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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]

均差也是一种算法查尔斯·巴贝奇差分机,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:

 

例子

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]

 

展開形式

數學歸納法可證明[6]

 

此公式體現了均差的對稱性質。[7]故可推知:任意调换數據點次序,其值不变。[8]

性质

  • 对称性:若 是一个排列
 
 
  • 萊布尼茨法則英语General Leibniz rule
 
  • 均差中值定理英语Mean value theorem (divided differences)
 

等價定義

通過對換 n 阶均差中(x0,y0)与(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]

 

牛頓插值法

 
自然哲學的數學原理》的第三編“宇宙體系”的引理五的图例。這裡在橫坐標上有6個點H,I,K,L,M,N,對應著6個值A,B,C,D,E,F,生成一個多項式函數對這6個點上有對應的6個值,計算任意點S對應的值R。牛頓給出了間距為單位值和任意值的兩種情況。

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[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。

定義

給定n+1個數據點

 

有著

 

定義前向差分為:

 

前向差分所对应的均差为[12]

 

例子

 

展開形式

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

 

二項式係數,其中的(n)k是“下降階乘冪”,空積(n)0被定義為1。

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:

 

冪函數的均差

使用普通函數記號表示冪运算, ,有:

 

此中n+1元m次齊次多項式的記法同於多項式定理

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:

 

 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:

 

依據均差中值定理英语Mean value theorem (divided differences),這也是均差的最簡單逼近。

皮亞諾形式

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。

註釋與引用

  1. ^ Frank C. Wilson; Scott Adamson. Applied Calculus. Cengage Learning. 2008: 177. ISBN 0-618-61104-5. 
  2. ^ Tamara Lefcourt Ruby; James Sellers; Lisa Korf; Jeremy Van Horn; Mike Munn. Kaplan AP Calculus AB & BC 2015. Kaplan Publishing. 2014: 237. ISBN 978-1-61865-686-5. 
  3. ^ Thomas Hungerford; Douglas Shaw. Contemporary Precalculus: A Graphing Approach. Cengage Learning. 2008: 211–212. ISBN 0-495-10833-2. 
  4. ^ Isaacson, Walter. The Innovators. Simon & Schuster. 2014: 20. ISBN 978-1-4767-0869-0. 
  5. ^
     
  6. ^
     
  7. ^ 《数值分析及科学计算》 薛毅(编) 第六章 第2节 Newton插值. P200.
  8. ^ 《数值分析及科学计算》 薛毅(编) 第六章 第2节 Newton插值. P201.
  9. ^
     
