差分方程

差分方程

数学方程
差分方程又称递推关系式,是含有未知函数及其差分,但不含有导数的方程。 满足该方程的函数称为差分方程的解。差分方程是微分方程的离散化。
    中文名:差分方程 外文名:difference equation 别名:

简介

在数学上,递推关系(recurrence relation),也就是差分方程(difference equation),是一种递推地定义一个序列的方程式:序列的每一项目是定义为前一项的函数。某些简单定义的递推关系式可能会表现出非常复杂的(混沌的)性质,他们属于数学中的非线性分析领域。所谓解一个递推关系式,也就是求其解析解,即关于n的非递归函数。

意义性质

意义

差分方程是微分方程的离散化。一个微分方程不一定可以解出精确的解,把它变成差分方程,就可以求出近似的解来。

比如 dy+y*dx=0,y(0)=1 是一个微分方程, x取值[0,1](注:解为y(x)=e^(-x));要实现微分方程的离散化,可以把x的区间分割为许多小区间 [0,1/n],[1/n,2/n],...[(n-1)/n,1]这样上述微分方程可以离散化为:y((k+1)/n)-y(k/n)+y(k/n)*(1/n)=0, k=0,1,2,...,n-1 (n 个离散方程组)利用y(0)=1的条件,以及上面的差分方程,就可以计算出 y(k/n) 的近似值了。

性质

性质1 Δk(xn+yn)=Δkxn+Δkyn

性质2 Δk(cxn)=cΔkxn

性质3 Δkxn=∑(-1)jCjkXn+k-j

性质4 数列的通项为n的无限次可导函数,对任意k>=1,存在η,有 Δkxn=f(k)(η)

基本概念

一、差分的概念

设函数yt=f(t)在t=…,-2,-1,0,1,2,…处有定义,对应的函数值为…,y-2,y-1,y0,y1,y2,…,则函数yt=f(t)在时间t的一阶差分定义为 Dyt=yt+1-yt=f(t+1)-f(t)。

依此定义类推,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),………………

一阶差分的性质

(1) 若yt=C(C为常数),则Dyt=0;

(2) 对于任意常数k,D(KYT)=kDyt;

(3) D(yt+zt)=Dyt+Dzt。

函数yt=f(t)在时刻t的二阶差分定义为一阶差分的差分,即

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

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

依此定义类推,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,………………

类推,计算两个相继的二阶差分之差,便得到三阶差分

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

含有未知函数yt=f(t)以及yt的差分Dyt, D2yt,…的函数方程,称为(简称);出现在差分方程中的差分的最高阶数,称为。n阶差分方程的一般形式为F(t,yt,Dyt,…, Dnyt)=0,其中F是t,yt, Dyt,…, Dnyt的已知函数,且Dnyt一定要在方程中出现。

含有两个或两个以上函数值yt,yt+1,…的函数方程,称为,出现在差分方程中未知函数下标的最大差,称为。n阶差分方程的一般形式为F(t,yt,yt+1,…,yt+n)=0,其中F为t,yt,yt+1,…,yt+n的已知函数,且yt和yt+n一定要在差分方程中出现。

经济学中的应用

一、 存款模型

设St为t期存款总额,i为存款利率,则St与i有如下关系式:

St+1=St+iSt=(1+i)Si, t=0,1,2,…,

其中S0为初始存款总额。

二、 动态供需均衡模型(蛛网定理)

设Dt表示t期的需求量,St表示t期的供给量,Pt表示商品t期价格,则传统的动态供需均衡模型为:

其中a,b,a1 ,b1均为已知常数。

(1)式表示t期(现期)需求依赖于同期价格;

(2)式表示t期(现期)供给依赖于(t-1)期(前期)价格。

(3)式为供需均衡条件。

若在供需平衡的条件下,而且价格保持不变,即 Pt=Pt-1=Pe,静态均衡价格需求曲线与供给曲线的交点(Pe ,Qe)即为该种商品的静态均衡点。

若初始价格P0已知时,将其代入通解,可求得任意常数A=P0-Pe ,此时,通解改写为

如果初始价格P0=Pe ,那么Pt=Pe ,这表明没有外部干扰发生,价格将固定在常数值Pe上,即静态均衡。如果初始价格P0≠Pe,那么价格Pt将随t的变化而变化。

三、 凯恩斯(Keynes.J.M)乘数动力学模型

设Yt表示t期国民收入,Ct为t期消费,It为t期投资,DI0为自发(固定)投资,I为周期固定投资增量。凯恩斯国民经济收支动态均衡模型为:

(1)式为均衡条件,即国民收入等于同期消费与同期投资之和;(2)式为消费函数,即现期消费水平依赖于前期国民收入(消费滞后于收入一个周期),a(≥0)为基本消费水平,b为边际消费倾向(0<b<1);(3)式为投资函数,这里仅考虑为固定投资。在凯恩斯主义者眼里,“资本”也是一个同质的总量概念,即只有一个“总资本”,他们无法理解,资本是迂回的生产链条,有复杂的时间结构。

四、 哈罗德(Harrod.R.H)经济增长模型

哈罗德—多马模型(Harrod-DomarModel,H-D)是对凯恩斯S=I模型早期的动态化发展,提出在假定资本产出比不变的情况下,均衡经济增长率取决于储蓄率,即储蓄倾向。设St为t期储蓄,Yt为t期国民收入,It为t期投资,s称为边际储蓄倾向(即平均储蓄倾向),0<s<1,k为加速系数。哈罗德宏观经济增长模型为:

其中s,k为已知常数。(1)式表示t期储蓄依赖于前期的国民收入;(2)式表示t期投资为前两期国民收入差的加速,且预期资本加速系数k为常数;(3)式均衡条件。

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