TU Wien:Algebra und Diskrete Mathematik VU (diverse)/Übungen 2025W/Beispiel 225

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Gesucht ist die allgemeine Lösung der linearen homogenen Differenzengleichungen

  1. (a) xn+2−5xn+1−6xn=0
  2. (b) xn+2−6xn+1+12xn=0
  3. (c) xn+2−5xn+1+6,25xn=0
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Crispy's Versuch

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(a): xn+2−5xn+1−6xn=0

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Wir wählen als Ansatz xn(h)=λn. Für lineare Differenzengleichungen ergibt sich eine charakteristische Gleichung der Form:

λn+2+aλn+1+bλn=0durch λn dividierenλ2+aλ+b=0

Für unsere Differenzengleichung heißt das:

λ2−5λ−6=0

Einsetzen in die Lösungsformel für quadratische Gleichungen ergibt:

1λ2=−a±a2−4b2=5±(−5)2−4(−6)2=5±25+242=5±492=5±72=−1;6

Nach Adam Riesling (Satz 7.17, Buch S. 282) gilt, dass man alle Lösungen der homogenen Gleichung durch 2 linear unabhängige Lösungen erhält duch den Ausdruck

xn=C1⋅xn(1)+C2⋅xn(2)

D.h., für unsere Beispiel lautet die allgemeine Lösung (der Ansatz war ja xn=λn):

xn=C1⋅(−1)n+C2⋅6n

(b): xn+2−6xn+1+12xn=0

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Nach dem selben Schema:

λ2−6λ+12=01λ2=6±(−6)2−4⋅122=6±36−482=6±−122=6±2⋅2⋅32=3±2⋅3i2=3±3i

Für komplexe Zahlen meint das Buch (S. 283; Fall ii), dass man die Werte am Besten in Polarkoordinaten umrechnet

r=Re2+Im2=(3)2+(±3)2=12φ=atan⁡(ImRe)=atan⁡(±3−3)=±0,5236

und das Ergebnis anschreibt als

xn=C1rn(cos⁡(nφ)+isin⁡(nφ))+C2rn(cos⁡(nφ)−isin⁡(nφ))=rn((C1+C2)cos⁡(nφ)+i(C1−C2)sin⁡(nφ))

Wählen wir nun C1 und C2 konjugiert komplex, so sind die Werte D1 = (C1 + C2) und D2 = i(C1-C2) wieder reell, und wir erhalten

xn=rn(D1⋅cos⁡(nφ)+D2⋅sin⁡(nφ)) mit D1,D2∈ℝ

was bei uns dann so aussieht:

xn=12n(D1⋅cos⁡(n⋅0,5236)+D2⋅sin⁡(n⋅0,5236))

Korrigiert, Crispy 19:36, 14. Jun. 2010 (CEST)

Anmerkung, Nec : Die Dezimalzahl 0.5236 lässt sich im Bogenmaß schöner als π6 darstellen.

(c): xn+2−5xn+1+6,25xn=0

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λ2−5λ+6,25=01λ2=5±25−4⋅6,252=5±02=2,5

Für diesen Fall empfiehlt das Buch als erste Partikulärlösung xn(1)=λ1n, für die zweite xn(1)=nλ1n:

xn=C1λ1n+C2nλ1n=(C1+C2n)λ1n=(C1+C2n)2,5n

P.W.N.E.D.

Crispy 03:24, 11. Jun. 2010 (CEST)

Lösungsvorschlag von mnemetz (basierend auf Lösung aus 2004 unten)

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Ich habe meinen Lösungsvorschlag (basierend auf Lösung aus 2004 unten) mit LaTex nieder geschrieben und das PDF hier zum Download bereitgestellt]. --Markus Nemetz 09:53, 9. Jun 2006 (CEST)

Lösung aus Karigl 2004

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Panholzer Beispielsammlung SS06 Beispiel 82