Tallfølger er noe av det første vi treffer i matematikken, for eksempel når vi lærer å telle.

Transkript

1 Kapittel 1 Tallfølger 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8,... Det andre temaet i kurset MAT1001 er differenslikninger. I en differenslikning er den ukjente en tallfølge. I dette kapittelet skal vi legge grunnlaget for resten av kompendiet ved å se litt nærmere på tallfølger og generelle differenslikninger. 1.1 Tallfølger og konvergens Tallfølger er noe av det første vi treffer i matematikken, for eksempel når vi lærer å telle. Definisjon 1.1 En tallfølge er en uendelig oppramsing av tall x 0, x 1, x 2,..., x n,.... En tallfølge betegnes ofte ved {x n } n=0 Tallene x 0, x 1,... kalles leddene i tallfølgen, og tallet x n kalles det n-te leddet (eller det generelle leddet). Vi kjenner igjen symbolet som uendelig. Den uendelige oppramsingen av en tallfølge angis som oftest ved en regel som sier hvordan det n-te leddet i tallfølgen ser ut. Regelen er gjerne gitt ved en formel (når vi setter inn en verdi for n i formelen, kan vi regne ut hva det n-te leddet er). 1

2 Eksempel 1.2 Tallfølgen 0, 1, 2, 3,..., n,... kan forkortet skrives {n} n=0, dvs. formelen for det n-te leddet er x n = n. Bemerkning 1.3 Noen ganger starter tallfølgen med et annet ledd enn det 0-te leddet, og vi skriver ofte {x n } for en tallfølge. Hvis x n er angitt ved en formel er det da underforstått at vi starter med det første leddet der formelen for x n gir mening. Hvis vi ønsker å studere en tallfølge som starter med det k-te leddet, skriver vi {x n } n=k. Vi vil ofte bruke ordet følge istedenfor tallfølge. Eksempel 1.4 Følgen 0, 1, 2, 3,..., n,... kan også angis ved {n 1} n=1. Eksempel 1.5 Følgen { 1 } = 1, 1, 1,..., 1,... har det n-te leddet gitt ved n 2 3 n 1. Vi kan ikke sette inn n = 0 (siden vi ikke kan dele på 0), så det første n leddet i følgen her er x 1 = 1 = 1. 1 Vi har allerede møtt flere eksempler på følger i populasjonsdynamikken: Eksempel 1.6 I eksempelet om PiggAv-ordningen i Kompendium 1 fant vi at andel bilister som kjører piggfritt i år n etter 1990 er (tilnærmet) x n = 73 73(0.63) n (1.1) og andel som kjører med pigg i år n etter 1990 er (tilnærmet) y n = (0.63) n. (1.2) Dette er eksempler på to følger {x n } og {y n } der formlene for det n-te leddet er gitt ved henholdsvis (1.1) og (1.2). Vi regnet ut de 18 første leddene i hver av disse følgene i Kompendium 1. Vi tar med et par spesielle følger vi skal møte som har egne navn: En konstant følge er en følge der alle leddene er like, for eksempel følgen {7} = 7, 7, 7, 7,... 2

3 En alternerende følge er en følge der leddene har alternerende fortegn, dvs. fortegnet skifter fra et ledd til det neste. Vi gjenkjenner en alternerende følge ved at det n-te leddet har ( 1) n som faktor. For eksempel {( 1) n } = 1, 1, 1, 1, 1,... eller { ( 1)n n } = 1, 1 2, 1 3, 1 4, 1 5,... Siden en følge er en uendelig oppramsing, kan det være naturlig å stille spørsmålet: stopper følgen? Mer presist spør vi oss da om leddene x n i følgen nærmer seg et tall når n går mot uendelig (n blir større og større). Dette har vi allerede sett på i Kompendium 1: Eksempel 1.7 I Kompendium 1 så vi at følgene {x n } (1.1) og {y n } (1.2) (PiggAv-eksempelet) nærmer seg tallene x = 73 og y = 27, dvs. disse følgene stopper opp. Vi bruker språket vi innførte i Kompendium 1: Definisjon 1.8 Følgen {x n } konvergerer mot tallet x hvis leddene i følgen nærmer seg x når n går mot uendelig. Vi sier at grenseverdien til tallfølgen {x n } er x og skriver lim x n = x. n Hvis leddene i følgen ikke nærmer seg et bestemt tall når n går mot uendelig sier vi at følgen divergerer. Bemerkning 1.9 Det at leddene i følgen nærmer seg et tall x når n går mot uendelig betyr litt mer presist at bare n er stor nok, så kan vi få alle leddene i følgen fra denne n-en av til å være så nærme x vi bare vil. Eksempel 1.10 Følgen {n} i Eksempel 1.2 stopper ikke opp: Siden n blir så stor vi bare vil bare n er stor nok, dvs. lim n n =, så er {n} divergent. 3

