漸化式

数学における漸化式は、各項がそれ以前の項の関数として定まるという意味で数列を再帰的に定める等式である。

ある種の漸化式はしばしば差分方程式 en と呼ばれる。また、「差分方程式」という言葉を単に「漸化式」と同義なものとして扱うことも多い。

漸化式の例として、ロジスティック写像

が挙げられる。このような単純な形の漸化式が、しばしば非常に複雑な挙動を示すことがあり、このような現象についての研究は非線型解析学などと呼ばれる分野を形成している。

漸化式を解くとは、 添字 //n// に関する非再帰的な函数として、一般項を表す閉じた形の式を得ることをいう。

1. 簡単な例
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フィボナッチ数列は線型漸化式

に初期値、を与えて得られる。

この漸化式は、陽に書けば といった無限個の式と同じである。

こうして得られるフィボナッチ数列のはじめのほうを書けば

0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, ...となる。後述するような方法で漸化式を解けば、特性多項式 //t//2 - //t// - 1 の二つの根を用いたビネーの公式が得られる。フィボナッチ数列の母関数は

という有理式である。

2. 構造
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2.1. 定数係数斉次線型漸化式
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定数係数の //d//-階斉次線型漸化式は、一般に

の形に表される式で、//d// 個の係数 //c////i// はすべての //i// について定数となるものである。

一般に//d//-階斉次線型漸化式の解は、異なる公比をもつ //d//-個の幾何数列の和として表される。例外は、それらの幾何数列の公比を与える方程式の根が重根を持つ場合である。このように幾何数列の和として書かれた式をビネーの公式 en という。

もう少し詳しく言えば、この線型漸化式は各 //n// に対する無限本の線型方程式に関する連立方程式であり、この形の漸化式を満たす列は線形回帰数列 en と呼ばれ、あるいは短く "LRS" とも呼ばれる。//d//-階の線型再帰列は初期値 //a//0, ..., //a////d//−1 を任意に選ぶ分だけの自由度 //d// を持ち、それら初期値に対して一意に決定される。

この形の線型漸化式と同じ係数を持つ、漸化式の固有多項式または特性多項式 en あるいは補助多項式 en と呼ばれる多項式

は、その //d// 個の根が漸化式を満たす数列を求め、理解するのにきわめて重要な役割を果たす。

2.2. 有理母関数
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線型再帰列は、その母函数が有理函数となるような数列として特徴付けられる。母函数の分母は特性多項式であり、分子は初期値から決まる。

もっとも単純なものは、//a////n// = //a////n//−//d// なる周期数列 //a//0, //a//1, ..., //a////d//−1, //a//0, //a//1, ... の場合であり、この列の母函数は幾何数列の和

として表される。もっと一般に、漸化式

と母函数

が与えられたとき、多項式

を使って、母函数級数の //a////d// 以降の係数を消去することができる。つまり、母函数に先の多項式を掛け合わせれば

が //x////n// の係数となり、これは特に //n// ≥ //d// のとき0 となる。したがって、

が成立し、両辺を割り算すれば

という母函数の有理式表示を得る。

分母 //x////d////p// は特性多項式を変換したものである。これに何かを掛けたものを使うこともできるが、特性多項式から簡単に求められて、//b//0 = //a//0 となるように正規化してある。

2.3. 狭義の差分方程式との関係
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実数列 //n//=1∞ が与えられたとき、この数列の第一階差 en Δ は

で与えられ、第二階差 en Δ2 が

あるいは簡約化して

で与えられる。もっと一般に、数列  の第 //k//-階差 en Δ//k// が

で帰納的に定義される。狭い意味での差分方程式とは数列  およびその各階の階差数列との間に成り立つ等式のことをいう。広い意味では「差分方程式」を「漸化式」と同義に用いる。

線型漸化式は狭い意味での差分方程式であり、逆もいえる。それはこれらが単純かつ共通した形の再帰性をもつからであり、文献によっては両者を逆に呼んでいるものもある。たとえば差分方程式

は、漸化式

と同値である。よって、多くの漸化式は差分方程式として読み替えて解くことができるし、差分方程式ならば常微分方程式の解法と類似の手法で解くことができる。しかし、アッカーマン数などは差分方程式に直すことが非常に困難であり、微分方程式の観点から得られるものは少ない。