  10. ^ The Newton Polynomial Interpolation. [2019-04-19]. (原始内容于2019-04-19). 
  11. ^
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, 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, 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, 目录, 定義, 表示法, 例子, 展開形式, 性质, 等價定義, 牛頓插值法, 前向差分, 定義, 例子, 展開形式, 插值公式, 無. 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 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 目录 1 定義 2 表示法 3 例子 4 展開形式 5 性质 6 等價定義 7 牛頓插值法 8 前向差分 8 1 定義 8 2 例子 8 3 展開形式 8 4 插值公式 8 5 無窮級數 9 冪函數的均差 10 泰勒形式 11 皮亞諾形式 12 註釋與引用 13 参考书目 14 參見定義 编辑給定n 1個數據點 x 0 y 0 x n y n displaystyle x 0 y 0 ldots x n y n 定義前向均差為 y n y n n 0 n y n y n j y n 1 y n j y n y n j 1 x n j x n n 0 n j j 1 n displaystyle begin aligned mathopen y nu amp y nu quad nu in 0 ldots n mathopen y nu ldots y nu j amp frac y nu 1 ldots y nu j y nu ldots y nu j 1 x nu j x nu quad nu in 0 ldots n j j in 1 ldots n end aligned 定義後向均差為 y n y n n 0 n y n y n j y n y n j 1 y n 1 y 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y0 与 xn 1 yn 1 可得到等價定義 y 0 y 1 y n 1 y n y 1 y 2 y n y 0 y 1 y n 1 x n x 0 y 1 y n 2 y 0 y n y n 1 y 1 y n 2 y 0 x n x n 1 y 0 y n 2 y n y 0 y 1 y n 1 x n x n 1 displaystyle begin aligned mathopen y 0 y 1 dots y n 1 y n amp frac mathopen y 1 y 2 dots y n mathopen y 0 y 1 dots y n 1 x n x 0 amp frac mathopen y 1 dots y n 2 y 0 y n mathopen y n 1 y 1 dots y n 2 y 0 x n x n 1 amp frac mathopen y 0 dots y n 2 y n mathopen y 0 y 1 dots y n 1 x n x n 1 end aligned 這個定義有著不同的計算次序 y 0 y 0 y 0 y 1 y 1 y 0 x 1 x 0 y 0 y 1 y 2 y 0 y 2 y 0 y 1 x 2 x 1 y 0 y 1 y 2 y 3 y 0 y 1 y 3 y 0 y 1 y 2 x 3 x 2 y 0 y 1 y n y 0 y n 2 y n y 0 y 1 y n 1 x n x n 1 displaystyle begin aligned mathopen y 0 amp y 0 mathopen y 0 y 1 amp frac y 1 y 0 x 1 x 0 mathopen y 0 y 1 y 2 amp frac mathopen y 0 y 2 mathopen y 0 y 1 x 2 x 1 mathopen y 0 y 1 y 2 y 3 amp frac mathopen y 0 y 1 y 3 mathopen y 0 y 1 y 2 x 3 x 2 mathopen y 0 y 1 dots y n amp frac mathopen y 0 dots y n 2 y n mathopen y 0 y 1 dots y n 1 x n x n 1 end 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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 N n x y 0 y 0 x x 0 x 0 x 1 y 1 x x 0 x 1 x 0 j 0 n y j k 0 n 1 x x k k 0 k j n x j x k displaystyle begin aligned N n x amp y 0 y 0 frac x x 0 x 0 x 1 y 1 frac x x 0 x 1 x 0 cdots sum j 0 n y j frac prod k 0 n 1 x x k prod k 0 k neq j n x j x k end aligned 以2階均差牛頓插值為例 N 2 x y 0 1 x x 0 x 0 x 1 x x 0 x x 1 x 0 x 1 x 0 x 2 y 1 x x 0 x 1 x 0 x x 0 x x 1 x 1 x 0 x 1 x 2 y 2 x x 0 x x 1 x 2 x 0 x 2 x 1 y 0 x x 1 x x 2 x 0 x 1 x 0 x 2 y 1 x x 0 x x 2 x 1 x 0 x 1 x 2 y 2 x x 0 x x 1 x 2 x 0 x 2 x 1 j 0 2 y j k 0 k j 2 x x k x j x k displaystyle begin aligned N 2 x amp y 0 left 1 frac x x 0 x 0 x 1 frac x x 0 x x 1 x 0 x 1 x 0 x 2 right y 1 left frac x x 0 x 1 x 0 frac x x 0 x x 1 x 1 x 0 x 1 x 2 right y 2 frac x x 0 x x 1 x 2 x 0 x 2 x 1 amp y 0 frac x x 1 x x 2 x 0 x 1 x 0 x 2 y 1 frac x x 0 x x 2 x 1 x 0 x 1 x 2 y 2 frac x x 0 x x 1 x 2 x 0 x 2 x 