En matemáticas , una relación de recurrencia es una ecuación según la cual el término n de una secuencia de números es igual a alguna combinación de los términos anteriores. A menudo, solo aparecen en la ecuación los términos anteriores de la secuencia, para un parámetro que es independiente de ; este número se denomina orden de la relación. Si se han dado los valores de los primeros números de la secuencia, el resto de la secuencia se puede calcular aplicando repetidamente la ecuación.
En las recurrencias lineales , el término n- ésimo se equipara a una función lineal de los términos anteriores. Un ejemplo famoso es la recurrencia de los números de Fibonacci , donde el orden es dos y la función lineal simplemente suma los dos términos anteriores. Este ejemplo es una recurrencia lineal con coeficientes constantes , porque los coeficientes de la función lineal (1 y 1) son constantes que no dependen de Para estas recurrencias, se puede expresar el término general de la secuencia como una expresión en forma cerrada de . Asimismo, las recurrencias lineales con coeficientes polinómicos que dependen de también son importantes, porque muchas funciones elementales y especiales comunes tienen una serie de Taylor cuyos coeficientes satisfacen dicha relación de recurrencia (véase función holonómica ).
Resolver una relación de recurrencia significa obtener una solución de forma cerrada : una función no recursiva de .
El concepto de relación de recurrencia se puede extender a matrices multidimensionales , es decir, familias indexadas que están indexadas por tuplas de números naturales .
Una relación de recurrencia es una ecuación que expresa cada elemento de una secuencia en función de los elementos anteriores. Más precisamente, en el caso en que solo interviene el elemento inmediatamente anterior, una relación de recurrencia tiene la forma
dónde
es una función, donde X es un conjunto al que deben pertenecer los elementos de una secuencia. Para cualquier , esto define una secuencia única con como su primer elemento, llamado valor inicial . [1]
Es fácil modificar la definición para obtener secuencias que comiencen desde el término de índice 1 o superior.
Esto define una relación de recurrencia de primer orden . Una relación de recurrencia de orden k tiene la forma
donde es una función que involucra k elementos consecutivos de la secuencia. En este caso, se necesitan k valores iniciales para definir una secuencia.
El factorial se define por la relación de recurrencia
y la condición inicial
Este es un ejemplo de una recurrencia lineal con coeficientes polinomiales de orden 1, con el polinomio simple (en n )
como su único coeficiente.
Un ejemplo de una relación de recurrencia es el mapa logístico definido por
para una constante dada El comportamiento de la secuencia depende dramáticamente de la condición inicial, pero es estable cuando varía.
La recurrencia de orden dos satisfecha por los números de Fibonacci es el ejemplo canónico de una relación de recurrencia lineal homogénea con coeficientes constantes (ver más abajo). La secuencia de Fibonacci se define utilizando la recurrencia
Explícitamente, la recurrencia produce las ecuaciones
etc.
Obtenemos la secuencia de números de Fibonacci, que comienza
La recurrencia se puede resolver mediante los métodos descritos a continuación, obteniéndose la fórmula de Binet , que implica potencias de las dos raíces del polinomio característico ; la función generadora de la secuencia es la función racional.
Un ejemplo sencillo de una relación de recurrencia multidimensional lo proporcionan los coeficientes binomiales , que cuentan las formas de seleccionar elementos de un conjunto de elementos. Se pueden calcular mediante la relación de recurrencia
con los casos base . Al utilizar esta fórmula para calcular los valores de todos los coeficientes binomiales se genera una matriz infinita llamada triángulo de Pascal . Los mismos valores también se pueden calcular directamente con una fórmula diferente que no es una recurrencia, sino que utiliza factoriales , multiplicación y división, no solo sumas:
Los coeficientes binomiales también se pueden calcular con una recurrencia unidimensional:
con el valor inicial (La división no se muestra como fracción para enfatizar que debe calcularse después de la multiplicación, para no introducir números fraccionarios). Esta recurrencia es muy utilizada en computadoras porque no requiere construir una tabla como lo hace la recurrencia bidimensional, y sí involucra números enteros muy grandes como lo hace la fórmula con factoriales (si se usan todos los números enteros involucrados son menores que el resultado final).
ElEl operador de diferencia es unoperadorque asignasecuenciasa secuencias y, de manera más general,funcionesa funciones. Se denota comúnmentey se define, ennotación funcional, como
Se trata pues de un caso especial de diferencia finita .