4 Følgen { 1 } i Eksempel 1.5 stopper opp, siden leddene går mot 0, dvs. n 1 lim n n = 0. Dette betyr at vi kan få leddene i følgen { 1 } til å være så nærme 0 vi n bare vil, bare n er stor nok. For eksempel, hvis vi ønsker at leddene 1 skal ha avstand høyst minst fra 0, kan vi få til det ved å la n være Den konstante følgen {a} = a, a, a,... konvergerer mot a. I den alternerende følgen {( 1) n } hopper leddene frem og tilbake mellom 1 og 1, så denne følgen divergerer. Derimot konvergerer { ( 1)n n } mot 0 selv om leddene skifter fortegn fra et ledd til neste. 1.2 Differenslikninger Når vi har en formel for det n-te leddet i en følge, kan vi regne ut alle leddene (hvis vi ønsker) og vi kan ofte bestemme om den konvergerer eller divergerer. I anvendelser der en følge er løsning på et problem, får vi ofte oppgitt følgen på en annen måte, nemlig som en differenslikning (vi sparer forkor-telsen difflikning til vi kommer til Kompendium 3 og emnet Differensiallikninger): Eksempel 1.11 Den italienske matematikeren Leonardo Pisano (ca ), bedre kjent som Fibonacci, er blitt viden kjent for sin kaninmodell. Han beskrev utviklingen av en kaninpopulasjon som vokser etter følgende enkle prinsipp: Hvert par av kaniner føder et nytt par kaniner hver måned og de begynner med det når de er to måneder gamle. La oss anta at vi starter med ett par kaniner (og at vi ser bort fra at kaniner dør etterhvert!). Måneden etter har vi fortsatt bare ett par, men så begynner det å skje ting. Etter to måneder har det første paret fått barn og vi har to par kaniner, måneden etter får de et nytt par kaniner, mens de eldste ungene enda ikke har begynt å få unger slik at vi da har tre par kaniner. 4

5 Etter tre måneder får også de førstefødte ungene unger og tilveksten blir to par. Til sammen har vi da fem par kaniner. Vi kan lage en generell beskrivelse av det som skjer. Vi lar x n være antall kaniner etter n måneder. Da har vi likningen x n+2 = x n+1 + x n, n 0, (1.3) som vi kan forklare slik: Antall kaniner etter n+2 måneder består av samtlige kaniner vi hadde forrige måned (x n+1 ), i tillegg til at alle kaniner som levde for to måneder siden har fått unger og derfor tilført et tilsvarende antall (x n ) nye kaninpar. Starter vi med x 0 = x 1 = 1 får vi den såkalte Fibonacci-følgen 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144, 233, 377, 610, 987,... (1.4) Hvert ledd i følgen fremkommer altså som summen av de to foregående leddene: osv. x 2 = x 1 + x 0 = = 2, x 3 = x 2 + x 1 = = 3, x 4 = x 3 + x 2 = = 5, x 5 = x 4 + x 3 = = 8, Likningen (1.3) er et eksempel på en differenslikning. Vi kan strengt tatt regne ut alle leddene i følgen (kalt Fibonacci-tallene) ved hjelp av likningen, men da må vi starte fra x 0 og x 1 og regne oss oppover. Hvor mange kaniner er det etter 4 år (48 måneder)? Hadde vi hatt formelen for denne følgen, kunne vi bare ha satt inn n = 48 istedenfor å regne ut alle de foregående leddene før vi kom til x 48. Det er ikke helt enkelt å se for seg hva slags formel som beskriver det n-te leddet i denne følgen, men det viser seg at Fibonacci-følgen er beskrevet av formelen x n = 5 5 [(1 + 5 ) n+1 ( 1 5 ) n+1 ]. (1.5) 2 2 Du synes kanskje ikke det blir noe enklere å sette inn n = 48 i denne formelen? 5

