2 Πεπερασμένες διαφορές

2.1 Προσέγγιση πρώτης παραγώγου

Από τον ορισμό της παραγώγου για συναρτήσεις μιας μεταβλητής γνωρίζουμε ότι η παράγωγος μιας συνάρτησης f:[a,b] σε ένα σημείο x0(a,b) ορίζεται ως

f(x0)=limh0f(x0+h)-f(x0)h.

Χρησιμοποιώντας αυτόν τον ορισμό μπορούμε να προσεγγίσουμε την τιμή της f(x0) με τον ακόλουθο λόγο, για μικρές τιμές h,

f(x0)f(x0+h)-f(x0)h,h>0.

Με τον ίδιο τρόπο, μπορούμε να προσεγγίσουμε την f(x0) με τον ακόλουθο λόγο,

f(x0)f(x0-h)-f(x0)-h=f(x0)-f(x0-h)h,h>0,

για μικρές τιμές h. Θα καλούμε τον πρώτο λόγο διαφορά προς τα εμπρός και τον δεύτερο λόγο διαφορά προς τα πίσω και θα χρησιμοποιήσουμε τον ακόλουθο συμβολισμό

δh+f(x0)f(x0+h)-f(x0)h,h>0δh-f(x0)f(x0)-f(x0-h)h,h>0. (2.1)

Γεωμετρική ερμηνεία

Μια γεωμετρική ερμηνεία γιατί οι διαφορές δh+f(x0) και δh-f(x0) προσεγγίζουν την f(x0) είναι η ακόλουθη. Επειδή η παράγωγος μιας συνάρτησης f στο σημείο x0 είναι η κλίση της ευθείας y που εφάπτεται του γραφήματος της f στο σημείο (x0,f(x0)), μπορούμε να την προσεγγίσουμε με την κλίση της ευθείας y~ η οποία διέρχεται από τα σημεία (x0,f(x0)) και (x0+h,f(x0+h)), βλέπε το Σχήμα 2.1. Παρόμοια ισχύουν και για την κλίση της ευθείας y^ που διέρχεται από τα σημεία (x0-h,f(x0-h)), και (x0,f(x0)), βλέπε το Σχήμα 2.2.

Σχήμα 2.1: Γεωμετρική ερμηνεία της δh+f(x0). Η ευθεία y που έχει κλίση f(x0) και διέρχεται από το (x0,f(x0)) και η ευθεία y~ που έχει κλίση f(x0+h)-f(x0)h.

Σχήμα 2.2: Γεωμετρική ερμηνεία της δh-f(x0). Η ευθεία y που έχει κλίση f(x0) και διέρχεται από το (x0,f(x0)) και η ευθεία y^ που έχει κλίση f(x0)-f(x0-h)h.
Σχήμα 2.3: Γεωμετρική ερμηνεία της δhcf(x0). Η ευθεία y που έχει κλίση f(x0) και διέρχεται από το (x0,f(x0)) και η ευθεία y¯ που έχει κλίση f(x0+h)-f(x0-h)2h.

Ένας άλλος τρόπος προσέγγισης της f(x0), είναι η κεντρική διαφορά , η οποία ορίζεται από τον ακόλουθο λόγο, για μικρές τιμές h,

f(x0)f(x0+h)-f(x0-h)2h,h>0.

Θα τη συμβολίζουμε με

δhcf(x0)f(x0+h)-f(x0-h)2h,h>0. (2.2)

Ανάλογη γεωμετρική ερμηνεία με αυτή για τις δh+f(x0) και δh-f(x0) υπάρχει και για την δhcf(x0). Στο Σχήμα 2.3 απεικονίζουμε την ευθεία y¯ που διέρχεται από τα σημεία (x0-h,f(x0-h)) και (x0+h,f(x0+h)), και της οποίας η κλίση προσεγγίζει την κλίση της εφαπτομένης του γραφήματος της f στο (x0,f(x0)).