このような微分方程式に対する微分方程式論の一意化については時間スケール微分積分学を参照せよ。

微分方程式に対をなすように積分方程式が考えられるのと同様、差分方程式の対となる和分方程式が考えられる。

2.3.1. 格子点と多重数列
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一変数漸化式は数列について記述するものである。多変数漸化式は同様に //n//-次元整格子点 en 上で定まる概念であると理解することができる。//n//-次元整格子点上で定義される函数についても偏差分方程式 en を考えることができる。

3. 漸化式の解法
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3.1. 一般的な方法
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一階の漸化式については特段の理論を要しない。漸化式

は明らかに初期値 //a//0 = 1 に対して //a////n// = //r////n// を解にもち、一般に //a//0 = //k// とすれば一般解 //a////n// = //kr////n// が得られる。この漸化式の特性多項式を 0 に等しいとおいて得られる特性方程式は、単に //t// − //r// = 0 で与えられることに注意。

高階の漸化式の解は、しばしば //a////n// = //r////n// がちょうど //t// = //r// が特性多項式の根となるような漸化式の解となるという事実を用いて、機械的に求めることができる。方法としては直接、あるいは母函数、行列などを用いる。

たとえば

という形の漸化式を考えよう。この漸化式が //a////n// = //r////n// と同じ形の解の一般形をもつのはどのようなときだろうか。実際に代入してみれば

が任意の //n// について成り立たなければならないことがわかる。両辺を //r////n//−2 で割れば、意味はそのままに方程式 //r//2 − //Ar// − //B// = 0 に簡約することができる。これがこの漸化式の特性方程式である。これを //r// について解けば、二つの根 λ1, λ2 が得られる。これらの根は、特性方程式あるいは漸化式の特性根あるいは固有値として知られるものである。異なる解が得られるかは特性根の様子に依存するが、二つの特性根が相異なるならば、一般解

が得られる。一方、特性根が重根  のとき、

が一般解を与える。これらは今考えている漸化式の解を全て尽くしており、二つの定数 //C//, //D// は初期条件 //a//0, //a//1 の選び方に依存して一意に決まり、これにより解がひとつに特定される。

特性根が複素数となる場合は、三角函数を用いた形に書けば、複素数を使用しない形にすることができる。この場合は特性根を λ//k// = α ± βの形に書いてやれば、たとえば //a////n// = //C//λ1//n// + //D//λ2//n// の形の一般解が

の形に書きなおせることが示せる576-585}}。ここで、各定数は

で与えられるものである。//E//, //F//は初期条件から決まる実定数である。

注意すべきは、特性根が相異なる実根の場合も、実重根の場合も、互いに共軛な複素根の場合も、すべての場合で方程式が安定であるための必要十分条件は二つの特性根の絶対値が「ともに」1 より小さいこと、となることである。今考えている二階漸化式の場合、特性根に関するこの条件は |//A//| < 1 − //B// < 2 に同値であることが示せる。

上記の例は定数項の無い斉次の場合であった。定数項 //K// を加えて、非斉次の場合の漸化式

を考えよう。これは次のようにして斉次の場合に帰着することができる。不動点 //b//∗ は //b////n// = //b////n//−1 = //b////n//−2 = //b//* と置くことによって、

と求められる。これにより、先ほどの非斉次漸化式は

なる形の斉次漸化式に書き直すことができる。

二階の場合に特性根の言葉で述べた安定性条件は、一般の //n//-階でもやはり有効であることに注意。つまり漸化式の解が安定であるための必要十分条件は、漸化式の特性多項式の全ての根が 1 より小さい絶対値を持つことである。

3.2. 線型代数を用いた解法
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線型漸化式 //T////n// = //c////d//−1//T////n//−1 + //c////d//−2//T////n//−2 + … + //c//0//T////n//−//d// が与えられたとき、その特性多項式のコンパニオン行列の転置

を //C// とすると、明らかに

が成り立つ。固有値 λ1, ..., λ//d// に対応する固有基底 //v//1, ..., //v////d// を決めれば、線型再帰列の初期値を固有ベクトルの線型結合

として表せるので、結局

となることがわかる。行列を用いたこの記述は、本質的には既に述べた一般的方法となんらかわるものではないが、より簡潔である。また、行列を用いた記述は

のような連立漸化式に対してもなお有効である。

3.3. //z//-変換による解法
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ある種の差分方程式、とくに定数係数線型差分方程式は、//z//-変換を用いて解くことができる。//z//-変換は積分変換の一種で代数的操作がしやすく、解がより容易に求まる。解が直接には、まったくというわけではないが不可能な場合でも、積分変換をうまく選べば容易に解けることもある。

3.4. 定理
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階数 //d// の定数係数斉次線型漸化式が与えられたとき、//p// をその特性多項式

