高中数学 · E11 · 数列应用

一阶递推过程与稳定状态

从每步更新规则找出不变的状态,再根据偏差的变化,判断过程是否会逐步接近它。

更新规则

先乘一个数,再增加固定量

用 $x_n$ 表示第 $n$ 步完成后的状态,$x_0$ 是初始状态。每一步先把上一状态乘以常数 $a$,再增加常数 $b$。

$$x_{n+1}=ax_n+b$$

这条规则从第 0 步开始使用,即整数 $n\geqslant0$。

$a$ 是更新倍率,$b$ 与状态 $x_n$ 使用同一单位。每步时长和操作顺序也要固定;“先增加,再乘倍率”是另一条规则。

不变状态

先找更新一次仍不变的数

用 $L$ 表示一个更新后保持原值的状态。把它代入同一条更新规则,结果必须还是 $L$。

$$L=aL+b$$

更新前后相等,这样的 L 称为不动点。

$$(1-a)L=b$$

把右边的 aL 移到左边,并提取 L。

$$L=\frac{b}{1-a}\quad(a\ne1)$$

当分母不为零时,两边除以 1−a。

不动点不等于一定会接近的值。它只保证从 $L$ 出发会一直停在 $L$;从其他状态出发会怎样,还要看与它的差。

偏差变化

离 L 的差,每步乘一次 a

以下先讨论 $a\ne1$。把状态与不动点的差 $x_n-L$ 称为偏差。用更新式减去不动点方程,就能看清偏差如何变化。

$$x_{n+1}-L=(ax_n+b)-(aL+b)$$

分别减去两个等式的左右两边。

$$x_{n+1}-L=a(x_n-L)$$

两个 b 抵消,再提出公因数 a。

$$x_n-L=a^n(x_0-L)\quad(n\geqslant1)$$

从初始偏差出发,更新 n 次,就乘 n 次 a。

$$x_n=L+a^n(x_0-L)\quad(n\geqslant1)$$

两边加上 L,得到第 n 步的状态;第 0 步仍用给定的 x₀。

因此,要判断状态会不会接近 $L$,只需判断偏差会不会逐步接近 $0$。

趋近条件

倍率绝对值小于 1,偏差才会缩小

当 $|a|<1$,连续乘以 $a$ 会使偏差的绝对值趋近于 $0$。于是,不论初始状态如何,都有:

$$x_n\longrightarrow L=\frac{b}{1-a}$$

箭头表示随着步数增加不断趋近,不代表某一步一定到达。

  • $0<a<1$:偏差不改变正负,状态从同一侧逐步接近 $L$。
  • $-1<a<0$:偏差正负交替,状态在 $L$ 两侧交替接近。
  • $a=0$:第一次更新就得到 $b$,此后保持在 $L=b$。

其他倍率会怎样?

若一开始就有 $x_0=L$,状态始终不变。若 $x_0\ne L$,$a=-1$ 会使偏差等幅交替;$|a|>1$ 会使偏差的绝对值增大,都不会接近 $L$。

当 $a=1$,更新变为 $x_{n+1}=x_n+b$:若 $b=0$,每个初始状态都不变;若 $b\ne0$,每步都增加同一个非零量,没有不动点。

具体过程

每步保留 60%,再增加 8

设初始状态 $x_0=0$。每步先保留上一状态的 $60\%$,再增加 8 个单位,倍率和增加量保持不变。

$$x_{n+1}=0.6x_n+8$$

把 60% 写成 0.6,先乘后加。

$$L=0.6L+8\quad\Longrightarrow\quad L=20$$

移项得到 0.4L=8,所以不动点是 20。

$$x_n-20=(0.6)^n(0-20)$$

用初始偏差 0−20,连续乘 n 次 0.6(n≥1)。

$$x_n=20-20(0.6)^n$$

整理后,每一步距离 20 还差 20(0.6)ⁿ。

因为 $0<0.6<1$,$(0.6)^n$ 不断趋近于 0,状态就从 0 开始逐步接近 20。但有限步内 $(0.6)^n$ 始终大于 0,所以每个有限步的状态都小于 20,不会恰好等于 20。

核心结论

先找不动点,再判断是否趋近

找不动点:令更新前后相等。当 $a\ne1$ 时,得到 $L=b/(1-a)$。

判断趋近:每次更新,偏差都乘以 $a$。当 $|a|<1$,任意初始偏差都趋近于 0,状态共同趋近于 $L$。

检查实际条件:每步的 $a,b$ 和时长保持不变,且计算出的状态始终在实际允许的范围内。

若倍率、增加量或时间间隔随步骤变化,应重新建立递推关系,不能直接沿用上述稳定值和判断条件。