斐波拉契数列(Fibonacci sequence)

Fk+2=Fk+1+Fk , k=0,1,2...F_{k+2}=F_{k+1}+F_k\ ,\ k=0,1,2...

0,1,1,2,3,5,8...0,1,1,2,3,5,8...

uk=[Fk+1Fk]u_k=\left[ \begin{array}{c} F_{k+1}\\ F_k\\ \end{array} \right] ,则 uk+1u_{k+1}uku_k 的关系是

uk+1=[Fk+2Fk+1]=[1110][Fk+1Fk]=Auku_{k+1}=\left[ \begin{array}{c} F_{k+2}\\ F_{k+1}\\ \end{array} \right] =\left[ \begin{matrix} 1& 1\\ 1& 0\\ \end{matrix} \right] \left[ \begin{array}{c} F_{k+1}\\ F_k\\ \end{array} \right] =Au_k

所以可以得出

uk=Auk1=A2uk2=Aku0u_k=Au_{k-1}=A^2u_{k-2}=A^ku_0

可以求出矩阵 AA 的特征值和对应的特征向量

λ1=1+52           λ2=152\lambda _1=\frac{1+\sqrt{5}}{2}\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \lambda _2=\frac{1-\sqrt{5}}{2}

x1=[1+521]=[λ11]           x1=[1521]=[λ21]x_1=\left[ \begin{array}{c} \frac{1+\sqrt{5}}{2}\\ 1\\ \end{array} \right] =\left[ \begin{array}{c} \lambda _1\\ 1\\ \end{array} \right] \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ x_1=\left[ \begin{array}{c} \frac{1-\sqrt{5}}{2}\\ 1\\ \end{array} \right] =\left[ \begin{array}{c} \lambda _2\\ 1\\ \end{array} \right]

因此,矩阵 AA 可以进行对角化分解

A=SΛS1=[λ1λ211][λ100λ2][λ1λ211]1A=S\varLambda S^{-1}=\left[ \begin{matrix} \lambda _1& \lambda _2\\ 1& 1\\ \end{matrix} \right] \left[ \begin{matrix} \lambda _1& 0\\ 0& \lambda _2\\ \end{matrix} \right] \left[ \begin{matrix} \lambda _1& \lambda _2\\ 1& 1\\ \end{matrix} \right] ^{-1}

所以

uk=Aku0=SΛkS1u0u_k=A^ku_0=S\varLambda ^kS^{-1}u_0

从而得出

uk=λ1kλ1λ2[λ11]λ2kλ1λ2[λ21]=[Fk+1Fk]u_k=\frac{\lambda _1^k}{\lambda _1-\lambda _2}\left[ \begin{array}{c} \lambda _1\\ 1\\ \end{array} \right] -\frac{\lambda _{2}^{k}}{\lambda _1-\lambda _2}\left[ \begin{array}{c} \lambda _2\\ 1\\ \end{array} \right] =\left[ \begin{array}{c} F_{k+1}\\ F_k\\ \end{array} \right]

Fk=1λ1λ2(λ1kλ2k)=15[(1+52)k(152)k]  for k0F_k=\frac{1}{\lambda _1-\lambda _2}\left( \lambda _{1}^{k}-\lambda _{2}^{k} \right) =\frac{1}{\sqrt{5}}\left[ \left( \frac{1+\sqrt{5}}{2} \right) ^k-\left( \frac{1-\sqrt{5}}{2} \right) ^k \right]\ \ for\ k\ge 0

In general

对于 n 阶,常系数,线性齐次差分方程

Gk+n=a1Gk+n1+a2Gk+n2++anGkG_{k+n}=a_1G_{k+n-1}+a_2G_{k+n-2}+\cdot \cdot \cdot +a_nG_k

