t y y -+=∆ 可以近似表示变量y 的变化率. 由此我们给出差分的定义.定义1 设函数).(t y y t = 称改变量t t y y -+1为函数t y 的差分, 也称为函数t y 的一阶差分, 记为t y ∆, 即t t t y y y -=∆+1 或 )()1()(t y t y t y -+=∆.一阶差分的差分称为二阶差分t y 2∆, 即t t t t y y y y ∆-∆=∆∆=∆+12)(.2)()(12112t t t t t t t y y y y y y y +-=---=+++++类似可定义三阶差分, 四阶差分,……),(),(3423t t t t y y y y ∆∆=∆∆∆=∆一般地，函数t y 的1-n 阶差分的差分称为n 阶差分，记为t n y ∆，即t n t n t ny y y 111-+-∆-∆=∆i n t inni i y C -+=∑-=0)1( 二阶及二阶以上的差分统称为高阶差分.差分的性质：（1） t t y C Cy ∆=∆)( );(为常数C （2） ;)(t t t t z y z y ∆±∆=±∆ （3）;)(1t t t t t t z y y z z y ∆+∆=⋅∆+ （4）t t t t t t t t z z z y y z z y ⋅∆-∆=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆+1 ).0(≠t z二、差分方程的概念定义2 含有未知函数t y 的差分的方程为差分方程. 差分方程的一般形式:0),,,,,(2=∆∆∆t n t t t y y y y t F或 .0),,,,,(21=+++n t t t t y y y y t G差分方程中所含未知函数差分的最高阶数称为该差分方程的阶. 差分方程的不同形式可以互相转化.定义3 满足差分方程的函数称为该差分方程的解.如果差分方程的解中含有相互独立的任意常数的个数恰好等于方程的阶数, 则称这个解为该差分方程的通解.我们往往要根据系统在初始时刻所处的状态对差分方程附加一定的条件，这种附加条件称为初始条件, 满足初始条件的解称为特解.定义4 若差分方程中所含未知函数及未知函数的各阶差分均为一次的, 则称该差分方程为线性差分方程.线性差分方程的一般形式是)()()()(1111t f y t a y t a y t a y t n t n n t n t =+++++--++其特点是t n t n t y y y ,,,1 +++都是一次的. 三、一阶常系数线性差分方程一阶常系数线性差分方程的一般形式为)(1t f Py y t t =-+ (9.1) 其中, P 为非零常数, )(t f 为已知函数. 如果,0)(=t f 则方程变为01=-+t t Py y (9.2)方程(9.2)称为一阶常系数线性齐次差分方程, 相应地，方程(9.1)称为一阶常系数线性非齐次差分方程.一阶常系数线性齐次差分方程的通解 一阶常系数线性非齐次差分方程定理1 设t y 为方程(9.2)的通解,*t y 为方程(9.1)的一个特解, 则*t t t y y y +=为方程(9.1)的通解.（1）C t f =)( (C 为非零常数)（2）t Cb t f =)( (C , b 为非零常数且1≠b ) 四、二阶常系数线性差分方程二阶常系数线性差分方程的一般形式:)(12t f by ay y t t t =++++ (9.9)其中b a ,均为常数, 且,0≠b )(x f 是已知函数. 当0)(=x f 时, 方程(9.9)变为012=++++t t t by ay y (9.10)方程(9.10)称为二阶常系数线性齐次差分方程，相应地，方程(9.9)称为二阶常系数线性非齐次差分方程.定理2 设t y 为方程((9.10)的通解, *t y 为方程(9.9)的一个特解, 则*t t t y y y +=为方程(9.9)的通解.二阶常系数线性齐次差分方程的通解特征方程 02=++b a λλ (9.11) 二阶常系数线性非齐次差分方程的特解和通解仅考虑方程(9.9)中的)(x f 取某些特殊形式的函数时的情形.(1))()(t P x f m =(其中)(t P m 是t 的m 次多项式), 方程(9.9)具有形如)(*t R t y m k t =的特解, 其中)(t R m 为t 的m 次待定多项式.五、 差分方程在经济学中的应用采用与微分方程完全类似方法，我们可以建立在经济学中的差分方程模型，下面举例说明其应用.1.“筹措教育经费”模型某家庭从现在着手, 从每月工资中拿出一部分资金存入银行, 用于投资子女的教育, 并计算20年后开始从投资账户中每月支取1 000元, 直到10年后子女大学毕业并用完全部资金. 要实现这个投资目标, 20年内要总共筹措多少资金? 每月要在银行存入多少钱? 