とし、λ を重複度 //r// の特性根とする。このとき、

//r// 個の数列 λ//n//, //n//λ//n//, //n//2λ//n//, ..., //n////r//−1λ//n// は与えられた漸化式をおのおの満たす。これを //p// の相異なる全ての根 λ に亘って考えたものは、与えられた漸化式の任意の解を生成する。この定理の帰結として、定数係数斉次線型漸化式は次の手順に従って解くことができる。

漸化式の特性多項式 //p// を求める。
//p// の根とその重複度を求める。
//a////n// を未定係数 //b////i// を持つ全ての根の冪の線型結合として書く。これがもとの漸化式の一般解を与えるものとなる。
前段の一般解で //n// = 0, 1, ..., //d// として //a//0, //a//1, ..., //a////d// をもとの漸化式における既知の //a//0, //a//1, ..., //a////d// に一致させる。ただしここで、もとの漸化式の //a////n// の値として連続した番号のものでなくとも、どこでもいいから //d// 個わかってさえいればいいということには注意。これにより、//d// 個の未知数を含む //d// 本の連立一次方程式が得られる。これを一般解における未定係数 //b//1 , //b//2, ..., //b////d// に対して解いて、一般解に代入してもとの漸化式の特殊解を得、それらがもとの漸化式の初期条件を満たすことを確かめる。興味深いのは、この方法が線型微分方程式の解法とよく似ていることである。定数係数線型微分方程式で用いられる解法では、λ を複素数として //e//λ を解を求めたい方程式に代入し、方程式を満足する複素数 λ を決定する。

これは偶然の一致ではない。線型微分方程式の解のテイラー級数

を考えれば、この級数の係数は //f// の //n//-階導函数の //x// = //a// における値であることがわかる。与えられた微分方程式は、この級数の係数の間に成り立つ線型漸化式を導く。

この同値性は線型微分方程式の冪級数解の係数に対する漸化式を直ちに解くために利用できる。方程式は適当な多項式を掛けて点 0 における初項が 0 でないようにしておく。対応規則は

および一般に

で与えられる。

例: 方程式のテイラー級数解の係数の満たす漸化式はで与えられる。整理すると、となる。この例は非常に簡単に解くことができるふつうのクラスの微分方程式でも、冪級数解を用いた解法ではなんとも扱いづらいものとなってしまうことがあることを示すものとなっている。 例: 微分方程式<WtXmlEndTag />

//y// = //e////ax// を解に持つ。この微分方程式をテイラー係数の満たす漸化式に書き換えれば

となる。//e////ax// の //n//-階導函数の点 //x// = 0 における値が //a////n// であることをみるのは易しい。

3.5. 非斉次漸化式の解法
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漸化式が非斉次の場合、特殊解は未定係数法で求めることができて、一般の解は対応する斉次漸化式の一般解と先ほど得た特殊解の和として得られる。非斉次漸化式のほかの解法としては、記号微分 en の方法がある。たとえば、次のような漸化式

を考える。これは非斉次の漸化式である。//n// → //n// + 1 と置き換えれば、漸化式

を得る。もとの漸化式から辺々引いて整理すれば、

が得られる。これは斉次の漸化式であるから、既に述べた方法によって解くことができる。一般に、線型漸化式が

という形で与えられて、//P// が //r//-次の多項式ならば、記号微分の方法を //r// 回適用することにより、この非斉次漸化式を斉次漸化式に帰着することができる。

3.6. 一般の斉次線型漸化式
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多くの斉次線型差分方程式は一般化超幾何級数を使って解くことができる。その特殊な場合として、差分方程式から直交多項式系や特殊函数が解として現れてくる。たとえば、

の解はベッセル函数

,によって与えられる。 一方、

は

によって解ける。

3.7. 有理差分方程式の解法
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有理差分方程式は

というような形をしている。このような方程式は //w////t// を、それ自身は線型に増加する別の変数 //x////t// の非線型変換として書くことで解くことができる。したがって、//x////t// に関する線型差分方程式を解くのに、標準的な方法が使える。

4. 安定性
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4.1. 高階線型漸化式の安定性
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階数 //d// の線型漸化式

は特性方程式

を持つ。この漸化式の再帰性が安定であるための必要十分条件は、固有値の全てが1 よりも小さい絶対値を持つことである。

4.2. 一階線型漸化式の安定性
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状態ベクトル //x//, 遷移行列 //A// をもつ一階の行列係数差分方程式

