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¿Cómo puedo resolver esta relación de recurrencia lineal?

Mi problema es : esta relación de recurrencia dada: $$y_{n+1}-\frac{n+2}{2}\cdot y_n = (n+1)(n+2)\cdot 3^n$$ para todos: $n\ge 0$ y $y_0 = 0$

Necesito encontrar la forma explícita y la solución general.

Mi enfoque fue : Veo que es una relación de recurrencia lineal. Debido al lado derecho de la ecuación, debe ser una ecuación no homogénea. Así que creo que el camino debe ser encontrar una solución general para la ecuación homogénea primero. Y luego encontrar una solución especial para la ecuación inhomogénea y finalmente encontrar mi respuesta en la suma de ambas soluciones.
Y aquí empiezan los problemas. He leído la literatura de mi seminario dos veces, pero sigo fallando en la realización de los pasos descritos.

En mi siguiente intento, me concentré en el $y_0 = 0$ . A través de la inserción descubrí para $n = 0$ $$y_{0+1}-\frac{0+2}{2}\cdot 0 = (0+1)(0+2)\cdot 3^0$$ $$y_{1} = 2$$ Y volviendo a insertar para $n = 1$ Me sale: $$y_{1+1}-\frac{1+2}{2}\cdot 2 = (1+1)(1+2)\cdot 3^1$$ $$y_{2}-\frac{3}{2}\cdot 2 = 6\cdot 3$$ $$y_{2} = 21$$

Eso podría ser bueno, pero parece que no me lleva a ninguna solución para la tarea original. ¿Cómo puedo obtener las soluciones que necesito?

Actualización: conjunto de recompensas... más que una solución me vendría bien una explicación de cómo obtener el resultado.

¿Cuál sería la forma de obtener la solución para la relación homogénea y cómo obtener la solución especial (¿o se llama específica?) para la relación no homogénea.

5voto

Marko Riedel Puntos 19255

Aunque esto ha sido respondido con una pista útil que básicamente lo dice todo, el OP parece pedir más detalles, así que aquí hay algunos pasos adicionales.

El truco consiste en utilizar funciones generadoras exponenciales. Primero hay que dividir la recurrencia por $(n+2)(n+1),$ para conseguir

$$\frac{y_{n+1}}{(n+2)(n+1)} - \frac{1}{2} \frac{y_n}{(n+1)} = 3^n.$$ La función generadora exponencial que utilizaremos es $$A(q) = \sum_{n\ge 1} \frac{y_n}{(n+1)!} q^n.$$ Construimos una ecuación funcional para $A(q)$ multiplicando la recurrencia por $q^{n+1}/n!$ y sumando sobre $n\ge 1$ para conseguir $$\sum_{n\ge 1} \frac{y_{n+1}}{(n+2)!} q^{n+1} - \frac{1}{2} q\sum_{n\ge 1} \frac{y_n}{(n+1)!} q^n = \sum_{n\ge 1} \frac{3^n}{n!} q^{n+1}.$$ Esto es $$A(q) - q - \frac{1}{2} q A(q) = q \sum_{n\ge 1} \frac{3^n}{n!} q^n = q \left(e^{3q} - 1\right).$$ Esto da $$\left(1-\frac{1}{2}q\right) A(q) = q \times e^{3q} \quad\text{or}\quad A(q) = q \frac{e^{3q}}{1-\frac{1}{2} q}.$$ Para terminar, hay que tener en cuenta que $y_n = (n+1)! [q^n] A(q)$ para que $$y_0 = [q^0] q \frac{e^{3q}}{1-\frac{1}{2} q} = 0$$ y para $n\ge 1$ tenemos $$(n+1)! [q^n] q \frac{e^{3q}}{1-\frac{1}{2} q} = (n+1)! [q^{n-1}] \frac{e^{3q}}{1-\frac{1}{2} q} = (n+1)! \sum_{k=0}^{n-1} \frac{3^k}{k!} \frac{1}{2^{n-1-k}}$$ dando como resultado la respuesta final $$y_n = \frac{(n+1)!}{2^{n-1}} \sum_{k=0}^{n-1} \frac{6^k}{k!} \sim \frac{(n+1)!}{2^{n-1}} \exp(6)$$ donde hemos utilizado el producto Cauchy de dos secuencias. Examinando este resultado vemos por qué las funciones generadoras ordinarias no funcionan tan bien aquí.