假设投资的月利率为0.5%, 为此, 设第t 个月, 投资账户资金为,t a 每月存资金为b 元, 于是20年后, 关于,t a 的差分方程模型为1000)005.1(1-=+t t a a (9.11)且.,00120x a a ==二、价格与库存模型本模型考虑库存与价格之间的关系设)(t P 为第t 个时段某类产品的价格, )(t L 为第t 个时段的库存量. L 为该产品的合理库存量. 一般情况下, 如果库存量超过合理库存, 则该产品的售价要下跌, 如果库存量低于合理库存, 则该产品售价要上涨, 于是有方程)(1t t t L L k P P -=-+ (9.13)其中k 为比例常数.三、国民收入的稳定分析模型本模型主要讨论国民收入与消费和积累之间的关系问题.设第t 期内的国民收入t y 主要用于该期内的消费t G , 再生产投资t I 和政府用于公共设施的开支G (定为常数), 即有G I C y t t t ++= (9.17)又设第t 期的消费水平与前一期的国民收入水平有关, 即)10(1<<=-A Ay C t t (9.18)第t 期的生产投资应取决于消费水平的变化, 即有)(1--=t t t C C B I (9.19)由方程(9.17), (9.18), (9.19)合并整理得G BAy y B A y t t t =++---21)1( (9.20)于是, 对应A , B , G 以及,,0y y 可求解方程, 并讨论国民收入的变化趋势和稳定性.例题选讲：差分的概念与性质例1（讲义例1）设,2t y t =求 ).(),(),(32t t t y y y ∆∆∆例2（讲义例2）设.1),1()2)(1()0()(=+---=t n t t t t t n 求)(n t ∆.例3（讲义例3）求t t t y 32⋅=的差分. 例4 设,22t t y += 求.,,32t t t y y y ∆∆∆ 例5 试改变差分方程023=∆+∆t t y y 的形式. 差分方程的概念例6（讲义例4）试确定下列差分方程的阶..735)2(;0)1(15423=+=+-++--+t t t t t y y y y y例7（讲义例5）指出下列等式哪一个是差分方程, 若是, 进一步指出是否为线性方程..432)2(;33)1(12=+-+=∆-++t t t t t t y y y a y y一阶常系数线性差分方程例8（讲义例6）求差分方程031=-+t t y y 的通解. 例9（讲义例7）求差分方程231-=-+t t y y 的通解.例10（讲义例8）求差分方程tt t y y ⎪⎭⎫⎝⎛=-+233211在初始条件50=y 时的特解.例11（讲义例9）求差分方程2134t y y t t =-+的通解. 例12 求差分方程t y y t t πsin 341=++的通解.例13 求差分方程 t y y t t 231+=-+满足初始条件50=y 的特解. 例14（讲义例10）求差分方程t t t t y y 4221+=++的通解.例15 设某产品在时期t 的价格, 供给量与需求量分别为t t S P ,与),2,1,0( =t D t . 1当121+=t t P S , t t t t D S P D =+-=- 3,5421时, 求证(1) 由 3,2,1推出差分方程.221=++t t P P (2) 已知0P , 求上述差分方程的解.例16（讲义例11）在农业生产中, 种植先于产出及产品出售一个适当的时期, t 时期该产品的价格t P 决定着生产者在下一时期愿意提供市场的产量t t P S ,1+还决定着本期该产品的需求量,t Q 因此有1,-+-=-=t t t t dP c S bP a Q (a , b , c , d 均为正的常数)求价格随时间变动的规律. 二阶常系数线性差分方程例17（讲义例12）求差分方程04312=--++t t t y y y 的通解. 例18（讲义例13）求差分方程04412=++++t t t y y y 的通解. 例19（讲义例14）求差分方程04212=+-++t t t y y y 的通解.例20 求差分方程 12212=-+++t t t y y y 的通解及0,010==y y 的特解. 例21（讲义例15）求差分方程t y y y t t t =-+++4312的通解. 例22（讲义例16）求差分方程t t t t y y y 23212⋅=++++的通解. 例23 求差分方程tt t t y y y ⎪⎭⎫⎝⎛-=++++214112的通解. 差分方程在经济学中的应用课堂练习1.求差分方程21t y y t t =-+的通解.2.求差分方程t y y y t t t =-+++4312的通解.3.求差分方程t t t t y y y 57612⨯=-+++的通解.。
