有限差分係數

下表列出使用有限差分法进行数值微分时,各项的系数。按计算中自变量取值方向,分为中心差分,前向差分和后向差分。

中心差分

中心差分估算一阶至高阶微分按照下式:

其中为自变量取等距格点计算函数值时的间隔。

下表列出不同计算精度下,等间距的一阶至高阶中心差分系数。[1]

阶次 精度 −4 −3 −2 −1 0 1 2 3 4
1 2   −1/201/2   
4  1/12−2/302/3−1/12  
6 −1/603/20−3/403/4−3/201/60 
81/280−4/1051/5−4/504/5−1/54/105−1/280
2 2   1−21   
4  −1/124/3−5/24/3−1/12  
6 1/90−3/203/2−49/183/2−3/201/90 
8−1/5608/315−1/58/5−205/728/5−1/58/315−1/560
3 2  −1/210−11/2  
4 1/8−113/80−13/81−1/8 
6−7/2403/10−169/12061/300−61/30169/120−3/107/240
4 2  1−46−41  
4 −1/62−13/228/3−13/22−1/6 
67/240−2/5169/60−122/1591/8−122/15169/60−2/57/240
5 2 −1/22−5/205/2−21/2 
6 2 1−615−2015−61 

例如,精度的三阶导的中心差分式为

前向与后向差分

下表列出不同精度下,等间距的一阶至高阶前向差分系数。[1]

阶次 精度 0 1 2 3 4 5 6 7 8
1 1−11       
2−3/22−1/2      
3−11/63−3/21/3     
4−25/124−34/3−1/4    
5−137/605−510/3−5/41/5   
6−49/206−15/220/3−15/46/5−1/6  
2 11−21      
22−54−1     
335/12−26/319/2−14/311/12    
415/4−77/6107/6−1361/12−5/6   
5203/45−87/5117/4−254/933/2−27/5137/180  
6469/90−223/10879/20−949/1841−201/101019/180−7/10 
3 1−13−31     
2−5/29−127−3/2    
3−17/471/4−59/249/2−41/47/4   
4−49/829−461/862−307/813−15/8  
5−967/120638/15−3929/40389/3−2545/24268/5−1849/12029/15 
6−801/80349/6−18353/1202391/10−1457/64891/30−561/8527/30−469/240
4 11−46−41    
23−1426−2411−2   
335/6−31137/2−242/3107/2−1917/6  
428/3−111/2142−1219/6176−185/282/3−7/2 
51069/80−1316/1515289/60−2144/510993/24−4772/152803/20−536/15967/240

例如,精度一阶导的前向差分式为 For example, the first derivative with a third-order accuracy and the second derivative with a second-order accuracy are

精度二阶导的前向差分式为

对应的后向差分式分别为

实际上,奇数阶后向差分式相对前向差分,各系数q取相反数;而偶数阶的则不变。如下表:

阶次 精度 −8 −7 −6 −5 −4 −3 −2 −1 0
1 1       −11
2      1/2−23/2
2 1      1−21
2     −14−52
3 1     −13−31
2    3/2−712−95/2
4 1    1−46−41
2   −211−2426−143

参见

参考资料

  1. Fornberg, Bengt, , Mathematics of Computation, 1988, 51 (184): 699–706, ISSN 0025-5718, doi:10.1090/S0025-5718-1988-0935077-0.
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