3voto

Rakshya Puntos 11

Set $x_n=y_n\frac{2^n}{(n+1)!}$ . Entonces $$x_{n+1}=x_n+\frac{2^{n+1}3^n}{n!}$$ etc.

2voto

alexjo Puntos 5970

Método directo

Poniendo $y_n=(n+1)!2^{1-n}x_n$ la relación de recurrencia $$ y_{n+1}−\frac{n+2}{2}y_n=(n+1)(n+2)3^n\tag 1 $$ con la condición inicial $y_0=0$ para todos $n\ge 0$ se convierte en $$ x_{n+1}=x_n+\frac{6^n}{n!}. \tag 2 $$ con la condición inicial $x_0=\frac{y_0}{2}=0$ . Se trata de una relación de recurrencia no homogénea con un término no homogéneo $\xi_n=\frac{6^n}{n!}$ que se puede resolver directamente de forma muy sencilla.

Sabemos que la solución general de una relación de recurrencia no homogénea es la suma de la solución general de la recurrencia homogénea asociada y cualquier solución particular de la recurrencia no homogénea. Por tanto, si $a_n$ es una solución de la recurrencia homogénea asociada $x_{n+1}-x_n=0$ y $b_n$ es una solución particular de la recurrencia no homogénea $x_{n+1}-x_n=\xi_n$ entonces $a_n+b_n$ es la solución general de la recurrencia no homogénea.

La solución general $a_n$ de la relación de recurrencia homogénea asociada $x_{n+1}-x_n=0$ es trivial, es decir $a_n=0$ para todos $n\ge0$ . De hecho, la ecuación característica es $\lambda-1=0$ para que $a_n=\alpha^1$ y a partir de la condición inicial $x_0=0$ tenemos $\alpha=0$ es decir $a_n=0$ .

Ahora tenemos que encontrar una solución particular $x_n=b_n$ de la relación (2). Observando que el término $\xi_n=\frac{6^n}{n!}$ es el $n$ -término de la serie exponencial, y que la diferencia entre el $n+1$ -décima legislatura $b_{n+1}$ y el $n$ -décima legislatura $b_n$ debe ser el $n$ -término de la serie exponencial, podemos tomar una solución particular como una serie exponencial truncada $$ b_n=\sum_{n=0}^{n-1}\frac{6^k}{k!}. $$ Es evidente que $b_n$ satisface la relación(2): $$ \begin{align} b_{n+1}-b_n&=\sum_{k=0}^{n}\frac{6^k}{k!}-\sum_{k=0}^{n-1}\frac{6^k}{k!}\\ &=\left(1+\tfrac{6^1}{1!}+\cdots+\tfrac{6^{n-1}}{(n-1)!}+\frac{6^{n}}{n!}\right)-\left(1+\tfrac{6^1}{1!}+\cdots+\tfrac{6^{n-1}}{(n-1)!}\right)\\ &=\frac{6^{n}}{n!}. \end{align} $$

Así que la solución general de (2) es $$ x_n=a_n+b_n=\sum_{k=0}^{n-1}\frac{6^k}{k!}.\tag 3 $$

Finalmente la solución general de (1) es $$ y_n=(n+1)!2^{1-n}\sum_{k=0}^{n-1}\frac{6^k}{k!}\tag 4 $$ para $n\ge 1$ y $y_0=0$ .

