stringtranslate.com

Коэффициент разности

В исчислении с одной переменной разностное отношение обычно является названием выражения

которое, будучи взято в пределе , когда h стремится к 0, дает производную функции f . [1] [2] [3] [4] Название выражения происходит от того факта, что оно является частным от деления разности значений функции на разность соответствующих значений ее аргумента (последнее в данном случае равно ( x + h ) - x = h ). [5] [6] Частное от деления является мерой средней скорости изменения функции на интервале (в данном случае, интервале длиной h ). [7] [8] : 237  [9] Предел частного от деления (т. е. производной) является, таким образом, мгновенной скоростью изменения. [9]

При небольшом изменении обозначений (и точки зрения) для интервала [ a , b ] разностное отношение

называется [5] средним (или усредненным) значением производной функции f на интервале [ a , b ]. Это название оправдано теоремой о среднем значении , которая гласит, что для дифференцируемой функции f ее производная f достигает своего среднего значения в некоторой точке интервала. [5] Геометрически это разностное отношение измеряет наклон секущей линии, проходящей через точки с координатами ( a , f ( a )) и ( b , f ( b )). [10]

Коэффициенты разности используются в качестве приближений при численном дифференцировании [8] , но они также подвергались критике в этом приложении. [11]

Коэффициенты разности также могут оказаться полезными в приложениях, включающих дискретизацию по времени , где ширина временного шага используется для значения h.

Разностное отношение иногда также называют отношением Ньютона [10] [12] [13] [14] (в честь Исаака Ньютона ) или разностным отношением Ферма (в честь Пьера де Ферма ). [15]

Обзор

Типичное понятие разностного коэффициента, обсуждаемое выше, является частным случаем более общей концепции. Первичным средством исчисления и другой высшей математики является функция . Ее «входное значение» — это ее аргумент , обычно точка («P»), выражаемая на графике. Разница между двумя точками, сама по себе, известна как их дельтаP ), как и разница в результате их функции, причем конкретная нотация определяется направлением формирования:

Общим предпочтением является прямая ориентация, поскольку F(P) является базой, к которой добавляются разности (т. е. «ΔP»). Кроме того,

Разность функций, деленная на разность точек, называется «коэффициентом разности»:

Если ΔP бесконечно мало, то разностное отношение является производной , в противном случае это разделенная разность :

Определение диапазона точек

Независимо от того, является ли ΔP бесконечно малым или конечным, существует (по крайней мере — в случае производной — теоретически) точечный диапазон, где границы равны P ± (0,5) ΔP (в зависимости от ориентации — ΔF(P), δF(P) или ∇F(P)):

LB = Нижняя граница; UB = Верхняя граница;

Производные можно рассматривать как функции, сами по себе содержащие свои собственные производные. Таким образом, каждая функция является домом для последовательных степеней («более высоких порядков») деривации или дифференциации . Это свойство можно обобщить на все коэффициенты разности.
Поскольку эта последовательность требует соответствующего граничного расщепления, практично разбить диапазон точек на меньшие, равновеликие секции, причем каждая секция отмечена промежуточной точкой ( P i ), где LB = P 0 и UB = P ń , n -я точка, равная степени/порядку:

 LB = P0 = P0 + 0Δ1P = (Ń-0) Δ1P ; P1 = P0 + 1Δ1 P = Pń − (Ń- 1 )Δ1 P ; P2 = P0 + 2Δ1P =− (Ń- 2 ) Δ1P ; P 3 = P 0 + 3Δ 1 P = P ń − (Ń-3)Δ 1 P; ↓ ↓ ↓ ↓ P ń-3 = P 0 + (Ń-3)Δ 1 P = P ń − 3Δ 1 P; P ń-2 = P 0 + (Ń-2)Δ ​​1 P = P ń − 2Δ 1 P; P ń-1 = P 0 + (Ń-1)Δ 1 P = P ń − 1Δ 1 P; UB = P ń-0 = P 0 + (Ń-0)Δ 1 P = P ń − 0Δ 1 P = P ń ;
 ΔP знак равно Δ 1 P знак равно п 1 - п 0 знак равно п 2 - п 1 знак равно п 3 - п 2 знак равно ... = п ń - п ń-1 ;
 ΔB = UB − LB = P ń − P 0 = Δ ń P = ŃΔ 1 P.

Первичный коэффициент разности (С= 1)

Как производное

Разностное отношение как производная не нуждается в объяснении, за исключением указания на то, что поскольку P 0 по сути равно P 1 = P 2 = ... = P ń (поскольку разности бесконечно малы), то обозначения Лейбница и производные выражения не различают P и P 0 или P ń :

Существуют и другие производные обозначения , но эти являются наиболее признанными и стандартными обозначениями.

