差分方程

差分方程

數學方程
差分方程又稱遞推關系式,是含有未知函數及其差分,但不含有導數的方程。 滿足該方程的函數稱為差分方程的解。差分方程是微分方程的離散化。
    中文名:差分方程 外文名:difference equation 别名:

簡介

在數學上,遞推關系(recurrence relation),也就是差分方程(difference equation),是一種遞推地定義一個序列的方程式:序列的每一項目是定義為前一項的函數。某些簡單定義的遞推關系式可能會表現出非常複雜的(混沌的)性質,他們屬于數學中的非線性分析領域。所謂解一個遞推關系式,也就是求其解析解,即關于n的非遞歸函數。

意義性質

意義

差分方程是微分方程的離散化。一個微分方程不一定可以解出精确的解,把它變成差分方程,就可以求出近似的解來。

比如 dy+y*dx=0,y(0)=1 是一個微分方程, x取值[0,1](注:解為y(x)=e^(-x));要實現微分方程的離散化,可以把x的區間分割為許多小區間 [0,1/n],[1/n,2/n],...[(n-1)/n,1]這樣上述微分方程可以離散化為:y((k+1)/n)-y(k/n)+y(k/n)*(1/n)=0, k=0,1,2,...,n-1 (n 個離散方程組)利用y(0)=1的條件,以及上面的差分方程,就可以計算出 y(k/n) 的近似值了。

性質

性質1 Δk(xn+yn)=Δkxn+Δkyn

性質2 Δk(cxn)=cΔkxn

性質3 Δkxn=∑(-1)jCjkXn+k-j

性質4 數列的通項為n的無限次可導函數,對任意k>=1,存在η,有 Δkxn=f(k)(η)

基本概念

一、差分的概念

設函數yt=f(t)在t=…,-2,-1,0,1,2,…處有定義,對應的函數值為…,y-2,y-1,y0,y1,y2,…,則函數yt=f(t)在時間t的一階差分定義為 Dyt=yt+1-yt=f(t+1)-f(t)。

依此定義類推,有 Dyt+1=yt+2-yt+1=f(t+2)-f(t+1),Dyt+2=yt+3-yt+2=f(t+3)-f(t+2),………………

一階差分的性質

(1) 若yt=C(C為常數),則Dyt=0;

(2) 對于任意常數k,D(KYT)=kDyt;

(3) D(yt+zt)=Dyt+Dzt。

函數yt=f(t)在時刻t的二階差分定義為一階差分的差分,即

D2yt= D (D yt)= D yt+1- D yt

=(yt+2-yt+1)-(yt+1-yt)=yt+2-2yt+1+yt.

依此定義類推,有

D2yt+1= Dyt+2- Dyt+1=yt+3-2yt+2+yt+1,D2yt+2= Dyt+3- Dyt+2=yt+4-2yt+3+yt+2,………………

類推,計算兩個相繼的二階差分之差,便得到三階差分

D3yt= D2yt+1- D2yt=yt+3-3yt+2+3yt+1-yt,

D3yt+1= D2yt+2- D2yt+1=yt+4-3yt+3+3yt+2-yt+1, ………………

二、 差分方程

含有未知函數yt=f(t)以及yt的差分Dyt, D2yt,…的函數方程,稱為(簡稱);出現在差分方程中的差分的最高階數,稱為。n階差分方程的一般形式為F(t,yt,Dyt,…, Dnyt)=0,其中F是t,yt, Dyt,…, Dnyt的已知函數,且Dnyt一定要在方程中出現。

含有兩個或兩個以上函數值yt,yt+1,…的函數方程,稱為,出現在差分方程中未知函數下标的最大差,稱為。n階差分方程的一般形式為F(t,yt,yt+1,…,yt+n)=0,其中F為t,yt,yt+1,…,yt+n的已知函數,且yt和yt+n一定要在差分方程中出現。

經濟學中的應用

一、 存款模型

設St為t期存款總額,i為存款利率,則St與i有如下關系式:

St+1=St+iSt=(1+i)Si, t=0,1,2,…,

其中S0為初始存款總額。

二、 動态供需均衡模型(蛛網定理)

設Dt表示t期的需求量,St表示t期的供給量,Pt表示商品t期價格,則傳統的動态供需均衡模型為:

其中a,b,a1 ,b1均為已知常數。

(1)式表示t期(現期)需求依賴于同期價格;

(2)式表示t期(現期)供給依賴于(t-1)期(前期)價格。

(3)式為供需均衡條件。

若在供需平衡的條件下,而且價格保持不變,即 Pt=Pt-1=Pe,靜态均衡價格需求曲線與供給曲線的交點(Pe ,Qe)即為該種商品的靜态均衡點。

若初始價格P0已知時,将其代入通解,可求得任意常數A=P0-Pe ,此時,通解改寫為

如果初始價格P0=Pe ,那麼Pt=Pe ,這表明沒有外部幹擾發生,價格将固定在常數值Pe上,即靜态均衡。如果初始價格P0≠Pe,那麼價格Pt将随t的變化而變化。

三、 凱恩斯(Keynes.J.M)乘數動力學模型

設Yt表示t期國民收入,Ct為t期消費,It為t期投資,DI0為自發(固定)投資,I為周期固定投資增量。凱恩斯國民經濟收支動态均衡模型為:

(1)式為均衡條件,即國民收入等于同期消費與同期投資之和;(2)式為消費函數,即現期消費水平依賴于前期國民收入(消費滞後于收入一個周期),a(≥0)為基本消費水平,b為邊際消費傾向(0<b<1);(3)式為投資函數,這裡僅考慮為固定投資。在凱恩斯主義者眼裡,“資本”也是一個同質的總量概念,即隻有一個“總資本”,他們無法理解,資本是迂回的生産鍊條,有複雜的時間結構。

四、 哈羅德(Harrod.R.H)經濟增長模型

哈羅德—多馬模型(Harrod-DomarModel,H-D)是對凱恩斯S=I模型早期的動态化發展,提出在假定資本産出比不變的情況下,均衡經濟增長率取決于儲蓄率,即儲蓄傾向。設St為t期儲蓄,Yt為t期國民收入,It為t期投資,s稱為邊際儲蓄傾向(即平均儲蓄傾向),0<s<1,k為加速系數。哈羅德宏觀經濟增長模型為:

其中s,k為已知常數。(1)式表示t期儲蓄依賴于前期的國民收入;(2)式表示t期投資為前兩期國民收入差的加速,且預期資本加速系數k為常數;(3)式均衡條件。

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