有限差分係數

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:

其中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   1/201/2   
4  1/122/302/31/12  
6 1/603/203/403/43/201/60 
81/2804/1051/54/504/51/54/1051/280
2 2   1−21   
4  1/124/35/24/31/12  
6 1/903/203/249/183/23/201/90 
81/5608/3151/58/5205/728/51/58/3151/560
3 2  1/21011/2  
4 1/8113/8013/811/8 
67/2403/10169/12061/30061/30169/1203/107/240
4 2  14641  
4 1/6213/228/313/221/6 
67/2402/5169/60122/1591/8122/15169/602/57/240
5 2 1/225/205/221/2 
6 2 1615201561 

例如,精度的三阶导的中心差分式为

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
1 111       
23/221/2      
311/633/21/3     
425/12434/31/4    
5137/605510/35/41/5   
649/20615/220/315/46/51/6  
2 1121      
22541     
335/1226/319/214/311/12    
415/477/6107/61361/125/6   
5203/4587/5117/4254/933/227/5137/180  
6469/90223/10879/20949/1841201/101019/1807/10 
3 11331     
25/291273/2    
317/471/459/249/241/47/4   
449/829461/862307/81315/8  
5967/120638/153929/40389/32545/24268/51849/12029/15 
6801/80349/618353/1202391/101457/64891/30561/8527/30469/240
4 114641    
23142624112   
335/631137/2242/3107/21917/6  
428/3111/21421219/6176185/282/37/2 
51069/801316/1515289/602144/510993/244772/152803/20536/15967/240

例如,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

精度二阶导的前向差分式为

对应的后向差分式分别为

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       11
2      1/223/2
2 1      121
2     1452
3 1     1331
2    3/271295/2
4 1    14641
2   2112426143

参见

参考资料

  1. Fornberg, Bengt, , Mathematics of Computation, 1988, 51 (184): 699–706, ISSN 0025-5718, doi:10.1090/S0025-5718-1988-0935077-0.
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