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シフト作用素と漸化式md 6167471
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シフト作用素さようそ漸化式ぜんかしき

mathsequencerecurrenceshift-operatorlinear-operatorlecture

1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、差分さぶんdifference和分わぶんindefinite sum漸化式ぜんかしきrecurrence relationを、れつを 1 こう前進ぜんしんさせるシフト作用素さようそshift operator E によって統一的とういつてき記述きじゅつする。

差分さぶんはシフトれつもとれつであり、和分わぶんはその逆問題ぎゃくもんだいである。また、定数係数線型漸化式ていすうけいすうせんけいぜんかしきはシフトしたれつ線型結合せんけいけつごうとして表現ひょうげんできる。したがって、中心的ちゅうしんてき作用素さようそ

(Ea)n=an+1

である。

この解釈かいしゃくにより、漸化式ぜんかしきたんなるこう更新規則こうしんきそくではなく、

P(E)a=b

という線型作用素方程式せんけいさようそほうていしきlinear operator equationになる。

2用語ようご定義ていぎ

れつ a=(an) 全体ぜんたいからなる空間くうかんかんがえる。必要ひつようおうじて、両側りょうがわ無限列むげんれつ (an)nZ片側かたがわれつ (an)n[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0使つかう。ここでは、添字そえじ定義ていぎできる範囲はんい議論ぎろんする。

シフト作用素さようそshift operator E

(Ea)n=an+1

定義ていぎする。

恒等作用素こうとうさようそidentity operator I

(Ia)n=an

である。

前進差分ぜんしんさぶんforward difference Δ

(Δa)n=an+1-an

である。したがって

Δ=E-I

である。

この規約きやくは Z 変換へんかん講義こうぎ一致いっちし、両側りょうがわ Z 変換へんかんでは Ez による乗算じょうざん対応たいおうする。

3方針ほうしん

この講義こうぎでは、つぎじゅん確認かくにんする。

  1. E線型作用素せんけいさようそlinear operatorであることを証明しょうめいする。
  2. Δ=E-I から差分さぶん公式こうしきみちびく。
  3. ΔF=f和分わぶん、すなわち差分さぶん逆問題ぎゃくもんだいとして定式化ていしきかする。
  4. 定数ていすう係数けいすう線型せんけい漸化式ぜんかしきP(E)a=bく。
  5. rnE固有列こゆうれつeigen-sequenceであることから、特性とくせい方程式ほうていしきみちびく。

この順序じゅんじょにより、各手法かくしゅほう採用理由さいようりゆう作用素さようそ構造こうぞうから説明せつめいできる。

個別こべつ入試にゅうしかたや、固定点こていてん階差かいさ消去しょうきょ連立れんりつ帰納法きのうほうへの使つかけは、つぎ講義こうぎ整理せいりする。

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4命題めいだい 1:E線型作用素せんけいさようそlinear operatorである

4.1主張しゅちょう

れつ空間上くうかんじょうE線型作用素せんけいさようそlinear operatorである。

4.2証明しょうめい

れつ a,b とスカラー α,β任意にんいる。このとき

\begin{aligned} (E(\alpha a+\beta b))_n &=(\alpha a+\beta b)_{n+1}\\ &=\alpha a_{n+1}+\beta b_{n+1}\\ &=(\alpha Ea+\beta Eb)_n \end{aligned}

である。これはすべての n成立せいりつするので

E(αa+βb)=αEa+βEb

である。したがって E線型せんけいである。

5差分さぶんE-I である

前進ぜんしん差分さぶん

(Δa)n=an+1-an

である。一方いっぽう

((E-I)a)n=(Ea)n-(Ia)n=an+1-an

である。したがって

Δ=E-I

である。

ここから、Δ線型性せんけいせいlinearityただちにしたがう。EI線型せんけいであるため、その E-I線型せんけいである。実際じっさい

Δ(αa+βb)=(E-I)(αa+βb)=α(E-I)a+β(E-I)b=αΔa+βΔb

である。

6二項定理にこうていりによる高階差分こうかいさぶん

Δ=E-I であり、EI可換かかんである。したがって

Δm=(E-I)m

二項定理にこうていりbinomial theorem適用てきようできる。

Δm=k=0m(-1)k(mk)Em-k

である。れつ a作用さようさせると

(Δma)n=k=0m(-1)k(mk)an+m-k

る。

この公式こうしき符号ふごう添字そえじは、(E-I)m二項展開にこうてんかいによって決定けっていされる。

7和分わぶん差分さぶん逆問題ぎゃくもんだいである

不定和分ふていわぶんindefinite sum基本きほん問題もんだい

ΔF=f

たすれつ F決定けっていすることである。これは

F(n+1)-F(n)=f(n)

