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均差(Divided differences)是遞歸除法過程。在數值分析中,可用於計算牛頓多項式形式的多項式插值的係數。在微積分中,均差與導數一起合稱差商,是對函數在一個區間內的平均變化率的測量[1][2][3]。
均差也是一種算法,查爾斯·巴貝奇的差分機,是他在1822年發表的論文中提出的一種早期的機械計算機,在歷史上意圖用來計算對數表和三角函數表, 它設計在其運算中使用這個算法[4]。
給定n+1個數據點
定義前向均差為:
定義後向均差為:
假定數據點給出為函數 ƒ,
其均差可以寫為:
對函數 ƒ 在節點 x0, ..., xn 上的均差還有其他表示法,如:
給定ν=0:
為了使涉及的遞歸過程更加清楚,以列表形式展示均差的計算過程[5]:
通過對換 n 階均差中(x0,y0)與(xn-1,yn-1),可得到等價定義:
這個定義有著不同的計算次序:
以列表形式展示這個定義下均差的計算過程[9]:
牛頓插值公式,得名於伊薩克·牛頓爵士,最早發表為他在1687年出版的《自然哲學的數學原理》中第三編「宇宙體系」的引理五,此前詹姆斯·格雷果里於1670年和牛頓於1676年已經分別獨立得出這個成果。一般稱其為連續泰勒展開的離散對應。
可以在計算過程中任意增添節點如點(xn+1,yn+1),只需計算新增的n+1階均差及其插值基函數,而無拉格朗日插值法需重算全部插值基函數之虞。
對均差採用展開形式[11]:
以2階均差牛頓插值為例:
當數據點呈等距分佈的時候,這個特殊情況叫做「前向差分」。它們比計算一般的均差要容易。
給定n+1個數據點
有著
定義前向差分為:
前向差分所對應的均差為[12]:
差分的展開形式是均差展開形式的特殊情況[13]:
這裡的表達式
其對應的牛頓插值公式為:
牛頓在1665年得出並在1671年寫的《流數法》中發表了ln(1+x)的無窮級數,在1666年得出了arcsin(x)和arctan(x)的無窮級數,在1669年的《分析學》中發表了sin(x)、cos(x)、arcsin(x)和ex的無窮級數;萊布尼茨在1673年大概也得出了sin(x)、cos(x)和arctan(x)的無窮級數。布魯克·泰勒在1715年著作《Methodus Incrementorum Directa et Inversa》[14]中研討了「有限差分」方法,其中論述了他在1712年得出的泰勒定理,這個成果此前詹姆斯·格雷果里在1670年和萊布尼茨在1673年已經得出,而約翰·伯努利在1694年已經在《教師學報》發表。
他對牛頓的均差的步長取趨於0的極限,得出:
使用普通函數記號表示冪運算,,有:
泰勒級數和任何其他的函數級數,在原理上都可以用來逼近均差。將泰勒級數表示為:
均差的泰勒級數為:
前項消失了,因為均差的階高於多項式的階。可以得出均差的泰勒級數本質上開始於:
依據均差中值定理,這也是均差的最簡單逼近。
均差還可以表達為
這裡的Bn-1是數據點x0,...,xn的n-1次B樣條,而f(n)是函數f的n階導數。這叫做均差的皮亞諾形式,而Bn-1是均差的皮亞諾核。
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