Метод неопределённых коэффициентов

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Метод неопределённых коэффициентов ― метод, используемый в математике для нахождения искомой функции в виде точной или приближённой линейной комбинации конечного или бесконечного набора базовых функций. Указанная линейная комбинация берётся с неизвестными коэффициентами, которые определяются тем или иным способом из условий рассматриваемой задачи. Обычно для них получается система алгебраических уравнений.

Применения[править | править вики-текст]

Ниже приведены задачи, которые решаются методом неопределённых коэффициентов. Система уравнений в них получается из приравнивания коэффициентов при одинаковых степенях в равных многочленах.

Разложение дроби на простейшие[править | править вики-текст]

Классическим примером применения метода неопределённых коэффициентов является разложение правильной рациональной дроби в комплексной или вещественной области на элементарные дроби.

Пусть и многочлены с комплексными коэффициентами, причём степень многочлена меньше степени многочлена . Будем полагать, что степень многочлена равна , коэффициент при старшем члене многочлена равен 1, а , ― различные корни многочлена с кратностями , соответственно. Отсюда имеем

Функция представима, и притом единственным образом, в виде суммы элементарных дробей

где ― неизвестные пока комплексные числа (их число равно ). Для их отыскания обе части равенства приводят к общему знаменателю. После его отбрасывания и приведения в правой части подобных членов получается равенство, которое сводится к системе линейных уравнений относительно .

Примечание. Нахождение коэффициентов упрощается, если имеет только некратные корни , , т.е. все и

После умножения на последнего равенства и подстановки непосредственно получаем значение соответствующего коэффициента

.

Обращение ряда[править | править вики-текст]

Если функция , не равная нулю при разложена в ряд Маклорена:

то существует ряд Маклорена противоположной функции:

Коэффициенты этого ряда можно найти, перемножив эти два равенства и применив метод неопределённых коэффициентов. Получится бесконечная треугольная система линейных уравнений, из которой последовательно найдутся искомые коэффициенты.

Аналогичным, но более громоздким, образом можно найти коэффициенты ряда обратной функции:

При этом используется соотношение , то есть весь ряд для подставляется вместо в ряд для .

Сумма степеней[править | править вики-текст]

В качестве частного примера можно привести задачу о нахождении формулы k-х степеней: . Будем искать ответ в виде многочлена -ой степени от . Коэффициенты же этого многочлена найдём с помощью метода неопределённых коэффициентов.

Пример. Ищем в виде .

По определению , а также . Подставляя многочлен в приведённой форме и приравнивая коэффициенты при одинаковых степенях, получаем систему для их определения:

откуда получаем ответ:

Нахождение частного решения неоднородного дифференциального уравнения[править | править вики-текст]

В некотором смысле данное применение является обобщением предыдущего — в том случае искалось решение разностного уравнения , здесь же ищется решение уравнения .

Обычно метод неопределённых коэффициентов применяют в случаях, когда правая часть представляет собой алгебраический или тригонометрический полином.

Ссылки[править | править вики-текст]