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逆数の差分の証明です。

逆数の差分の証明

逆数の差分の証明です。

更新日:

前進差分

∆hf⁡(x)∆hx=f⁡(x+h)-f⁡(x)h
変形して
f⁡(x+h)=h⁢∆hf⁡(x)∆hx-f⁡(x)…①

①より
∆h1f⁡(x)∆hx=1f⁡(x+h)-1f⁡(x)h
=f⁡(x)-f⁡(x+h)h⁢f⁡(x+h)⁢f⁡(x)=-(∆hf⁡(x)∆hx)f⁡(x+h)⁢f⁡(x)
=-(∆hf⁡(x)∆hx)(h⁢∆hf⁡(x)∆hx-f⁡(x))⁢f⁡(x)
=(∆f⁡(x)∆x)(f⁡(x)-h⁢∆hf⁡(x)∆hx)⁢f⁡(x)
=(∆f⁡(x)∆x)(f⁡(x))2-h⁢∆hf⁡(x)∆hx⁢f⁡(x)

よって
∆h1f⁡(x)∆hx=-(∆hf⁡(x)∆hx)(f⁡(x))2-h⁢∆hf⁡(x)∆hx⁢f⁡(x)

後退差分

∇hf⁡(x)∇hx=f⁡(x)-f⁡(x-h)h
変形して
f⁡(x-h)=f⁡(x)-h⁢∇hf⁡(x)∇hx…①

①より
∇h1f⁡(x)∇hx=1f⁡(x)-1f⁡(x-h)h
=f⁡(x-h)-f⁡(x)h⁢f⁡(x)⁢f⁡(x-h)
=-(∇hf⁡(x)∇hx)f⁡(x)⁢f⁡(x-h)
=-(∇hf⁡(x)∇hx)f⁡(x)⁢(f⁡(x)-h⁢∇hf⁡(x)∇hx)
=(∇hf⁡(x)∇hx)f⁡(x)⁢(h⁢∇hf⁡(x)∇hx-f⁡(x))
=(∇hf⁡(x)∇hx)h⁢∇hf⁡(x)∇hx⁢f⁡(x)-(f⁡(x))2
よって
∇h1f⁡(x)∇hx=(∇hf⁡(x)∇hx)h⁢∇hf⁡(x)∇hx⁢f⁡(x)-(f⁡(x))2

中心差分

Mx⁡f⁡(x)=f⁡(x+h2)+f⁡(x-h2)2
=2⁢f⁡(x+h2)-f⁡(x+h2)+f⁡(x-h2)2
=f⁡(x+h2)-h2⁢δhf⁡(x)δhx
変形して
f⁡(x+h2)=Mx⁡f⁡(x)+h2⁢δhf⁡(x)δhx…①

Mx⁡f⁡(x)=f⁡(x+h2)+f⁡(x-h2)2
=f⁡(x+h2)-f⁡(x-h2)+2⁢f⁡(x-h2)2
=f⁡(x-h2)+h2⁢δhf⁡(x)δhx
変形して
f⁡(x-h2)=Mx⁡f⁡(x)-h2⁢δhf⁡(x)δhx…②

①と②より
δh1f⁡(x)δhx=1f⁡(x+h2)-1f⁡(x-h2)h
=f⁡(x-h2)-f⁡(x+j2)h⁢f⁡(x+h2)⁢f⁡(x-h2)
=-(δhf⁡(x)δhx)f⁡(x+h2)⁢f⁡(x-h2)
=-(δhf⁡(x)δhx)(Mx⁡f⁡(x)+h2⁢δhf⁡(x)δhx)⁢(Mx⁡f⁡(x)-h2⁢δhf⁡(x)δhx)
=-(δhf⁡(x)δhx)(Mx⁡f⁡(x))2-(h2⁢δhf⁡(x)δhx)2
=(δhf⁡(x)δhx)(h2⁢δhf⁡(x)δhx)2-(Mx⁡f⁡(x))2
よって
δh1f⁡(x)δhx=(δhf⁡(x)δhx)(h2⁢δhf⁡(x)δhx)2-(Mx⁡f⁡(x))2

完成した公式

∆h1f⁡(x)∆hx=-(∆hf⁡(x)∆hx)(f⁡(x))2-h⁢∆hf⁡(x)∆hx⁢f⁡(x)
∇h1f⁡(x)∇hx=(∇hf⁡(x)∇hx)h⁢∇hf⁡(x)∇hx⁢f⁡(x)-(f⁡(x))2
δh1f⁡(x)δhx=(δhf⁡(x)δhx)(h2⁢δhf⁡(x)δhx)2-(Mx⁡f⁡(x))2
ただし
Mx⁡f⁡(x)=f⁡(x+h2)+f⁡(x-h2)2