意味いみする。

n=a,a+1,,b-1 について両辺りょうへん加算かさんすると

n=ab-1f(n)=n=ab-1(F(n+1)-F(n))

である。右辺うへん望遠和ぼうえんわtelescoping sumなので

n=ab-1f(n)=F(b)-F(a)

る。

これは連続れんぞく微積分びせきぶん

abF(x)dx=F(b)-F(a)

となることの離散りさんはんである。つまり、ふんとは Δ逆問題ぎゃくもんだいである。

8せき差分さぶんにおけるシフトこう

連続れんぞく微分びぶんでは微分びぶん

(uv)=uv+uv

となる。しかし差分さぶんでは、ずれがのこる。

実際じっさい

\begin{aligned} \Delta(uv)(n) &=u(n+1)v(n+1)-u(n)v(n)\\ &=u(n+1)v(n+1)-u(n)v(n+1)\\ &\qquad +u(n)v(n+1)-u(n)v(n)\\ &=v(n+1)(u(n+1)-u(n))+u(n)(v(n+1)-v(n)) \end{aligned}

である。したがって

Δ(uv)=(Ev)Δu+uΔv

である。

右辺うへん(Ev) は、前進差分ぜんしんさぶんが 1 項先こうさきあたいふくむことをあらわす。離散計算りさんけいさんでは、このシフトを省略しょうりゃくして連続微分れんぞくびぶん公式こうしき適用てきようしてはならない。

9部分和公式ぶぶんわこうしき離散版りさんばん部分積分ぶぶんせきぶん

差分さぶん公式こうしき

Δ(uv)=uΔv+(Ev)Δu

変形へんけいすると

uΔv=Δ(uv)-(Ev)Δu

である。両辺りょうへんふんすると

uΔv=uv-(Ev)Δu

という形式けいしきる。有限範囲ゆうげんはんいでは

n=ab-1u(n)Δv(n)=u(b)v(b)-u(a)v(a)-n=ab-1v(n+1)Δu(n)

成立せいりつする。これは連続れんぞく部分積分ぶぶんせきぶん

udv=uv-vdu

離散りさんはんである。

ただし、右辺うへんv ではなく Evあらわれる。この一項いっこう偏移へんいが、差分法さぶんほうシフト作用素さようそshift operator明示めいじする理由りゆうである。

10漸化式ぜんかしきP(E)a=b である

定数ていすう係数けいすう線型せんけい漸化式ぜんかしき

an+k=c1an+k-1+c2an+k-2++ckan+bn

かんがえる。左辺さへんあつめると

an+k-c1an+k-1-c2an+k-2--ckan=bn

である。Eもちいると

(Ek-c1Ek-1-c2Ek-2--ckI)a=b

ける。

つまり

P(E)a=b

である。ただし

P(t)=tk-c1tk-1-c2tk-2--ck

である。

この段階だんかいで、漸化式ぜんかしき一般いっぱん線型作用素方程式せんけいさようそほうていしきlinear operator equationになっている。したがって

P(E)a=bissolvablebImP(E)

であり、特解とくかい ap が 1 つ存在そんざいすれば

a=ap+h,hkerP(E)

である。

11固有列こゆうれつ特性方程式とくせいほうていしき

両側列りょうがわれつでは r0 とし、片側列かたがわれつでは n[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0rn定義ていぎする。この幾何列きかれつたいして

E(rn)=rn+1=rrn

である。つまり rnE固有列こゆうれつeigen-sequenceであり、固有値こゆうちr である。

したがって

P(E)(rn)=P(r)rn

である。よって同次どうじ方程式ほうていしき

P(E)a=0

an=rnかいとなる条件じょうけん

P(r)=0

である。これが特性方程式とくせいほうていしきcharacteristic equationである。

特性とくせい方程式ほうていしきは、rnE固有こゆうれつであるためにあらわれる。したがって、定数ていすう係数けいすう線型せんけい漸化式ぜんかしき特性とくせい方程式ほうていしきほうは、固有値問題こゆうちもんだいeigenvalue problem離散りさんはんである。

12れい:Fibonacci かた漸化式ぜんかしき

漸化式ぜんかしき

fn+2=fn+1+fn

(E2-E-I)f=0

である。したがって

P(t)=t2-t-1

であり、特性とくせい方程式ほうていしき

r2-r-1=0

である。こん

r1=1+52,r2=1-52

である。r1nr2n はそれぞれ kerP(E)ぞくする。ことなるこん対応たいおうする 2 れつ線型独立せんけいどくりつである。また、この二階漸化式にかいぜんかしきかいf0,f1 によって一意いちい決定けっていされるため、解空間かいくうかんは 2 次元じげんである。したがって、これらは解空間かいくうかん基底きていをなし、一般解いっぱんかい

fn=C1r1n+C2r2n

る。定数ていすう C1,C2初期条件しょきじょうけんまる。

ここで重要じゅうようなのは、rnため理由りゆうである。rnE固有こゆうれつであり、P(E)P(r)ちるからである。

13定数係数ていすうけいすう非定数係数ひていすうけいすうちが

定数ていすう係数けいすうなら、漸化式ぜんかしきP(E)かたちける。係数けいすう定数ていすうであるため、E係数けいすう可換かかんであり、多項式たこうしきとしてあつかえる。