Οι διαφορές δh+f(x), δh-f(x) και δhcf(x) για την προσέγγιση παραγώγων μιας συνάρτησης f καλούνται και πεπερασμένες διαφορές. Μια φυσική ερώτηση που τίθεται είναι “πόσο καλές” είναι αυτές οι προσεγγίσεις για την εκτίμηση της παραγώγου. Ας θεωρήσουμε τη συνάρτηση f(x)=ln(x) και το σημείο x0=1.1. Στον Πίνακα 2.1 δίνουμε τις τιμές των παραπάνω προσεγγίσεων για την f(1.1)=1/1.10.90909. Παρατηρούμε λοιπόν ότι, καθώς η απόσταση h των σημείων που χρησιμοποιούμε για να υπολογίσουμε τις δh+f(1.1), δh-f(1.1) και δhcf(1.1) μικραίνει, τόσο πλησιάζουμε την τιμή της παραγώγου. Μάλιστα, στο ακόλουθο λήμμα δείχνουμε ότι το σφάλμα της προσέγγισης θα τείνει στο μηδέν, καθώς η απόσταση h τείνει στο μηδέν, αν η συνάρτηση f είναι κατάλληλα ομαλή.

h δh+f(1.1) δh-f(1.1) δhcf(1.1)
0.50 0.74939 1.21227 0.98083
0.10 0.87011 0.95310 0.91161
0.05 0.88904 0.93040 0.90972
0.01 0.90498 0.91325 0.90912
Πίνακας 2.1: Τιμές των προσεγγίσεων της f(1.1)=1/1.10.90909.
Λήμμα 2.1.

Έστω f:[a,b], fC2[a,b], x0(a,b) και h>0, τέτοιο ώστε x0±h[a,b]. Τότε ισχύουν οι ακόλουθες εκτιμήσεις:

|δh+f(x0)-f(x0)|h2maxx[a,b]|f′′(x)|,|δh-f(x0)-f(x0)|h2maxx[a,b]|f′′(x)|. (2.3)

Αν επιπλέον fC3[a,b], τότε

|δhcf(x0)-f(x0)|h26maxx[a,b]|f′′′(x)|. (2.4)
Απόδειξη.

Αναπτύσσοντας κατά Taylor ως προς το σημείο x0, έχουμε

f(x0+h)=f(x0)+hf(x0)+h22f′′(ξ1),με ξ1(x0,x0+h). (2.5)

Επίσης,

f(x0-h)=f(x0)-hf(x0)+h22f′′(ξ2),με ξ2(x0-h,x0). (2.6)

Από τις σχέσεις (2.5) και (2.6) εύκολα προκύπτουν οι ζητούμενες εκτιμήσεις (2.3). Αν τώρα η fC3[a,b], μπορούμε να αναπτύξουμε και πάλι κατά Taylor και να οδηγηθούμε στις παρακάτω σχέσεις

f(x0+h)=f(x0)+hf(x0)+h22f′′(x0)+h36f′′′(ζ1),f(x0-h)=f(x0)-hf(x0)+h22f′′(x0)-h36f′′′(ζ2), (2.7)

με ζ1(x0,x0+h) και ζ2(x0-h,x0). Αφαιρώντας τώρα κατά μέλη τις δύο σχέσεις της (2.7), έχουμε

f(x0+h)-f(x0-h)=2hf(x0)+h36(f′′′(ζ1)+f′′′(ζ2)),

από όπου εύκολα προκύπτει η ζητούμενη εκτίμηση (2.4). ∎

Παρατήρηση 2.1.

Από το Λήμμα 2.1 φαίνεται ότι το σφάλμα της προσέγγισης δhcf(x0) είναι μικρότερο, για αρκετά μικρό h, από τα αντίστοιχα των προσεγγίσεων δh+f(x0) και δh-f(x0), και εξηγεί γιατί στον Πίνακα 2.1 η δhcf(1.1) προσεγγίζει καλύτερα την f(1.1) από τις δh+f(1.1) και δh-f(1.1). Η συμμετρία που υπάρχει στον ορισμό της προσέγγισης δhcf(x0) είναι ο λόγος που το φράγμα (2.4) είναι μικρότερο των αντίστοιχων για τις δh+f(1.1) και δh-f(1.1). Αυτό φαίνεται στην (2.7), όπου οι όροι h22f′′(x0) αλληλοαναιρούνται αφαιρώντας τις δύο σχέσεις.