Al utilizar la notación de índice para secuencias, la definición se convierte en
Los paréntesis alrededor de y generalmente se omiten, y deben entenderse como el término del índice n en la secuencia y no aplicarse al elemento.
Dada la secuencia La primera diferencia deaes
ElLa segunda diferencia es que un cálculo simple muestra que
De manera más general: la k -ésima diferencia se define recursivamente como y se tiene
Esta relación se puede invertir, dando
Aecuación diferencial de ordenkes una ecuación que involucra laskprimeras diferencias de una secuencia o una función, de la misma manera que unaecuación diferencialde ordenkrelaciona laskprimerasderivadasde una función.
Las dos relaciones anteriores permiten transformar una relación de recurrencia de orden k en una ecuación diferencial de orden k y, a la inversa, una ecuación diferencial de orden k en una relación de recurrencia de orden k . Cada transformación es la inversa de la otra y las sucesiones que son solución de la ecuación diferencial son exactamente aquellas que satisfacen la relación de recurrencia.
Por ejemplo, la ecuación diferencial
es equivalente a la relación de recurrencia
en el sentido de que las dos ecuaciones se satisfacen por las mismas secuencias.
Como es equivalente que una sucesión satisfaga una relación de recurrencia o que sea la solución de una ecuación diferencial, los términos "relación de recurrencia" y "ecuación diferencial" a veces se usan indistintamente. Véase Ecuación diferencial racional y Ecuación diferencial matricial para ver ejemplos de usos de "ecuación diferencial" en lugar de "relación de recurrencia".
Las ecuaciones diferenciales se parecen a las ecuaciones diferenciales, y esta semejanza se utiliza a menudo para imitar métodos de resolución de ecuaciones diferenciables para aplicarlos a la resolución de ecuaciones diferenciales y, por lo tanto, relaciones de recurrencia.
Las ecuaciones de suma se relacionan con las ecuaciones diferenciales de la misma manera que las ecuaciones integrales se relacionan con las ecuaciones diferenciales. Véase cálculo de escalas temporales para una unificación de la teoría de ecuaciones diferenciales con la de ecuaciones diferenciales.
Las relaciones de recurrencia unidimensionales o de una sola variable se refieren a secuencias (es decir, funciones definidas en cuadrículas unidimensionales). Las relaciones de recurrencia multidimensionales o n-dimensionales se refieren a cuadrículas bidimensionales. Las funciones definidas en cuadrículas bidimensionales también se pueden estudiar con ecuaciones en diferencias parciales. [2]
Además, para la relación de recurrencia lineal general no homogénea de primer orden con coeficientes variables:
También hay un buen método para resolverlo: [3]
Dejar
Entonces
Si aplicamos la fórmula a y tomamos el límite , obtenemos la fórmula para ecuaciones diferenciales lineales de primer orden con coeficientes variables; la suma se convierte en una integral y el producto se convierte en la función exponencial de una integral.
Muchas relaciones de recurrencia lineal homogéneas pueden resolverse mediante las series hipergeométricas generalizadas . Los casos especiales de éstas conducen a relaciones de recurrencia para los polinomios ortogonales y muchas funciones especiales . Por ejemplo, la solución de
viene dado por
la función de Bessel , mientras que
se resuelve mediante
Las series hipergeométricas confluentes . Las sucesiones que son las soluciones de ecuaciones diferenciales lineales con coeficientes polinómicos se denominan P-recursivas . Para estas ecuaciones de recurrencia específicas se conocen algoritmos que encuentran soluciones polinómicas , racionales o hipergeométricas .
Una ecuación diferencial racional de primer orden tiene la forma . Dicha ecuación se puede resolver escribiéndola como una transformación no lineal de otra variable que evoluciona linealmente. Luego se pueden utilizar métodos estándar para resolver la ecuación diferencial lineal en .
La recurrencia lineal del orden ,
tiene la ecuación característica
La recurrencia es estable , lo que significa que las iteraciones convergen asintóticamente a un valor fijo, si y solo si los valores propios (es decir, las raíces de la ecuación característica), ya sean reales o complejos, son todos menores que la unidad en valor absoluto.
En la ecuación diferencial de matrices de primer orden
con vector de estado y matriz de transición , converge asintóticamente al vector de estado estable si y solo si todos los valores propios de la matriz de transición (ya sea real o compleja) tienen un valor absoluto menor que 1.
