Από τον ορισμό της παραγώγου για συναρτήσεις μιας μεταβλητής γνωρίζουμε ότι η παράγωγος μιας συνάρτησης σε ένα σημείο ορίζεται ως
Χρησιμοποιώντας αυτόν τον ορισμό μπορούμε να προσεγγίσουμε την τιμή της με τον ακόλουθο λόγο, για μικρές τιμές ,
Με τον ίδιο τρόπο, μπορούμε να προσεγγίσουμε την με τον ακόλουθο λόγο,
για μικρές τιμές . Θα καλούμε τον πρώτο λόγο διαφορά προς τα εμπρός και τον δεύτερο λόγο διαφορά προς τα πίσω και θα χρησιμοποιήσουμε τον ακόλουθο συμβολισμό
(2.1) |
Μια γεωμετρική ερμηνεία γιατί οι διαφορές και προσεγγίζουν την είναι η ακόλουθη. Επειδή η παράγωγος μιας συνάρτησης στο σημείο είναι η κλίση της ευθείας που εφάπτεται του γραφήματος της στο σημείο , μπορούμε να την προσεγγίσουμε με την κλίση της ευθείας η οποία διέρχεται από τα σημεία και , βλέπε το Σχήμα 2.1. Παρόμοια ισχύουν και για την κλίση της ευθείας που διέρχεται από τα σημεία , και , βλέπε το Σχήμα 2.2.
Ένας άλλος τρόπος προσέγγισης της , είναι η κεντρική διαφορά , η οποία ορίζεται από τον ακόλουθο λόγο, για μικρές τιμές ,
Θα τη συμβολίζουμε με
(2.2) |
Ανάλογη γεωμετρική ερμηνεία με αυτή για τις και υπάρχει και για την . Στο Σχήμα 2.3 απεικονίζουμε την ευθεία που διέρχεται από τα σημεία και , και της οποίας η κλίση προσεγγίζει την κλίση της εφαπτομένης του γραφήματος της στο .
Οι διαφορές , και για την προσέγγιση παραγώγων μιας συνάρτησης 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 και το σημείο . Στον Πίνακα 2.1 δίνουμε τις τιμές των παραπάνω προσεγγίσεων για την . Παρατηρούμε λοιπόν ότι, καθώς η απόσταση των σημείων που χρησιμοποιούμε για να υπολογίσουμε τις , και μικραίνει, τόσο πλησιάζουμε την τιμή της παραγώγου. Μάλιστα, στο ακόλουθο λήμμα δείχνουμε ότι το σφάλμα της προσέγγισης θα τείνει στο μηδέν, καθώς η απόσταση τείνει στο μηδέν, αν η συνάρτηση είναι κατάλληλα ομαλή.
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 |
Έστω , , και , τέτοιο ώστε . Τότε ισχύουν οι ακόλουθες εκτιμήσεις:
(2.3) |
Αν επιπλέον , τότε
(2.4) |
Αναπτύσσοντας κατά Taylor ως προς το σημείο , έχουμε
(2.5) |
Επίσης,
(2.6) |
Από τις σχέσεις (2.5) και (2.6) εύκολα προκύπτουν οι ζητούμενες εκτιμήσεις (2.3). Αν τώρα η , μπορούμε να αναπτύξουμε και πάλι κατά Taylor και να οδηγηθούμε στις παρακάτω σχέσεις
(2.7) |
με και . Αφαιρώντας τώρα κατά μέλη τις δύο σχέσεις της (2.7), έχουμε
από όπου εύκολα προκύπτει η ζητούμενη εκτίμηση (2.4). ∎
Από το Λήμμα 2.1 φαίνεται ότι το σφάλμα της προσέγγισης είναι μικρότερο, για αρκετά μικρό , από τα αντίστοιχα των προσεγγίσεων και , και εξηγεί γιατί στον Πίνακα 2.1 η προσεγγίζει καλύτερα την από τις και . Η συμμετρία που υπάρχει στον ορισμό της προσέγγισης είναι ο λόγος που το φράγμα (2.4) είναι μικρότερο των αντίστοιχων για τις και . Αυτό φαίνεται στην (2.7), όπου οι όροι αλληλοαναιρούνται αφαιρώντας τις δύο σχέσεις.
Έστω μια προσέγγιση της παραγώγου μιας συνάρτησης , η οποία ορίζεται μέσω τιμών της σε ισαπέχοντα σημεία που απέχουν κατά βήμα . Λέμε ότι αυτή η προσέγγιση έχει τάξη ακρίβειας , αν το σφάλμα που προκύπτει φράσσεται κατ’ απόλυτη τιμή από το γινόμενο μιας σταθεράς, η οποία δεν εξαρτάται από το , επί .
Οι και είναι προσεγγίσεις της τάξεως ακρίβειας ένα, επειδή τα φράγματα των σφαλμάτων (2.3) είναι το γινόμενο μιας σταθεράς, που δεν εξαρτάται από το , επί στην πρώτη δύναμη. Ανάλογα, η είναι προσέγγιση της με τάξη ακρίβειας δύο, επειδή το φράγμα του σφάλματος (2.4) είναι το γινόμενο μιας σταθεράς, που δεν εξαρτάται από το , επί στη δεύτερη δύναμη.
Μπορούμε να δούμε ότι οι προσεγγίσεις και έχουν τάξη ακρίβειας ακριβώς ένα, διότι αν, παραδείγματος χάριν, θεωρήσουμε την , τότε και . Αντίστοιχα, η προσέγγιση έχει τάξη ακριβώς δύο, διότι για την , .
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 μιας προσέγγισης ικανοποιεί , για μικρό βήμα , όπου είναι μια θετική σταθερά ανεξάρτητη του . Τότε, αν θεωρήσουμε δύο προσεγγίσεις και με βήματα και , αντίστοιχα, έχουμε ότι ο λόγος των αντίστοιχων σφαλμάτων θα ικανοποιεί
Στον Πίνακα 2.2 βλέπουμε τα σφάλματα των προσεγγίσεων , και για την όπου , και . Παρατηρούμε ακόμα ότι η πειραματική τάξη ακρίβειας για τις και τείνει να γίνει ένα, καθώς το ελαττώνεται και αυτή της τείνει στο δύο, τα οποία είναι σύμφωνα με τα αποτελέσματα του Λήμματος 2.1.
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 |