しかし係数けいすうn依存いぞんすると状況じょうきょうわる。たとえば

an+1-nan=0

かんがえる。M

(Ma)n=nan

定義ていぎされる掛け算作用素ざんさようそmultiplication operatorとすると、この方程式ほうていしき

(E-M)a=0

かたちける。しかし一般いっぱん

EMME

である。実際じっさい

(EMa)n=(Ma)n+1=(n+1)an+1

だが

(MEa)n=n(Ea)n=nan+1

である。

したがって、非定数係数ひていすうけいすうでは通常つうじょう多項式たこうしき P(E) として表現ひょうげんできず、特性方程式法とくせいほうていしきほう一般いっぱんには成立せいりつしない。定数係数ていすうけいすうという仮定かていは、作用素さようそ可換性かかんせい保証ほしょうする本質的条件ほんしつてきじょうけんである。

14Newton の前進公式ぜんしんこうしきn[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0

Δ=E-I なので

E=I+Δ

である。したがって

En=(I+Δ)n

である。IΔ可換かかんなので、二項定理にこうていりより

En=k=0n(nk)Δk

である。

両辺りょうへんれつ f0 番目ばんめ作用さようさせると

f(n)=(Enf)0=k=0n(nk)(Δkf)0

る。これは初期値しょきち初期しょき差分さぶんかられつ復元ふくげんする公式こうしきである。

15成立範囲せいりつはんい

この講義こうぎP(E) 表示ひょうじは、おも定数係数ていすうけいすう線型漸化式せんけいぜんかしきたいして有効ゆうこうである。非線型漸化式ひせんけいぜんかしきには線型作用素方程式せんけいさようそほうていしき構造こうぞうがない。非定数係数ひていすうけいすう線型漸化式せんけいぜんかしきでは、係数作用素けいすうさようそとシフト作用素さようそ一般いっぱん可換かかんでないため、通常つうじょう特性方程式法とくせいほうていしきほう適用てきようできない。

また、片側列かたがわれつでは E-1つね自然しぜん定義ていぎできるとはかぎらない。後退差分こうたいさぶん両側りょうがわシフトをあつかうときは、列空間れつくうかんをどの添字集合そえじしゅうごうじょうくかを明示めいじする必要ひつようがある。

16主要公式しゅようこうしき

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")](Ea)n=an+1
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]Δ=E-I
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]ΔF=f(indefinitesumproblem)
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]P(E)a=b(constantcoefficientlinearrecurrence)[PARSE ERROR: Undefined("RBrace")]
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]E(rn)=rrn,P(E)(rn)=P(r)rn
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]P(r)=0(characteristicequation)

17要約ようやく

漸化式ぜんかしきrecurrence relationは、シフト作用素さようそshift operator E による線型作用素方程式せんけいさようそほうていしきlinear operator equationであり、特性とくせい方程式ほうていしきE固有こゆうれつ rn からしょうじる。

18関連かんれんリンク

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Shift Operators and Recurrence Relations

1Introduction

This lecture unifies differences, indefinite sums, and recurrences through the forward shift operator

(Ea)n=an+1.

A constant-coefficient linear recurrence then becomes the linear operator equation P(E)a=b.

2Terminology and Definitions

Work with bilateral sequences indexed by Z or unilateral sequences indexed by n[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0, as specified. Define

(Ea)n=an+1,(Ia)n=an,

and the forward difference

(Δa)n=an+1-an,Δ=E-I.

This convention agrees with the Z-transform lecture: the bilateral transform maps E to multiplication by z.

3Program

The development proceeds by proving linearity of E, deriving difference identities from Δ=E-I, treating ΔF=f as an inverse problem, expressing recurrences as P(E)a=b, and deriving the characteristic equation from the eigen-sequence rn.

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4Proposition 1: E Is a Linear Operator

4.1Statement

The shift E is linear on the sequence space.

4.2Proof

For sequences a,b and scalars α,β,

\begin{aligned} (E(\alpha a+\beta b))_n &=(\alpha a+\beta b)_{n+1}\\ &=\alpha a_{n+1}+\beta b_{n+1}\\ &=(\alpha Ea+\beta Eb)_n. \end{aligned}

The identity holds for every admissible n, hence E(αa+βb)=αEa+βEb.