6 Men er det ikke litt rart at dette uttrykket med flere rottuttrykk er et helt tall (antall kaniner) hver gang vi setter inn et naturlig tall n? Sjekk dette for noen verdier (f.eks. at n = 2 gir 2)! Vi skal utlede formelen (1.5) senere i kompendiet. Definisjon 1.12 En differenslikning (for en følge) er en likning som angir hvordan hvert ledd i en følge (fra et visst ledd av) kan beregnes ved hjelp av de foregående leddene i følgen. Hvis man bare trenger de k foregående leddene (der k N) kalles den en k-te ordens differenslikning. For eksempel er (1.3) en andre ordens differenslikning: (1.3) sier jo at hvert ledd (fra ledd 2 og oppover) fås ved å addere de to foregående leddene. Det vil være uendelig mange følger som oppfyller likningen (1.3). I tillegg til Fibonacci-følgen vil for eksempel følgen 1, 3, 4, 7, 11, 18, 39,... også oppfylle likningen (1.3) (finn flere!). Eksempel 1.13 Likningen x n+1 = 3x 2 n n + 1, n 0, er en første ordens differenslikning. Hvis x 0 = 1 er da x 1 = = 4, x 2 = = 48, x 3 = = 6911, osv. en følge som oppfyller likningen. Det fins et hav av interessante differenslikninger som dukker opp i anvendelser. I MAT1001 skal vi stort sett studere differenslikninger av en bestemt type, nemlig de lineære: Definisjon 1.14 La k N. En k-te ordens lineær differenslikning (med konstante koeffisienter), er en likning på formen x n+k = a 1 x n+k 1 + a 2 x n+k a k x n + f(n), n 0, (1.6) der a 1,..., a k er reelle tall, f(n) er et gitt uttrykk i n og a k 0 (ellers ville likningen ha hatt lavere orden). 6

7 Det at a 1,..., a k alle er konstanter betyr at vi har konstante koeffisienter. Dersom a 1,..., a k tillates å avhenge av n vil likningen fremdeles være en k-te ordens lineær differenslikning, men disse mer generelle likningene skal vi ikke studere i MAT1001. Eksempel 1.15 Likningen (1.3) x n+2 = x n+1 + x n er en andre ordens lineær differenslikning: vi har k = 2, a 1 = 1, a 2 = 1 og f(n) = 0 i (1.6). Eksempel 1.16 Differenslikningen x n+1 = 5x n, n 0 er en første ordens lineær differenslikning (der k = 1, a 1 = 5 og f(n) = 0 i (1.6)). Den sier at leddene i følgene som er gitt ved denne likningen fås ved å multiplisere det umiddelbart foregående leddet med 5. Ordet lineær (som vi så på i Kompendium 1) kommer fra at leddene i følgen skal opptre på lineær form (vi skal ikke ha noen av leddene i 2. potens for eksempel). Eksempel 1.17 Likningen fra Eksempel 1.13 er ikke lineær siden uttrykket x 2 n opptrer i likningen. Derimot er differenslikningen x n+2 = 3x n x n + n 2 + 2, n 0, (1.7) lineær (og andre ordens). Definisjon 1.18 Vi løser en differenslikning ved å finne alle følgene som oppfyller likningen. Disse tallfølgene utgjør den generelle løsningen til differenslikningen. 7

8 For de differenslikningene vi skal møte i MAT1001 kan den generelle løsningen angis ved en formel for det n-te leddet: Eksempel 1.19 Differenslikningen x n+1 = 5x n, n 0 i Eksempel 1.16 har uendelig mange løsninger. For eksempel 1, 5, 25, 125, 625,... og 2, 10, 50, 250,.... Den generelle løsningen (som vi skal lære å finne) vil være alle følger {x n } slik at x n = C 5 n, for en C R (og alle n 0). Vi skriver vanligvis bare at den generelle løsningen er x n = C 5 n, C R (underforstått alle følger {x n } slik at x n =... ). Definisjon 1.20 Når vi plukker ut en av løsningene i den generelle løsningen, kaller vi denne løsningen en spesiell løsning (også kalt en partikulær løsning). Vi er ofte interessert i å finne én spesiell løsning, som er bestemt av at vi vet noe om de første leddene i følgen. Definisjon 1.21 En k-te ordens differenslikning der vi i tillegg vet verdiene på de k første tallene i følgen kalles en differenslikning med k initialbetingelser. Hvis vi har en k-te ordens differenslikning med k initialbetingelser vil vi alltid ha nøyaktig én løsning, siden vi da kan regne oss oppover og finne 8