初始条件是 Gn1,,G1,G0G_{n-1},\cdot \cdot \cdot ,G_1,G_0

对于非齐次的差分方程,比如

Fk+2=Fk+1+Fk+2F_{k+2}=F_{k+1}+F_k+2

可以通过“平移”消除掉常数项

FkF_k 有一个特解是常数 ccFk=cF_k=c ,代入上式 c=c+c+2c=c+c+2 解得 c=2c=-2

所以就可以设 Fk=Gk2F_k=G_k-2 ,原方程就转换为

Gk+2=Gk+1+GkG_{k+2}=G_{k+1}+G_k

就转换为了齐次的差分方程

uk=[Gk+n1Gk+n2Gk]u_k=\left[ \begin{array}{c} G_{k+n-1}\\ G_{k+n-2}\\ \vdots\\ G_k\\ \end{array} \right]

uk+1=[Gk+nGk+n1Gk+1]=[a1a2an1an100001000000010][Gk+n1Gk+n2Gk]=An×nuku_{k+1}=\left[ \begin{array}{c} G_{k+n}\\ G_{k+n-1}\\ \vdots\\ G_{k+1}\\ \end{array} \right] =\left[ \begin{matrix} a_1& a_2& \cdots& a_{n-1}& a_n\\ 1& 0& \cdots& 0& 0\\ 0& 1& \cdots& 0& 0\\ \vdots& \vdots& \ddots& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1& 0\\ \end{matrix} \right] \left[ \begin{array}{c} G_{k+n-1}\\ G_{k+n-2}\\ \vdots\\ G_k\\ \end{array} \right] =A_{n\times n}u_k

  1. 如果矩阵 AA 可以对角化分解,则进行对角化分解

A=SΛS1=[x1x2xn][λ1λ2λn][x1x2xn]1A=S\varLambda S^{-1}=\left[ \begin{matrix} x_1& x_2& \cdots& x_n\\ \end{matrix} \right] \left[ \begin{matrix} \lambda _1& & & \\ & \lambda _2& & \\ & & \ddots& \\ & & & \lambda _n\\ \end{matrix} \right] \left[ \begin{matrix} x_1& x_2& \cdots& x_n\\ \end{matrix} \right] ^{-1}

其中 xxAA 的特征向量,λ\lambda 为对应的特征值

  1. uk=Aku0=SΛkS1u0=SΛkcu_k=A^ku_0=S\varLambda ^kS^{-1}u_0=S\varLambda ^kc

展开写

uk=[x1x2xn][λ1kλ2kλnk][c1c2cn]u_k=\left[ \begin{matrix} x_1& x_2& \cdots& x_n\\ \end{matrix} \right] \left[ \begin{matrix} \lambda _{1}^{k}& & & \\ & \lambda _{2}^{k}& & \\ & & \ddots& \\ & & & \lambda _{n}^{k}\\ \end{matrix} \right] \left[ \begin{array}{c} c_1\\ c_2\\ \vdots\\ c_n\\ \end{array} \right]

其中 c=S1u0c=S^{-1}u_0 ,可以理解为用 AA 的特征向量 x1,x2,xnx_1,x_2,\cdots x_n 的线性组合表示出向量 u0u_0 时的系数

u0=[Gn1Gn2G0]=c1x1+c2x2++cnxn=[x1x2xn][c1c2cn]u_0=\left[ \begin{array}{c} G_{n-1}\\ G_{n-2}\\ \vdots\\ G_0\\ \end{array} \right] =c_1x_1+c_2x_2+\cdots +c_nx_n=\left[ \begin{matrix} x_1& x_2& \cdots& x_n\\ \end{matrix} \right] \left[ \begin{array}{c} c_1\\ c_2\\ \vdots\\ c_n\\ \end{array} \right]

  1. 最后就可以写出 GkG_k 的表达式,是 UkU_k 的最后一项

差分方程稳定性

稳定性由矩阵 AA 的特征值决定,所有特征值满足:λi<1\left| \lambda _i \right|< 1 此时是稳定的

对于实数特征值:

  • 0<λ<10<\lambda <1 单调衰减
  • 1<λ<0-1<\lambda <0 振荡衰减

对于复数特征值:λ=λeiθ\lambda =\left| \lambda \right|e^{i\theta} 其中 λ\left| \lambda \right| 为模/幅值,θ\theta​ 为辐角

  • λ<1\left| \lambda \right|<1 衰减,θ\theta 为角频率(单位是rad/step),θ2π\frac{\theta}{2\pi} 为频率(单位是cycles/step),对于 step 为时间间隔时,θΔt\frac{\theta}{\varDelta t} 为角频率,θ2πΔt\frac{\theta}{2\pi\varDelta t} 为频率

References