5The Difference Is E-I

Since

((E-I)a)n=an+1-an=(Δa)n,

Δ=E-I. Therefore Δ is linear as the difference of linear operators:

Δ(αa+βb)=αΔa+βΔb.

6Higher Differences from the Binomial Theorem

Because E and I commute,

Δm=(E-I)m=k=0m(-1)k(mk)Em-k.

Consequently,

(Δma)n=k=0m(-1)k(mk)an+m-k.

Thus the signs and indices follow directly from the operator binomial expansion.

7Indefinite Summation as the Inverse Difference Problem

An indefinite sum seeks F satisfying ΔF=f, or F(n+1)-F(n)=f(n). Summing from n=a to b-1 telescopes:

n=ab-1f(n)=n=ab-1(F(n+1)-F(n))=F(b)-F(a).

This is the discrete counterpart of abF(x)dx=F(b)-F(a).

8The Shift Term in a Product Difference

Direct calculation gives

\begin{aligned} \Delta(uv)(n) &=u(n+1)v(n+1)-u(n)v(n)\\ &=v(n+1)(u(n+1)-u(n))+u(n)(v(n+1)-v(n)), \end{aligned}

so

Δ(uv)=(Ev)Δu+uΔv.

The shift Ev cannot be omitted by copying the continuous product rule.

9Summation by Parts Is Discrete Integration by Parts

Rearranging the product rule gives uΔv=Δ(uv)-(Ev)Δu. Indefinite summation yields

uΔv=uv-(Ev)Δu,

the discrete counterpart of udv=uv-vdu. The one-step shift explains why the shift operator must remain explicit.

On a finite range, the precise boundary formula is

n=ab-1u(n)Δv(n)=u(b)v(b)-u(a)v(a)-n=ab-1v(n+1)Δu(n).

10A Recurrence Is P(E)a=b

For

an+k=c1an+k-1++ckan+bn,

define P(t)=tk-c1tk-1--ck. Then

P(E)a=b.

The operator equation is solvable exactly when bImP(E). If ap is one solution, every solution is

a=ap+h,hkerP(E).

11Eigen-Sequences and the Characteristic Equation

For bilateral sequences assume r0; for unilateral sequences define rn on n[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0. The geometric sequence satisfies

E(rn)=rrn,

so it is an eigen-sequence of E with eigenvalue r. Hence

P(E)(rn)=P(r)rn.

It solves P(E)a=0 precisely when P(r)=0. The characteristic-equation method is therefore the discrete eigenvalue method for constant-coefficient linear recurrences.

12Example: A Fibonacci-Type Recurrence

The recurrence fn+2=fn+1+fn is

(E2-E-I)f=0.

Its characteristic polynomial is P(t)=t2-t-1, with roots

r1=1+52,r2=1-52.

The sequences r1n and r2n are linearly independent. Moreover, a solution of this second-order recurrence is uniquely determined by the two initial values f0,f1, so its solution space is two-dimensional. Hence these sequences form a basis and

fn=C1r1n+C2r2n,

and initial conditions determine C1,C2. The geometric trial sequences are justified because they are eigen-sequences of E.

13Constant and Nonconstant Coefficients

Constant coefficients commute with E, allowing the polynomial P(E). For the variable-coefficient recurrence an+1-nan=0, define (Ma)n=nan. The equation is (E-M)a=0, but

(EMa)n=(n+1)an+1,(MEa)n=nan+1,

so EMME. Thus the ordinary polynomial calculus and simple characteristic equation generally fail for nonconstant coefficients. Constancy is an essential commutativity hypothesis.

14Newton's Forward Formula (n[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"ge\")")]0)

Since E=I+Δ and the operators commute,

En=(I+Δ)n=k=0n(nk)Δk.

Applying both sides to the zeroth entry of f gives

f(n)=(Enf)0=k=0n(nk)(Δkf)0,

which reconstructs a sequence from its initial forward differences.

15Scope

The representation P(E)a=b applies primarily to constant-coefficient linear recurrences. Nonlinear recurrences lack this linear operator structure; variable coefficients generally do not commute with E, so the usual characteristic method is unavailable.

On unilateral sequence spaces, E-1 need not have a natural definition. Any use of backward differences or bilateral shifts must specify the index set of the sequence space.

16Canonical Formulas

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")](Ea)n=an+1,[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]Δ=E-I,
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]ΔF=f(indefinitesumproblem),
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]P(E)a=b(constantcoefficientlinearrecurrence)[PARSE ERROR: Undefined("RBrace")],
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]E(rn)=rrn,P(E)(rn)=P(r)rn,
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]P(r)=0(characteristicequation).

17Summary

A recurrence relation is a linear operator equation in the shift E when it is linear with constant coefficients. Its characteristic equation arises from the eigen-sequences rn of E.

18Related Lectures

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