1 amp sum j 0 2 y j prod begin smallmatrix k 0 k neq j end smallmatrix 2 frac x x k x j x k end aligned 前向差分 编辑更多信息 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 定義 编辑 給定n 1個數據點 x 0 y 0 x n y n displaystyle x 0 y 0 ldots x n y n 有著 x i x 0 i h h gt 0 0 i n displaystyle x i x 0 ih quad h gt 0 mbox 0 leq i leq n 定義前向差分為 0 y i y i k y i k 1 y i 1 k 1 y i 1 k n i displaystyle begin aligned triangle 0 y i amp y i triangle k y i amp triangle k 1 y i 1 triangle k 1 y i quad 1 leq k leq n i end aligned 前向差分所对应的均差为 12 f x 0 x 1 x k 1 k h k D k f x 0 displaystyle f x 0 x 1 ldots x k frac 1 k h k Delta k f x 0 例子 编辑 y 0 y 0 y 1 2 y 0 y 1 3 y 0 y 2 2 y 1 y 2 y 3 displaystyle begin matrix y 0 amp amp amp amp triangle y 0 amp amp y 1 amp amp triangle 2 y 0 amp amp triangle y 1 amp amp triangle 3 y 0 y 2 amp amp triangle 2 y 1 amp amp triangle y 2 amp amp y 3 amp amp amp end matrix 展開形式 编辑 差分的展開形式是均差展開形式的特殊情況 13 k y i j 0 k 1 k j k j y i j 0 k n i displaystyle begin aligned triangle k y i amp sum j 0 k 1 k j binom k j y i j quad 0 leq k leq n i end aligned 這裡的表達式 n k n k k n k n n 1 n 2 n k 1 displaystyle n choose k frac n k k quad quad n k n n 1 n 2 cdots n k 1 是二項式係數 其中的 n k是 下降階乘冪 空積 n 0被定義為1 插值公式 编辑 其對應的牛頓插值公式為 f x y 0 x x 0 h D 1 y 0 x x 0 h 2 h D 2 y 0 y 0 k 1 n D k y 0 k h k i 0 n 1 x x 0 i h y 0 k 1 n D k y 0 k i 0 n 1 x x 0 h i k 0 n x x 0 h k D k y 0 displaystyle begin aligned f x amp y 0 frac x x 0 h left Delta 1 y 0 frac x x 0 h 2h left Delta 2 y 0 cdots right right amp y 0 sum k 1 n frac Delta k y 0 k h k prod i 0 n 1 x x 0 ih amp y 0 sum k 1 n frac Delta k y 0 k prod i 0 n 1 frac x x 0 h i amp sum k 0 n frac x x 0 h choose k Delta k y 0 end aligned 無窮級數 编辑 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 f x f a lim h 0 k 1 D h k f a k h k i 0 k 1 x a i h f a k 1 d k d x k f a x a k k displaystyle begin aligned f x amp f a lim h to 0 sum k 1 infty frac Delta h k f a k h k prod i 0 k 1 x a ih amp f a sum k 1 infty frac d k dx k f a frac x a k k end aligned 冪函數的均差 编辑使用普通函數記號表示冪运算 p n x x n displaystyle p n x x n 有 p j x 0 x n 0 j lt n p n x 0 x n 1 p n 1 x 0 x n x 0 x n p n m x 0 x n k 0 k n m t 0 n x t k t displaystyle begin aligned p j x 0 dots x n amp 0 qquad forall j lt n p n x 0 dots x n amp 1 p n 1 x 0 dots x n amp x 0 dots x n p n m x 0 dots x n amp sum k 0 cdots k n m begin matrix prod t 0 n x t k t end matrix end aligned 此中n 1元m次齊次多項式的記法同於多項式定理 泰勒形式 编辑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 f f 0 p 0 f 0 p 1 f 0 2 p 2 displaystyle f f 0 p 0 f 0 p 1 frac f 0 2 p 2 dots 均差的泰勒級數為 f x 0 x n f 0 p 0 x 0 x n f 0 p 1 x 0 x n f n 0 n p n x 0 x n displaystyle f x 0 dots x n f 0 p 0 x 0 dots x n f 0 p 1 x 0 dots x n dots frac f n 0 n p n x 0 dots x n dots 前n displaystyle n 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 f n 0 n displaystyle frac f n 0 n 依據均差中值定理 英语 Mean value theorem divided differences 這也是均差的最簡單逼近 皮亞諾形式 编辑均差還可以表達為 f x 0 x n 1 n x 0 x n f n t B n 1 t d t displaystyle f x 0 ldots x n frac 