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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。

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前進差分

hf(x)hx=f(x+h)-f(x)h
変形して
f(x+h)=hhf(x)hx-f(x)…①

①より
h1f(x)hx=1f(x+h)-1f(x)h
=f(x)-f(x+h)hf(x+h)f(x)=-(hf(x)hx)f(x+h)f(x)
=-(hf(x)hx)(hhf(x)hx-f(x))f(x)
=(f(x)x)(f(x)-hhf(x)hx)f(x)
=(f(x)x)(f(x))2-hhf(x)hxf(x)

よって
h1f(x)hx=-(hf(x)hx)(f(x))2-hhf(x)hxf(x)

後退差分

hf(x)hx=f(x)-f(x-h)h
変形して
f(x-h)=f(x)-hhf(x)hx…①

①より
h1f(x)hx=1f(x)-1f(x-h)h
=f(x-h)-f(x)hf(x)f(x-h)
=-(hf(x)hx)f(x)f(x-h)
=-(hf(x)hx)f(x)(f(x)-hhf(x)hx)
=(hf(x)hx)f(x)(hhf(x)hx-f(x))
=(hf(x)hx)hhf(x)hxf(x)-(f(x))2
よって
h1f(x)hx=(hf(x)hx)hhf(x)hxf(x)-(f(x))2

中心差分

Mxf(x)=f(x+h2)+f(x-h2)2
=2f(x+h2)-f(x+h2)+f(x-h2)2
=f(x+h2)-h2δhf(x)δhx
変形して
f(x+h2)=Mxf(x)+h2δhf(x)δhx…①

Mxf(x)=f(x+h2)+f(x-h2)2
=f(x+h2)-f(x-h2)+2f(x-h2)2
=f(x-h2)+h2δhf(x)δhx
変形して
f(x-h2)=Mxf(x)-h2δhf(x)δhx…②

①と②より
δh1f(x)δhx=1f(x+h2)-1f(x-h2)h
=f(x-h2)-f(x+j2)hf(x+h2)f(x-h2)
=-(δhf(x)δhx)f(x+h2)f(x-h2)
=-(δhf(x)δhx)(Mxf(x)+h2δhf(x)δhx)(Mxf(x)-h2δhf(x)δhx)
=-(δhf(x)δhx)(Mxf(x))2-(h2δhf(x)δhx)2
=(δhf(x)δhx)(h2δhf(x)δhx)2-(Mxf(x))2
よって
δh1f(x)δhx=(δhf(x)δhx)(h2δhf(x)δhx)2-(Mxf(x))2

完成した公式

h1f(x)hx=-(hf(x)hx)(f(x))2-hhf(x)hxf(x)
h1f(x)hx=(hf(x)hx)hhf(x)hxf(x)-(f(x))2
δh1f(x)δhx=(δhf(x)δhx)(h2δhf(x)δhx)2-(Mxf(x))2
ただし
Mxf(x)=f(x+h2)+f(x-h2)2