9 alle leddene i denne spesielle følgen. Problemet da er at denne prosessen er tidkrevende, og at vi helst vil ha en formel for det n-te leddet, for eksempel for å kunne avgjøre om følgen konvergerer eller ikke. Eksempel 1.22 Likningen x n+2 = x n+1 + x n, x 1 = 1, x 2 = 1 er en andre ordens lineær differenslikning med to initialbetingelser, og det er kun én følge i hele verden som oppfyller dette, nemlig Fibonacci-følgen. Eksempel 1.23 Likningen x n+1 = 5x n, x 0 = 2 er en første ordens lineær differenslikning med én initialbetingelse, og følgen {x n } = 2, 10, 50,..., 2 5 n,... er den eneste løsningen til denne likningen. La oss ramse opp noen flere eksempler på differenslikninger: a) x n+1 = 4x n 7 n b) x n+2 x n = π c) x n+3 = x n+2 ln(n 2 + 1) + x n+1 3nx n Når vi skal igang med å løse differenslikninger, skal vi som sagt begrense oss litt, for eksempel skal vi ikke studere likningen gitt i c) ovenfor, og heller ikke løse likningen gitt i a). Derimot skal vi lære å finne alle løsninger til likning b). Det fins differenslikninger som er uløselige (i den forstand at man ikke vet hvordan man kan angi en formel for det generelle leddet). I MAT1001 skal vi lære å løse, og se på anvendelser av, følgende differenslikninger første ordens lineære homogene differenslikninger 9

10 noen typer første ordens lineære inhomogene differenslikninger andre ordens lineære homogene differenslikninger noen typer andre ordens lineære inhomogene differensliknigner Med lineære mener vi her alltid lineære med konstante koeffisienter. Ordet homogen traff vi også på i Kompendium 1. Det har en helt analog betydning her: Definisjon 1.24 En lineær differenslikning av typen (1.6) kalles homogen hvis f(n) = 0. Hvis f(n) 0 kalles likningen inhomogen. Eksempel 1.25 Likningen (1.7) er en andre ordens lineær inhomogen differenslikning, mens likningen i Eksempel 1.16 er en første ordens lineær homogen differenslikning. Vi skal ta for oss de ulike typene likninger i tur og orden. 1.3 Om anvendelser av differenslikninger For hver type differenslikning vi skal lære å løse vil vi ta for oss anvendelser. Da kan det være fint å ha følgende bemerkninger i bakhodet: Problemene vi skal studere i dette kompendiet vil gi opphav til en differenslikning der løsningen er en tallfølge. I denne typen problemer studerer vi et fenomen som skjer i milepæler (adskilte tidsrom), noe som kan måles i hver generasjon n der n er et naturlig tall. Vi har da at hvert ledd x n i tallfølgen vil svare til fenomenets tilstand i generasjon n, kort sagt leddet x n svarer til n-te generasjon. Antagelsen om adskilte tidsrom har vi allerede møtt i Kompendium 1, i populasjonsdynamikken. Her så vi på dynamikken mellom flere (under)populasjoner, som ga oss et system av likninger som kunne løses ved hjelp av matriser. Systemene vi møtte der er systemer av differenslikninger. Nå skal vi studere én differenslikning / ett fenomen om gangen. 10

11 Vi har brukt anførselstegn rundt generasjon siden det er et ord som naturlig hører til begrepet populasjon. I fenomenene vi nå skal studere, som for eksempel kan være utviklingen av en populasjon eller en ball som spretter opp og ned, tenker vi generelt på en generasjon som tidsrommet mellom hver milepæl. For eksempel vil et fenomen der det samme forholdet mellom tre etterfølgende generasjoner gjentas i det uendelige gi opphav til en andre ordens differenslikning (som for Fibonaccis kaniner). 1.4 Nå skal du kunne definisjonen av en tallfølge og vite hva det vil si at en tallfølge konvergerer eller divergerer definisjonen av en konstant tallfølge, alternerende tallfølge og Fibonaccifølgen forklare Fibonaccis kaninproblem og hvor Fibonacci-tallene kommer fra definisjonen av en differenslikning, herunder begrepene orden, lineær, konstante koeffisienter, homogen og inhomogen, og gi eksempler på ulike typer differenslikninger med hensyn på disse begrepene forskjellen på den generelle løsningen og en spesiell løsning av en differenslikning glede deg til fortsettelsen! 11