1 n int x 0 x n f n t B n 1 t dt 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 註釋與引用 编辑 Frank C Wilson Scott Adamson Applied Calculus Cengage Learning 2008 177 ISBN 0 618 61104 5 Tamara Lefcourt Ruby James Sellers Lisa Korf Jeremy Van Horn Mike Munn Kaplan AP Calculus AB amp BC 2015 Kaplan Publishing 2014 237 ISBN 978 1 61865 686 5 Thomas Hungerford Douglas Shaw Contemporary Precalculus A Graphing Approach Cengage Learning 2008 211 212 ISBN 0 495 10833 2 Isaacson Walter The Innovators Simon amp Schuster 2014 20 ISBN 978 1 4767 0869 0 x 0 x 0 2 x 0 x 1 x 1 x 1 2 1 x 1 x 2 0 x 2 x 2 2 1 x 2 x 3 x 3 x 3 2 x 0 x 0 n i 0 n 1 x 0 n 1 i x 1 i x 1 x 1 n x 0 x 0 n 1 x 1 n 1 x 1 x 0 n x 1 x 0 n x 0 n 1 x 1 x 0 x 1 x 1 n x 0 n x 1 x 0 x 0 n x 1 i 0 n 1 x 0 n 1 i x 1 i x 0 n i 0 n x 0 n i x 1 i x 1 x 1 n 1 x 0 x 0 n 1 i 0 n x 0 n i x 1 i x 1 x 1 n 1 i 0 n x 1 n i x 2 i i 0 n x 0 n i x 1 i x 2 x 0 i 0 n 1 x 1 i x 2 n i x 0 n i x 2 x 0 i j k n 1 x 0 i x 1 j x 2 k i 0 n x 1 n i x 2 i x 2 x 2 n 1 x 0 x 0 n 1 i 0 n x 0 n i x 1 i x 1 x 1 n 1 i j k n 1 x 0 i x 1 j x 2 k i 0 n x 1 n i x 2 i i j k n 1 x 1 i x 2 j x 3 k i j k n 1 x 0 i x 1 j x 2 k x 3 x 0 i j k l n 2 x 0 i x 1 j x 2 k x 3 l x 2 x 2 n 1 i j k n 1 x 1 i x 2 j x 3 k i 0 n x 2 n i x 3 i x 3 x 3 n 1 x 0 x 0 3 x 0 2 x 0 x 1 x 1 2 x 1 x 1 3 x 0 x 1 x 2 x 1 1 x 1 x 2 x 2 2 1 x 2 x 2 3 x 1 x 2 x 3 0 x 2 2 x 2 x 3 x 3 2 1 x 3 x 3 3 x 2 x 3 x 4 x 3 2 x 3 x 4 x 4 2 x 4 x 4 3 x 0 x 0 4 x 0 3 x 0 2 x 1 x 0 x 1 2 x 1 3 x 1 x 1 4 x 0 2 x 0 x 1 x 1 2 x 0 x 2 x 1 x 2 x 2 2 x 1 3 x 1 2 x 2 x 1 x 2 2 x 2 3 x 0 x 1 x 2 x 3 x 2 x 2 4 x 1 2 x 1 x 2 x 2 2 x 1 x 3 x 2 x 3 x 3 2 1 x 2 3 x 2 2 x 3 x 2 x 3 2 x 3 3 x 1 x 2 x 3 x 4 0 x 3 x 3 4 x 2 2 x 2 x 3 x 3 2 x 2 x 4 x 3 x 4 x 4 2 1 x 3 3 x 3 2 x 4 x 3 x 4 2 x 4 3 x 2 x 3 x 4 x 5 x 4 x 4 4 x 3 2 x 3 x 4 x 4 2 x 3 x 5 x 4 x 5 x 5 2 x 4 3 x 4 2 x 5 x 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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 P201 x 0 x 0 3 x 0 2 x 0 x 1 x 1 2 x 1 x 1 3 x 0 x 1 x 2 x 0 2 x 0 x 2 x 2 2 1 x 2 x 2 3 x 0 x 1 x 3 0 x 0 2 x 0 x 3 x 3 2 1 x 3 x 3 3 x 0 x 1 x 4 x 0 2 x 0 x 4 x 4 2 x 4 x 4 3 displaystyle begin matrix x 0 amp x 0 3 amp amp amp amp amp amp x 0 2 x 0 x 1 x 1 2 amp amp x 1 amp x 1 3 amp amp x 0 x 1 x 2 amp amp amp amp x 0 2 x 0 x 2 x 2 2 amp amp 1 amp x 2 amp x 2 3 amp amp x 0 x 1 x 3 amp amp 0 amp amp x 0 2 x 0 x 3 x 3 2 amp amp 1 amp x 3 amp x 3 3 amp amp x 0 x 1 x 4 amp amp amp amp x 0 2 x 0 x 4 x 4 2 amp amp amp x 4 amp x 4 3 amp amp amp amp end matrix The Newton Polynomial Interpolation 2019 04 19 原始内容存档于2019 04 19 N 1 x y 0 y 0 y 1 x x 0 y 0 y 0 x x 0 x 0 x 1 y 1 x x 0 x 1 x 0 y 0 1 x x 0 x 0 x 1 y 1 x x 0 x 1 x 0 y 0 x x 1 x 0 x 1 y 1 x x 0 x 1 x 0 j 0 1 y j k 0 k j 1 x x k x j x k N n x j 0 n y j k 0 k j n x x k x j x k N n 1 x N n x y 0 y 1 y n 1 k 0 n x x k j 0 n y j k 0 k j n x x k x j x k j 0 n 1 y j k 0 n x x k k 0 k j n 1 x j x k j 0 n y j k 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