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合成関数の差分の証明です。

合成関数の差分の証明

合成関数の差分の証明です。

更新日:

前進差分

∆hg⁡(x)∆hx=g⁡(x+h)-g⁡(x)(x+h)-x
=g⁡(x+h)-g⁡(x)h
から変形して
g⁡(x+h)=g⁡(x)+∆hg⁡(x)∆hx⁢h…①

差分(商)の公式に①を代入
∆hf⁡(g⁡(x))∆hx=f⁡(g⁡(x+h))-f⁡(g⁡(x))(x+h)-x
=f⁡(g⁡(x)+∆hg⁡(x)∆hx⁢h)-f⁡(g⁡(x))h
=f⁡(g⁡(x)+∆hg⁡(x)∆hx⁢h)-f⁡(g⁡(x))h⁢(∆hg⁡(x)∆hx)(∆hg⁡(x)∆hx)
=f⁡(g⁡(x)+∆hg⁡(x)∆hx⁢h)-f⁡(g⁡(x))∆hg⁡(x)∆hx⁢h⁢∆hg⁡(x)∆hx
=f⁡(g⁡(x)+∆hg⁡(x)∆hx⁢h)-f⁡(g⁡(x))(g⁡(x)+∆hg⁡(x)∆hx⁢h)-g⁡(x)⁢∆hg⁡(x)∆hx
=∆(h⁢∆hg⁡(x)∆hx)f⁡(g⁡(x))∆(h⁢∆hg⁡(x)∆hx)g⁡(x)⁢∆hg⁡(x)∆hx

よって
∆hf⁡(g⁡(x))∆hx=∆(h⁢∆hg⁡(x)∆hx)f⁡(g⁡(x))∆(h⁢∆hg⁡(x)∆hx)g⁡(x)⁢∆hg⁡(x)∆hx

後退差分

∇hg⁡(x)∇hx=g⁡(x)-g⁡(x-h)x-(x-h)
=g⁡(x)-g⁡(x-h)h
から変形して
g⁡(x+h)=g⁡(x)-h⁢∇hg⁡(x)∇hx…①

差分の公式に①を代入
∇hf⁡(g⁡(x))∇hx=f⁡(g⁡(x))-f⁡(g⁡(x-h))x-(x-h)
=f⁡(g⁡(x))-f⁡(g⁡(x)-∇hg⁡(x)∇hx⁢h)h
=f⁡(g⁡(x))-f⁡(g⁡(x)-∇hg⁡(x)∇hx⁢h)h⁢(∇hg⁡(x)∇hx)(∇hg⁡(x)∇hx)
=f⁡(g⁡(x))-f⁡(g⁡(x)-∇hg⁡(x)∇hx⁢h)∇hg⁡(x)∇hx⁢h⁢∇hg⁡(x)∇hx
=f⁡(g⁡(x))-f⁡(g⁡(x)-∇hg⁡(x)∇hx⁢h)g⁡(x)-(g⁡(x)-∇hg⁡(x)∇hx⁢h)⁢∇hg⁡(x)∇hx
=∇(h⁢∇hg⁡(x)∇hx)f⁡(g⁡(x))∇(h⁢∇hg⁡(x)∇hx)g⁡(x)⁢∇hg⁡(x)∇hx

よって
∇hf⁡(g⁡(x))∇hx=∇(h⁢∇hg⁡(x)∇hx)f⁡(g⁡(x))∇(h⁢∇hg⁡(x)∇hx)g⁡(x)⁢∇hg⁡(x)∇hx

中心差分

Mx⁡g⁡(x)=g⁡(x+h2)-g⁡(x-h2)2
=2⁢g⁡(x+h2)-g⁡(x+h2)+g⁡(x-h2)2
=g⁡(x+h2)-h2⁢δhg⁡(x)δhx
式変形して
g⁡(x+h2)=Mx⁡g⁡(x)+h2⁢δhg⁡(x)δhx…①

Mx⁡g⁡(x)=g⁡(x+h2)-g⁡(x-h2)2
=g⁡(x+h2)-g⁡(x-h2)+2⁢g⁡(x-h2)2
=g⁡(x-h2)+h2⁢δhg⁡(x)δhx
式変形して
g⁡(x-h2)=Mx⁡g⁡(x)-h2⁢δhg⁡(x)δhx…②

差分の公式に①と②を代入
δf⁡(g⁡(x))δx=f⁡(g⁡(x+h2))-f⁡(g⁡(x-h2))(x+h2)-(x-h2)
=f⁡(Mx⁡g⁡(x)+h2⁢δhg⁡(x)δhx)-f⁡(Mx⁡g⁡(x)-h2⁢δhg⁡(x)δhx)h
=f⁡(Mx⁡g⁡(x)+h2⁢δhg⁡(x)δhx)-f⁡(Mx⁡g⁡(x)-h2⁢δhg⁡(x)δhx)h⁢(δhg⁡(x)δhx)(δhg⁡(x)δhx)
=f⁡(Mx⁡g⁡(x)+h2⁢δhg⁡(x)δhx)-f⁡(Mx⁡g⁡(x)-h2⁢δhg⁡(x)δhx)h⁢δhg⁡(x)δhx⁢δhg⁡(x)δhx
=f⁡(Mx⁡g⁡(x)+h2⁢δhg⁡(x)δhx)-f⁡(Mx⁡g⁡(x)-h2⁢δhg⁡(x)δhx)(Mx⁡g⁡(x)+h2⁢δhg⁡(x)δhx)-(Mx⁡g⁡(x)-h2⁢δhg⁡(x)δhx)⁢δhg⁡(x)δhx
=δ(h⁢δhg⁡(x)δhx)f⁡(Mx⁡g⁡(x))δ(h⁢δhg⁡(x)δhx)Mx⁡g⁡(x)⁢δhg⁡(x)δhx

よって
δhf⁡(g⁡(x))δhx=δ(h⁢δhg⁡(x)δhx)f⁡(Mx⁡g⁡(x))δ(h⁢δhg⁡(x)δhx)Mx⁡g⁡(x)⁢δhg⁡(x)δhx

完成した公式

∆hf⁡(g⁡(x))∆hx=∆(h⁢∆hg⁡(x)∆hx)f⁡(g⁡(x))∆(h⁢∆hg⁡(x)∆hx)g⁡(x)⁢∆hg⁡(x)∆hx
∇hf⁡(g⁡(x))∇hx=∇(h⁢∇hg⁡(x)∇hx)f⁡(g⁡(x))∇(h⁢∇hg⁡(x)∇hx)g⁡(x)⁢∇hg⁡(x)∇hx
δhf⁡(g⁡(x))δhx=δ(h⁢δhg⁡(x)δhx)f⁡(Mx⁡g⁡(x))δ(h⁢δhg⁡(x)δhx)Mx⁡g⁡(x)⁢δhg⁡(x)δhx
ただしMx⁡g⁡(x)=g⁡(x+h2)+g⁡(x-h2)2