Considere la recurrencia no lineal de primer orden
Esta recurrencia es localmente estable , lo que significa que converge a un punto fijo desde puntos suficientemente cercanos a , si la pendiente de en la vecindad de es menor que la unidad en valor absoluto: es decir,
Una recurrencia no lineal podría tener múltiples puntos fijos, en cuyo caso algunos puntos fijos pueden ser localmente estables y otros localmente inestables; para f continua, dos puntos fijos adyacentes no pueden ser ambos localmente estables.
Una relación de recurrencia no lineal también podría tener un ciclo de período para . Un ciclo de este tipo es estable, lo que significa que atrae un conjunto de condiciones iniciales de medida positiva, si la función compuesta
con los tiempos de aparición es localmente estable según el mismo criterio:
¿Dónde está cualquier punto del ciclo?
En una relación de recurrencia caótica , la variable permanece en una región acotada pero nunca converge a un punto fijo o a un ciclo de atracción; todos los puntos fijos o ciclos de la ecuación son inestables. Véase también mapa logístico , transformación diádica y mapa de carpas .
Al resolver numéricamente una ecuación diferencial ordinaria , normalmente se encuentra una relación de recurrencia. Por ejemplo, al resolver el problema del valor inicial
Con el método de Euler y un tamaño de paso , se calculan los valores
por la recurrencia
Los sistemas de ecuaciones diferenciales lineales de primer orden se pueden discretizar con exactitud analítica utilizando los métodos que se muestran en el artículo sobre discretización .
Algunas de las ecuaciones diferenciales más conocidas tienen su origen en el intento de modelar la dinámica de poblaciones . Por ejemplo, los números de Fibonacci se utilizaron en su día como modelo para el crecimiento de una población de conejos.
El mapa logístico se utiliza ya sea directamente para modelar el crecimiento de la población o como punto de partida para modelos más detallados de dinámica de la población. En este contexto, las ecuaciones diferenciales acopladas se utilizan a menudo para modelar la interacción de dos o más poblaciones . Por ejemplo, el modelo de Nicholson-Bailey para una interacción huésped - parásito viene dado por
con la representación de los huéspedes y los parásitos en el momento .
Las ecuaciones de integrodiferencia son una forma de relación de recurrencia importante para la ecología espacial . Estas y otras ecuaciones de diferencia son particularmente adecuadas para modelar poblaciones univoltinas .
Las relaciones de recurrencia también son de importancia fundamental en el análisis de algoritmos . [4] [5] Si un algoritmo está diseñado para dividir un problema en subproblemas más pequeños ( dividir y vencer ), su tiempo de ejecución se describe mediante una relación de recurrencia.
Un ejemplo simple es el tiempo que tarda un algoritmo en encontrar un elemento en un vector ordenado con elementos, en el peor de los casos.
Un algoritmo ingenuo buscará de izquierda a derecha, un elemento a la vez. El peor escenario posible es cuando el elemento requerido es el último, por lo que el número de comparaciones es .
Un algoritmo mejor se llama búsqueda binaria . Sin embargo, requiere un vector ordenado. Primero verificará si el elemento está en el medio del vector. Si no, entonces verificará si el elemento del medio es mayor o menor que el elemento buscado. En este punto, se puede descartar la mitad del vector y se puede ejecutar el algoritmo nuevamente en la otra mitad. El número de comparaciones estará dado por
cuya complejidad temporal será .
En el procesamiento de señales digitales , las relaciones de recurrencia pueden modelar la retroalimentación en un sistema, donde las salidas en un momento dado se convierten en entradas para el futuro. Por lo tanto, surgen en filtros digitales de respuesta de impulso infinita (IIR) .
Por ejemplo, la ecuación para un filtro peine IIR de retardo "feedforward" es:
donde es la entrada en el momento , es la salida en el momento , y controla qué cantidad de la señal retrasada se devuelve a la salida. De esto podemos ver que
etc.
Las relaciones de recurrencia, especialmente las relaciones de recurrencia lineal, se utilizan ampliamente tanto en economía teórica como empírica. [6] [7] En particular, en macroeconomía se podría desarrollar un modelo de varios sectores amplios de la economía (el sector financiero, el sector de bienes, el mercado laboral, etc.) en los que las acciones de algunos agentes dependen de variables rezagadas. El modelo luego se resolvería para los valores actuales de las variables clave ( tasa de interés , PIB real , etc.) en términos de los valores pasados y actuales de otras variables.
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