二階線性差分方程中的根 特徵值的討論

2022-04-03 10:06:20 字數 1454 閱讀 7404

以下面的二階線性差分方程為例

$ay_+by_+cy_t = d$

我們在求該差分方程的齊次解(通解)時,會令等式右邊等於0,得到二階齊次線性差分方程:

$ay_+by_+cy_t = 0$

並假設$y_t = a\omega^t$

$a\omega^2+b\omega+c = 0$

這個一元二次方程的根為

$\omega = \frac}$

$\omega$是該方程的根(characteristic root),又稱為該方程的特徵值(eigen value)。此時$\omega$可以分成三種情況討論。

$b^2-4ac >0 $

此時$\omega$分別為兩個不相同的實數

差分方程的齊次解為:

$y_h(t) = a_1\omega_1^t+a_2\omega_2^t$

$b^2-4ac = 0$

此時$\omega$為重根

差分方程的齊次解為:

$y_h(t) = (a_1n+a_2)\omega^t$

$b^2-4ac <0$

此時$\omega$分別為兩個共軛複數

$\omega = -\frac \pm \frac} = h\pm iv$

即有:$\left\

h &= &-\frac \\

v &= &\frac}

\end\right.$

差分方程的齊次解為:

$y_h(t) = a_1(h+iv)^t + a_2(h-iv)^t$

該共軛的根還可以從極座標方面進行討論

$h\pm iv = r(cos \theta \pm isin\theta)$

其中$r = \sqrt = \sqrt \right|}$

即r是乙個固定的實數。

差分方程的齊次解為

$\begin

y_h(t)

&= a_1r^t(cos\theta + isin\theta)^t + a_2r^t(cos\theta-isin\theta)^t \\

&= a_1r^t(cos\theta t+isin\theta t)+a_2r^t(cos\theta t-isin\theta t)  \qquad de\ moivre's\ theorem\\

&=\left|\frac\right|^}(a_1(cos\theta t+isin\theta t)+a_2(cos\theta t-isin\theta t)) \\

&=\left|\frac\right|^}(b_1cos\theta t+b_2sin\theta t) \qquad \left\

b_1 &= a_1+a_2\\

b_2 &= (a_1-a_2)i

\end\right.

\end$

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