有限差分系数

下表列出使用有限差分法进行数值微分时，各项的系数。按计算中自变量取值方向，分为中心差分，前向差分和后向差分。

中心差分

中心差分估算一阶至高阶微分按照下式：

${\displaystyle f^{(n)}(x)={\frac {1}{h_{x}^{n}}}\sum _{i=-m}^{m}k_{i}f(x+ih)+O(h_{x}^{p})}$

其中${\displaystyle h_{x}}$为自变量取等距格点计算函数值时的间隔。

下表列出不同计算精度下，等间距的一阶至高阶中心差分系数。^[1]

阶次	精度	−4	−3	−2	−1	0	1	2	3	4
1	2				−1/2	0	1/2
	4			1/12	−2/3	0	2/3	−1/12
	6		−1/60	3/20	−3/4	0	3/4	−3/20	1/60
	8	1/280	−4/105	1/5	−4/5	0	4/5	−1/5	4/105	−1/280
2	2				1	−2	1
	4			−1/12	4/3	−5/2	4/3	−1/12
	6		1/90	−3/20	3/2	−49/18	3/2	−3/20	1/90
	8	−1/560	8/315	−1/5	8/5	−205/72	8/5	−1/5	8/315	−1/560
3	2			−1/2	1	0	−1	1/2
	4		1/8	−1	13/8	0	−13/8	1	−1/8
	6	−7/240	3/10	−169/120	61/30	0	−61/30	169/120	−3/10	7/240
4	2			1	−4	6	−4	1
	4		−1/6	2	−13/2	28/3	−13/2	2	−1/6
	6	7/240	−2/5	169/60	−122/15	91/8	−122/15	169/60	−2/5	7/240
5	2		−1/2	2	−5/2	0	5/2	−2	1/2
6	2		1	−6	15	−20	15	−6	1

例如，${\displaystyle h_{x}^{2}}$精度的三阶导的中心差分式为

${\displaystyle \displaystyle f'''(x_{0})\approx \displaystyle {\frac {-{\frac {1}{2}}f(x_{-2})+f(x_{-1})-f(x_{+1})+{\frac {1}{2}}f(x_{+2})}{h_{x}^{3}}}+O\left(h_{x}^{2}\right)}$

前向与后向差分

下表列出不同精度下，等间距的一阶至高阶前向差分系数。^[1]

阶次	精度	0	1	2	3	4	5	6	7	8
1	1	−1	1
	2	−3/2	2	−1/2
	3	−11/6	3	−3/2	1/3
	4	−25/12	4	−3	4/3	−1/4
	5	−137/60	5	−5	10/3	−5/4	1/5
	6	−49/20	6	−15/2	20/3	−15/4	6/5	−1/6
2	1	1	−2	1
	2	2	−5	4	−1
	3	35/12	−26/3	19/2	−14/3	11/12
	4	15/4	−77/6	107/6	−13	61/12	−5/6
	5	203/45	−87/5	117/4	−254/9	33/2	−27/5	137/180
	6	469/90	−223/10	879/20	−949/18	41	−201/10	1019/180	−7/10
3	1	−1	3	−3	1
	2	−5/2	9	−12	7	−3/2
	3	−17/4	71/4	−59/2	49/2	−41/4	7/4
	4	−49/8	29	−461/8	62	−307/8	13	−15/8
	5	−967/120	638/15	−3929/40	389/3	−2545/24	268/5	−1849/120	29/15
	6	−801/80	349/6	−18353/120	2391/10	−1457/6	4891/30	−561/8	527/30	−469/240
4	1	1	−4	6	−4	1
	2	3	−14	26	−24	11	−2
	3	35/6	−31	137/2	−242/3	107/2	−19	17/6
	4	28/3	−111/2	142	−1219/6	176	−185/2	82/3	−7/2
	5	1069/80	−1316/15	15289/60	−2144/5	10993/24	−4772/15	2803/20	−536/15	967/240

例如，${\displaystyle h_{x}^{3}}$精度一阶导的前向差分式为 For example, the first derivative with a third-order accuracy and the second derivative with a second-order accuracy are

${\displaystyle \displaystyle f'(x_{0})\approx \displaystyle {\frac {-{\frac {11}{6}}f(x_{0})+3f(x_{+1})-{\frac {3}{2}}f(x_{+2})+{\frac {1}{3}}f(x_{+3})}{h_{x}}}+O\left(h_{x}^{3}\right),}$

${\displaystyle h_{x}^{2}}$精度二阶导的前向差分式为

${\displaystyle \displaystyle f''(x_{0})\approx \displaystyle {\frac {2f(x_{0})-5f(x_{+1})+4f(x_{+2})-f(x_{+3})}{h_{x}^{2}}}+O\left(h_{x}^{2}\right),}$

对应的后向差分式分别为

${\displaystyle \displaystyle f'(x_{0})\approx \displaystyle {\frac {{\frac {11}{6}}f(x_{0})-3f(x_{-1})+{\frac {3}{2}}f(x_{-2})-{\frac {1}{3}}f(x_{-3})}{h_{x}}}+O\left(h_{x}^{3}\right),}$

${\displaystyle \displaystyle f''(x_{0})\approx \displaystyle {\frac {2f(x_{0})-5f(x_{-1})+4f(x_{-2})-f(x_{-3})}{h_{x}^{2}}}+O\left(h_{x}^{2}\right),}$

实际上，奇数阶后向差分式相对前向差分，各系数q取相反数；而偶数阶的则不变。如下表：

阶次	精度	−8	−7	−6	−5	−4	−3	−2	−1	0
1	1								−1	1
	2							1/2	−2	3/2
2	1							1	−2	1
	2						−1	4	−5	2
3	1						−1	3	−3	1
	2					3/2	−7	12	−9	5/2
4	1					1	−4	6	−4	1
	2				−2	11	−24	26	−14	3

参见

• 有限差分法
• 数值微分

参考资料

1. Fornberg, Bengt, Generation of Finite Difference Formulas on Arbitrarily Spaced Grids, Mathematics of Computation（英语：Mathematics of Computation）, 1988, 51 (184): 699–706, ISSN 0025-5718, doi:10.1090/S0025-5718-1988-0935077-0.