差分的性质

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差分的性质

1)各阶差分均可用函数值表示

例如

Δ n f k = ( E − I ) n f k = ∑ j = 0 n ( − 1 ) j ( n j ) E n − j f k = ∑ j = 0 n ( − 1 ) j ( n j ) f n + k − j \Delta^nf_k=(\text{E}-\text{I})^nf_k=\sum_{j=0}^n(-1)^j\binom{n}{j}\text{E}^{n-j}f_k=\sum_{j=0}^n(-1)^j\binom{n}{j}f_{n+k-j} Δnfk=(E−I)nfk=j=0∑n(−1)j(jn)En−jfk=j=0∑n(−1)j(jn)fn+k−j

∇ n f k = ( 1 − E − 1 ) n f k = ∑ j = 0 n ( − 1 ) n − j ( n j ) E j − n f k = ∑ j = 0 n ( − 1 ) n − j ( n j ) f k + j − n \nabla^nf_k=(1-\mathrm{E}^{-1})^nf_k=\sum_{j=0}^n(-1)^{n-j}\binom{n}{j}\mathrm{E}^{j-n}f_k=\sum_{j=0}^n(-1)^{n-j}\binom{n}{j}f_{k+j-n} ∇nfk=(1−E−1)nfk=j=0∑n(−1)n−j(jn)Ej−nfk=j=0∑n(−1)n−j(jn)fk+j−n

其中 ( n j ) = n ( n − 1 ) ⋯ ( n − j + 1 ) j ! \binom nj=\frac{n(n-1)\cdots(n-j+1)}{j!} (jn)=j!n(n−1)⋯(n−j+1)为二项式展开系数.

2)用各阶差分表示函数值

例如用向前差分表示 f n + k f_{n+k} fn+k,即

f n + k = E n f k = ( I + Δ ) n f k = ∑ j = 0 n ( n j ) Δ j f k f_{n+k}=\mathrm{E}^nf_k=(\mathrm{I}+\Delta)^nf_k=\sum_{j=0}^n\binom nj\Delta^jf_k fn+k=Enfk=(I+Δ)nfk=j=0∑n(jn)Δjfk

3)差商与差分的关系

对于向前差分,有

f x k , x k + 1 = f k + 1 − f k x k + 1 − x k = Δ f k h fx_k,x_{k+1}=\frac{f_{k+1}-f_k}{x_{k+1}-x_k}=\frac{\Delta f_k}h fxk,xk+1=xk+1−xkfk+1−fk=hΔfk

f x k , x k + 1 , x k + 2 = f x k + 1 , x k + 2 − f x k , x k + 1 x k + 2 − x k = 1 2 h 2 Δ 2 f k   , fx_k,x_{k+1},x_{k+2}=\frac{fx_{k+1},x_{k+2}-fx_k,x_{k+1}}{x_{k+2}-x_k}=\frac1{2h^2}\Delta^2f_k\:, fxk,xk+1,xk+2=xk+2−xkfxk+1,xk+2−fxk,xk+1=2h21Δ2fk,

更一般的,

f x k , x k + 1 , ⋅ ⋅ ⋅ , x k + m = 1 m ! 1 h m Δ m f k ( m = 1 , 2 , ⋅ ⋅ ⋅ , n ) . fx_k,x_{k+1},\\cdotp\\cdotp\\cdotp,x_{k+m}=\frac1{m!}\frac1{h^m}\Delta^mf_k\quad(m=1,2,\cdotp\cdotp\cdotp,n). fxk,xk+1,⋅⋅⋅,xk+m=m!1hm1Δmfk(m=1,2,⋅⋅⋅,n).

同理,对于向后差分,有

f x k , x k − 1 , ⋅ ⋅ ⋅ , x k − m = 1 m ! 1 h m ∇ m f k f x_k, x_{k- 1}, \\cdotp \\cdotp \\cdotp , x_{k- m} = \frac 1m! \frac 1{h^m}\nabla ^mf_k fxk,xk−1,⋅⋅⋅,xk−m=m1!hm1∇mfk

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