home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ NetNews Usenet Archive 1992 #16 / NN_1992_16.iso / spool / sci / math / 9595 < prev    next >
Encoding:
Internet Message Format  |  1992-07-28  |  5.5 KB

  1. Path: sparky!uunet!sequent!ogicse!usenet.coe.montana.edu!uakari.primate.wisc.edu!sdd.hp.com!mips!darwin.sura.net!jvnc.net!netnews.upenn.edu!netnews.cc.lehigh.edu!ns1.cc.lehigh.edu!fc03
  2. From: fc03@ns1.cc.lehigh.edu (Frederick W. Chapman)
  3. Newsgroups: sci.math
  4. Subject: Re: HELP! Cross-linked series / recursive formulas
  5. Message-ID: <1992Jul28.151719.103466@ns1.cc.lehigh.edu>
  6. Date: 28 Jul 92 15:17:19 GMT
  7. Article-I.D.: ns1.1992Jul28.151719.103466
  8. Organization: Lehigh University
  9. Lines: 140
  10.  
  11. In article <Bs2uIr.6J9@resmel.bhp.com.au>, jing@resmel.bhp.com.au
  12. (Jian Feng) writes:
  13.  
  14. >Can someone in the net point me to the solution of the following
  15. >problem:
  16. >
  17. >I have two series which are cross-linked:
  18. >
  19. >f(n) = a * f(n-1) + b * g(n-1)
  20. >g(n) = c * f(n-1) + d * g(n-1)
  21. >
  22. >where a != b != c != d
  23. >
  24. >I am after an explicit formula for
  25. >
  26. >Sum [f(k)+g(k)] {k=1,n}.
  27.  
  28. The problem becomes easy if we recast it in matrix form and apply
  29. techniques from linear algebra.  Form a vector-valued function U(n) from
  30. the unknown functions f(n) and g(n), and form a constant matrix M as
  31. follows:
  32.  
  33.                         ( f(n) )              ( a   b )
  34.                U(n) :=  (      )        M :=  (       )
  35.                         ( g(n) )              ( c   d )
  36.  
  37. Now rewrite your system of recurrence relations as a matrix equation:
  38.  
  39.                           U(n) = M * U(n-1)
  40.  
  41. Clearly, U(1) = M * U(0), U(2) = M^2 * U(0), U(3) = M^3 * U(0), etc. and in
  42. general,
  43.                                   n
  44.                           U(n) = M  * U(0).
  45.  
  46. The problem now becomes one of finding a closed form expression for the
  47. powers of the matrix M.  This is easily done if we first find the Jordan
  48. canonical form for M.  There is a non-singular matrix K (of generalized
  49. eigenvectors) such that M = K * J * K^(-1), where J is the Jordan canonical
  50. form of M.  Since M is 2 x 2, J is either a diagonal matrix 
  51.  
  52.                                 ( lambda     0 )
  53.                                 (       1      )
  54.                           D  =  (              )
  55.                                 ( 0   lambda   )
  56.                                 (           2  )
  57.  
  58. or a matrix of the form
  59.  
  60.                            lambda I  +  N 
  61.  
  62. where I is the 2 x 2 (multiplicative) identity matrix and N is the
  63. following nilpotent matrix of order 2:
  64.  
  65.                                 ( 0   1 )
  66.                           N :=  (       )
  67.                                 ( 0   0 )
  68.  
  69. (The lambda's are the eigenvalues of M.)  Powers of M are easy to compute
  70. in this form, since 
  71.  
  72.                    k              -1 k         k    -1
  73.                   M  =  (K * J * K  )  =  K * J  * K
  74.  
  75. Thus, we need only compute powers of J.  If J is the diagonal matrix D,
  76. this is trivial:
  77.  
  78.                                          k
  79.                                 ( lambda     0 )
  80.                            k    (       1      )
  81.                           D  =  (            k )
  82.                                 ( 0   lambda   )
  83.                                 (           2  )
  84.  
  85.  
  86. If J is of the second form, it is not much harder:
  87.  
  88.                              k          k               k-1
  89.              (lambda I  +  N)  =  lambda  I  +  k lambda    N
  90.  
  91. which results from taking the first two terms of the binomial expansion.
  92. (The powers of N from N^2 on vanish since N is nilpotent of order 2.)
  93.  
  94. I suggest determining a closed-form expression for 
  95.  
  96.                           n            n    k       
  97.                          SUM U(k)  =  SUM  M  * U(0)  
  98.                          k=0          k=0           
  99.  
  100.                                        n        k   -1       
  101.                                    =  SUM  K * J * K  * U(0)  
  102.                                       k=0    
  103.                 
  104.                                            n   k    -1
  105.                                    =  K * SUM J  * K  * U(0)
  106.                                           k=0
  107.  
  108. and then adding the two components of the resulting vector expression to
  109. get the sought-after sum (but starting at k=0 instead of k=1; make
  110. adjustments as desired).  Thus, we need only find a closed-form expression
  111. for 
  112.  
  113.                                       n   k 
  114.                                      SUM J  
  115.                                      k=0
  116.  
  117. which involves the sum of two finite geometric series (in the lambda_i's)
  118. in the case that J is the diagonal matrix D; in the case that J is of the
  119. form
  120.  
  121.                                 lambda I + N,
  122.  
  123. we get a sum of a finite geometric series (in lambda), and the derivative
  124. of the sum of a finite geometric series (in lambda).  Apply the formulas
  125.  
  126.                                      n+1
  127.                            n   k    r    -   1
  128.                           SUM r  =  ----------
  129.                           k=0         r  -  1
  130.  
  131.  
  132.                              n+1              n+1          n
  133.            n     k-1     d  r    -   1     n r    - (n+1) r  + 1
  134.           SUM k r    =  --  ----------  =  ---------------------
  135.           k=0           dr   r  -  1                     2
  136.                                                   (r - 1)
  137.  
  138. (For an eigenvalue of 1, the formulas are not applicable, but the sums are
  139. simple enough to compute by other means.)
  140.  
  141.  
  142.                    Viola!  er, I mean...  Voila!  :-)
  143.  
  144. -- 
  145.  
  146. o ------------------------------------------------------------------------- o
  147. |  Frederick W. Chapman, User Services, Computing Center, Lehigh University |
  148. |    Campus Phone:  8-3218     Preferred E-mail Address:  fc03@Lehigh.Edu   | 
  149. |  "I do comedy and magic; what you don't find funny -- that's the magic."  |
  150. o ------------------------------------------------------------------------- o
  151.