Función generadora ordinaria

Si prefiere trabajar con función generadora multiplicar la recurrencia (2) por $z^n$ y sumar sobre $n$ $$ \sum_{n=0}^\infty x_{n+1}z^n-\sum_{n=0}^\infty x_{n}z^n=\sum_{n=0}^\infty \frac{6^n}{n!}z^n $$ y poner $X(z)=\sum_{n=0}^{\infty} x_nz^n$ para $|z|<1$ tenemos $$ \frac{1}{z}(X(z)-x_0)-X(z)=\operatorname{e}^{6z} $$ es decir $$ X(z)=\frac{z}{1-z}\cdot \operatorname{e}^{6z}. $$ Observando que $\frac{z}{1-z}=\sum_{n=1}^{\infty}z^n$ entonces $x_n$ es el convolución discreta de la discreta Función escalonada de Heaviside $h_n$ y la secuencia $\xi_n=\frac{6^n}{n!}$ Es decir $$x_n=\sum_{k=0}^{n-1}\frac{6^k}{k!}$$

Otras representaciones

Recordando que el función gamma incompleta $\Gamma(\alpha,x)$ viene dada por $$ \Gamma(\alpha,x)=\int_x^\infty t^{\alpha-1}\operatorname{e}^{-t}\operatorname{d}t $$ y que para $\alpha$ un número entero $n$ $$ \Gamma(n,x)=(n-1)!\operatorname{e}^{-x}\sum_{k=0}^{n-1}\frac{x^k}{k!}=(n-1)!\operatorname{e}^{-x}e_{n-1}(x), $$ donde $e_n(x)=\displaystyle\sum_{k=0}^{n-1}\frac{x^k}{k!}$ es la función de suma exponencial, la solución general (4) puede expresarse como

$$ y_n=(n+1)!2^{1-n}e_{n-1}(6) =\operatorname{e}^{6}2^{1-n}(n+1)n\Gamma(n,6)\tag 5 $$

Utilizando el Integral Exponencial Generalizada $E_n$ función definida como $$ E_n(x)= \int_1^\infty\frac{\operatorname{e}^{-xt}}{t^n}\operatorname{d}⁡t= x^{n-1}⁢\Gamma⁡(1-n,x) $$ la solución (5) puede expresarse como

$$ y_n=\operatorname{e}^{6}2^{1-n}(n+1)n6^nE_{1-n}(6).\tag 6 $$

Finalmente, poniendo todo junto, la solución general de (1) puede representarse como

$$ y_n=\operatorname{e}^{6}2^{1-n}(n+1)n\Gamma(n,6)=\operatorname{e}^{6}2^{1-n}(n+1)n6^nE_{1-n}(6).\tag 7 $$

1voto

Jorrit Reedijk Puntos 129

En el "cómo hacer": Intentaría mirar la lista de ecuaciones para disminuir $n$ y tratar de hacer una suma telescópica porque eso lo reduciría a una ecuación, donde en las lhs sólo tenemos $y_{n+1}$ y en el lado derecho una expresión libre de $y$ que, con suerte, se puede convertir en una expresión más bonita en función del índice $n$ de manera que podamos escribir el término general más fácilmente:

$$ \small \begin{array} {} &\; y_{n+1} &-\frac {n+2}2\cdot y_{n } &\;=& 1\cdot &(n+1)(n+2)\cdot 3^n \\ \frac {n+2}2 &( y_{n } &-\frac {n+1}2\cdot y_{n-1} &)= & \frac {n+2}2 \cdot &(n )(n+1)\cdot 3^{n-1} \\ \frac {n+2}2\frac {n+1}2 & ( y_{n-1} &-\frac {n }2\cdot y_{n-2} &)=& \frac {n+2}2 \frac {n+1}2\cdot & (n-1)(n )\cdot 3^{n-2} \\ \\ \vdots \\ \\ \frac {(n+2)!/2!}{2 ^n} & ( y_{1} &-\frac {2 }2\cdot y_{0} &)=& \frac {(n+2)!/2!}{2^n} \cdot & (1)(2 )\cdot 3^{0} \\ \end{array}$$ y esto, cuando se suma por columnas se reduce a $y_{n+1}$ en la lhs y una suma en la rhs cuyos términos son fácilmente reconocibles y consisten principalmente en los coeficientes binomiales $$ y_{n+1} = \sum \small \text{<something depending on $ n $ >}$$

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