で、//x// が定常状態ベクトル //x//∗ に漸近的に収斂するための必要十分条件は、遷移行列 //A// の全ての固有値が1 より小さい絶対値を持つことである。

4.3. 一階非線型漸化式の安定性
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非線型一階漸化式

を考える。この漸化式は局所安定であるための必要十分条件は、//x//∗ の近傍で //f// の傾きの絶対値が 1 よりも小さいこと、つまり

が成り立つことである。非線型漸化式は複数の不動点を持つことができ、ある不動点は局所安定だが別の不動点は局所安定でないということも起こりうることに注意。//f// が連続なら隣接するふたつの不動点がともに局所安定となることはできない。

非線型漸化式は //k// > 1 なる //k// を周期とするサイクルをもつこともありうる。そのようなサイクルが安定となる十分条件は、//f// の //k// 回合成

が上記と同様の判定条件

に従って局所安定となることである。ここで //x//∗ はサイクルの任意の点。

カオス的漸化式においては、変数 //x// がある有界領域に留まるが不動点にも吸引的サイクルにも収束しない。そのような方程式において任意の不動点やサイクルは不安定である。 ロジスティック写像、二進変換、テント写像なども参照。

5. 微分方程式との関連性
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常微分方程式を数値的に解く際には、典型的に漸化式が生じる。たとえば、初期値問題

をオイラー法で解くとき、刻み幅を //h// とすると

の値を漸化式

から計算する。一階線型方程式系は離散化の項に示されるような方法を用いて完全に解析的に離散化することができる。

6. 他分野での応用
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6.1. 生物学
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最もよく知られた差分方程式のいくつかは、集団動態モデルの研究に起源を持つ。たとえば、フィボナッチ数はうさぎの個体数の増加モデルとして使われたことがある。

ロジスティック写像は人口増加モデルに直接使われたり、より詳しいモデルの雛形として使われたりする。この文脈でいくつかの差分方程式はしばしば、二者あるいはもっと多くの人口の相互作用モデルとして用いられる。たとえば宿主・寄生生物相互作用に対するニコルソン-ベイリーモデルは

で与えられる。//N////t// は宿主、//P////t// は寄生生物のそれぞれ時刻 //t// における個体数を表す。

積分差分方程式は空間的な生態学の重要な漸化式を形成する。このような、あるいはもっと他の差分方程式は一化性動態のモデリンクに特に適している。

6.2. デジタル信号処理
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デジタル信号処理では、漸化式はある時点の出力が新たな時点の入力となるシステムのフィードバックをモデル化することができる。したがって、無限衝撃応答  デジタルフィルターなどを考えることができる。たとえば、遅延時間 //T// の「フィードフォーワード」IIR 櫛型フィルタは

となる。ここで //x////t// は時刻 //t// における入力で、//y////t// は時刻 //t// における出力、α はどの程度の遅延信号を出力へフィードバックするかを制御するものである。ここからわかることとして

などが挙げられる。

6.3. 経済学
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漸化式、とくに線型漸化式は、理論経済学と実証経済学の双方にわたって広く用いられている。特にマクロ経済学では、エージェントの活動が遅延変数に依存する経済のさまざまな幅広い分野のモデルが展開されている。したがって、このモデルは、外生変数や遅延外生変数を使って鍵となる変数の現在値に関して解かれる必要がある。時系列分析も参照されたい。

7. 脚注
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7.1. 出典
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8. 参考文献
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Thomas H. Cormen, Charles E. Leiserson, Ronald L. Rivest, and Clifford Stein. //Introduction to Algorithms//, Second Edition. MIT Press and McGraw-Hill, 1990. ISBN 0-262-03293-7. Chapter 4: Recurrences, pp.   62–90.
Ian Jacques. //Mathematics for Economics and Business//, Fifth Edition. Prentice Hall, 2006. ISBN 0-273-70195-9. Chapter 9.1: Difference Equations, pp.   551–568.
Paul M. Batchelder, //An introduction to linear difference equations//, Dover Publications, 1967.
Kenneth S. Miller, //Linear difference equations//. W.A. Benjamin, 1968.
[1] at EqWorld - The World of Mathematical Equations.
[2] at EqWorld - The World of Mathematical Equations.
[3], Second

9. 関連項目
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反復関数
線型差分方程式/行列差分方程式
直交多項式
再帰
再帰 
Master theorem
Circle points segments proof
連分数
時間尺度微分積分学
積分差分方程式
無限インパルス応答
関数方程式

10. 外部リンク
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[4]
[5]