Ορισμός 2.1.

Έστω μια προσέγγιση της παραγώγου μιας συνάρτησης f, η οποία ορίζεται μέσω τιμών της f σε ισαπέχοντα σημεία που απέχουν κατά βήμα h. Λέμε ότι αυτή η προσέγγιση έχει τάξη ακρίβειας κ, αν το σφάλμα που προκύπτει φράσσεται κατ’ απόλυτη τιμή από το γινόμενο μιας σταθεράς, η οποία δεν εξαρτάται από το h, επί hκ.

Παρατήρηση 2.2.

Οι δh+f(x0) και δh-f(x0) είναι προσεγγίσεις της f(x0) τάξεως ακρίβειας ένα, επειδή τα φράγματα των σφαλμάτων (2.3) είναι το γινόμενο μιας σταθεράς, που δεν εξαρτάται από το h, επί h στην πρώτη δύναμη. Ανάλογα, η δhcf(x0) είναι προσέγγιση της f(x0) με τάξη ακρίβειας δύο, επειδή το φράγμα του σφάλματος (2.4) είναι το γινόμενο μιας σταθεράς, που δεν εξαρτάται από το h, επί h στη δεύτερη δύναμη.

Παρατήρηση 2.3.

Μπορούμε να δούμε ότι οι προσεγγίσεις δh+f και δh-f έχουν τάξη ακρίβειας ακριβώς ένα, διότι αν, παραδείγματος χάριν, θεωρήσουμε την f(x)=x2, τότε δh+f(x)=2x+h και δh-f(x)=2x-h. Αντίστοιχα, η προσέγγιση δhcf έχει τάξη ακριβώς δύο, διότι για την f(x)=x3, δhcf(x)=3x2+h2.

Ένας τρόπος για να επαληθεύσουμε “πειραματικά”, δηλαδή με τη χρήση Η/Υ, την τάξη ακρίβειας των παραπάνω προσεγγίσεων είναι ο ακόλουθος. Έστω ότι το σφάλμα ε μιας προσέγγισης ικανοποιεί εChp, για μικρό βήμα h, όπου C είναι μια θετική σταθερά ανεξάρτητη του h. Τότε, αν θεωρήσουμε δύο προσεγγίσεις ε1 και ε2 με βήματα h1 και h2, αντίστοιχα, έχουμε ότι ο λόγος των αντίστοιχων σφαλμάτων θα ικανοποιεί

ε1ε1(h1h2)p, οπότε plog(ε1ε1)log(h1h2).

Στον Πίνακα 2.2 βλέπουμε τα σφάλματα των προσεγγίσεων δh+f, δh-f και δhcf για την f(1.1)=1/1.1 όπου Eδh+=|δh+f(1.1)-f(1.1)|, Eδh-=|δh-f(1.1)-f(1.1)| και Eδhc=|δhcf(1.1)-f(1.1)|. Παρατηρούμε ακόμα ότι η πειραματική τάξη ακρίβειας για τις δh+f και δh-f τείνει να γίνει ένα, καθώς το h ελαττώνεται και αυτή της δhcf τείνει στο δύο, τα οποία είναι σύμφωνα με τα αποτελέσματα του Λήμματος 2.1.

h Eδh+ p Eδh- p Eδhc p
0.50 0.15970 0.30318 0.07174
0.10 0.03897 0.876 0.04401 1.199 0.00251 2.081
0.05 0.02005 0.959 0.02131 1.046 0.0.0006 2.005
0.01 0.00411 0.985 0.00416 1.015 0.00003 2.000
Πίνακας 2.2: Τα σφάλματα Eδh+, Eδh- και Eδhc των προσεγγίσεων δh+f, δh-f και δhcf, αντίστοιχα, της f(1.1)=1/1.1 και η προσεγγιστική τάξη ακρίβειας p.