Как разделенная разница

Однако разделенная разность требует дальнейшего пояснения, поскольку она равна средней производной между LB и UB включительно:
В этой интерпретации P ã представляет собой извлеченную функцию, среднее значение P (середина диапазона, но обычно не точно середина), конкретная оценка в зависимости от функции, из которой она извлечена. Более формально P ã находится в теореме о среднем значении исчисления, которая гласит:
Для любой функции, непрерывной на [LB,UB] и дифференцируемой на (LB,UB), существует некоторая точка P ã в интервале (LB,UB) такая, что секущая, соединяющая концы интервала [LB,UB], параллельна касательной в точке P ã .
По сути, P ã обозначает некоторое значение P между LB и UB — следовательно,
который связывает результат среднего значения с разделенной разностью:
Поскольку по самому определению существует ощутимая разница между LB/P 0 и UB/P ń , выражения Лейбница и производные требуют разделения аргумента функции.

Коэффициенты разности более высокого порядка

Второго порядка

Третий порядок

Нй порядок

Применение разделенной разницы

Наиболее существенным применением разделенной разности является представление определенного интеграла, который представляет собой не что иное, как конечную разность:

Учитывая, что форма выражения среднего значения, производной предоставляет всю ту же информацию, что и классическая интегральная нотация, форма среднего значения может быть предпочтительным выражением, например, в письменных местах, которые поддерживают/принимают только стандартный текст ASCII , или в случаях, когда требуется только средняя производная (например, при нахождении среднего радиуса в эллиптическом интеграле). Это особенно верно для определенных интегралов, которые технически имеют (например) 0 и либо или в качестве границ, с той же разделенной разностью, что и с границами 0 и (таким образом, требуя меньших усилий по усреднению):

Это также становится особенно полезным при работе с итерированными и многократными интегралами ( ΔA = AU − AL, ΔB = BU − BL, ΔC = CU − CL):

Следовательно,

и

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Питер Д. Лакс; Мария Ши Террелл (2013). Исчисление с приложениями . Springer. стр. 119. ISBN 978-1-4614-7946-8.
  2. ^ Ширли О. Хокетт; Дэвид Бок (2005). Barron's how to Prepare for the AP Calculus . Образовательная серия Barron's. стр. 44. ISBN 978-0-7641-2382-5.
  3. ^ Марк Райан (2010). Основы исчисления для чайников . John Wiley & Sons. стр. 41–47. ISBN 978-0-470-64269-6.
  4. ^ Карла Нил; Р. Густафсон; Джефф Хьюз (2012). Precalculus . Cengage Learning. стр. 133. ISBN 978-0-495-82662-0.
  5. ^ abc Майкл Коменец (2002). Исчисление: Элементы . World Scientific. стр. 71–76 и 151–161. ISBN 978-981-02-4904-5.
  6. ^ Мориц Паш (2010). Очерки по основам математики Морица Паша . Springer. стр. 157. ISBN 978-90-481-9416-2.
  7. ^ Фрэнк С. Уилсон; Скотт Адамсон (2008). Прикладное исчисление . Cengage Learning. стр. 177. ISBN 978-0-618-61104-1.
  8. ^ ab Тамара Лефкурт Руби; Джеймс Селлерс; Лиза Корф; Джереми Ван Хорн; Майк Манн (2014). Kaplan AP Calculus AB & BC 2015. Kaplan Publishing. стр. 299. ISBN 978-1-61865-686-5.
  9. ^ ab Томас Хангерфорд; Дуглас Шоу (2008). Contemporary Precalculus: A Graphing Approach . Cengage Learning. стр. 211–212. ISBN 978-0-495-10833-7.
  10. ^ ab Стивен Г. Кранц (2014). Основы анализа . CRC Press. стр. 127. ISBN 978-1-4822-2075-9.
  11. ^ Андреас Гриванк; Андреа Вальтер (2008). Оценка производных: принципы и методы алгоритмического дифференцирования, второе издание. SIAM. стр. 2–. ISBN 978-0-89871-659-7.
  12. ^ Серж Ланг (1968). Анализ 1. Addison-Wesley Publishing Company. стр. 56.
  13. ^ Брайан Д. Хан (1994). Fortran 90 для ученых и инженеров . Elsevier. стр. 276. ISBN 978-0-340-60034-4.
  14. ^ Кристофер Клэпхэм; Джеймс Николсон (2009). Краткий Оксфордский словарь математики . Oxford University Press. стр. 313. ISBN 978-0-19-157976-9.
  15. ^ Дональд К. Бенсон, «Более гладкий камешек: математические исследования» , Oxford University Press, 2003, стр. 176.

Внешние ссылки