均差
均差(Divided differences)是遞歸除法過程。在数值分析中,可用於計算牛頓多項式形式的多項式插值的係數。在微积分中,均差与导数一起合称差商,是对函数在一个区间内的平均变化率的测量[1][2][3]。
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均差也是一种算法,查尔斯·巴贝奇的差分机,是他在1822年发表的论文中提出的一种早期的机械计算机,在历史上意图用来计算对数表和三角函数表, 它设计在其运算中使用这个算法[4]。
定義
給定n+1個數據點
定義前向均差為:
定義後向均差為:
表示法
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:
牛頓插值法
牛頓插值公式,得名於伊薩克·牛頓爵士,最早发表为他在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。
使用均差的牛顿插值法為[10]:
可以在计算过程中任意增添节点如點(xn+1,yn+1),只需計算新增的n+1階均差及其插值基函數,而无拉格朗日插值法需重算全部插值基函数之虞。
對均差採用展開形式[11]:
以2階均差牛頓插值為例:
前向差分
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。
例子
插值公式
其對應的牛頓插值公式為:
無窮級數
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:
泰勒形式
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。
註釋與引用
- Frank C. Wilson; Scott Adamson. . Cengage Learning. 2008: 177. ISBN 0-618-61104-5.
- Tamara Lefcourt Ruby; James Sellers; Lisa Korf; Jeremy Van Horn; Mike Munn. . Kaplan Publishing. 2014: 237. ISBN 978-1-61865-686-5.
- Thomas Hungerford; Douglas Shaw. . Cengage Learning. 2008: 211–212. ISBN 0-495-10833-2.
- Isaacson, Walter. . Simon & Schuster. 2014: 20. ISBN 978-1-4767-0869-0.
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- 《数值分析及科学计算》 薛毅(编) 第六章 第2节 Newton插值. P200.
- 《数值分析及科学计算》 薛毅(编) 第六章 第2节 Newton插值. P201.
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- . [2019-04-19]. (原始内容存档于2019-04-19).
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- Burden, Richard L.; Faires, J. Douglas. 9th. 2011: 129.
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- Methodus Incrementorum Directa et Inversa(页面存档备份,存于)
参考书目
- Louis Melville Milne-Thomson. . American Mathematical Soc. 2000. Chapter 1: Divided Differences [1933]. ISBN 978-0-8218-2107-7.
- Myron B. Allen; Eli L. Isaacson. . John Wiley & Sons. 1998. Appendix A. ISBN 978-1-118-03027-1.
- Ron Goldman. . Morgan Kaufmann. 2002. Chapter 4:Newton Interpolation and Difference Triangles. ISBN 978-0-08-051547-2.