表示具有任意步长的有限差分形式的任意多项式

引言


本文考虑了以有限差分形式表示任意整数次n的任意多项式的可能性。 本文中的方法与现有方法的不同之处在于,所有公式都是针对具有任意系数的任意多项式推导的,以及将任意而不是单位间隔用作点之间的间隔。 所获得的公式具有通用性,可以直接用于计算多项式的“未来”和“过去”值。 即,例如,对于由具有任意系数的二次方程式表示的任何曲线,可以计算在任意相等间隔φ上仅具有3个先前已知的y值的所有值。 结果,引入了这样的陈述,即通过(n + 1)个等距点,可以绘制一个仅由度n的多项式表示的曲线。

免责声明


我不是数学家,我只是一个拥有20年经验的程序员。 我进行了独立研究,但没有找到与本文相同的结论。 对于现有发展的任何评论和“技巧”,我将不胜感激,其结论与我的结论相似(或接近)。

一般资讯


首先,我给出一个通用函数公式,用于计算由度n的多项式给出的函数S(t),并用等间隔φ上的(n +1)个先前值表示:

St= sumn+1k=11k1Ckn+1Stk varphi


也就是说,例如,对于n = 1的多项式(法线),此公式如下所示:

St=2St varphiSt2 varphi


对于n = 2的多项式,该公式将具有以下形式:

St=3St varphi3St2 varphi+St3 varphi


依此类推。 本文档提供详细的数学证明。 我还准备了验证代码,以JavaScript代码的形式执行。 您可以在此链接上获得它。 在同一篇文章中,我将展示一些使用所得方程的实用结论和选择。

2级多项式的构造


对于一般理解,使用以下公式表示“ 2级多项式”:

St=Q2t2+Q1t+Q0


但是,事实证明,您可以使用等式“有限差分”来计算该多项式的所有值(实际上,您只能计算带有任意步长φ的节点上的多项式的值):

St=3St varphi3St2 varphi+St3 varphi


即,基于在相等的任意间隔φ上取的函数S(t)的任何三个值,可以获得所有多项式值。 我们在真实数据上显示这一点。 让实多项式由以下函数表示:

Rt=1t2+2t+3


现在我们在点t = 111,t = 115和t = 119处计算函数R(t)的值。 也就是说,在这种情况下,步长为4。获得的值将为R(111)= 12546,R(115)= 13458和R(119)= 14402。 现在,我们使用具有有限差分的方程式来计算多项式的以下两个值:

R123=3R1193R115+R111=15378


R127=3R1233R119+R115=16386


容易计算出,使用公式以有限差分计算的值与使用“标准”公式计算的二阶多项式的值完全一致。

同样,使用有限差分公式可以计算“后退”值,而无需更改公式本身。 例如,要计算R(107)和R(103),我们得到以下信息:

R107=3R1113R115+R119=11666


R103=3R1073R111+R115=10818


同样,很容易计算出,使用有限差分公式获得的值与使用“标准”公式计算的二阶多项式的值完全一致。

对于所有后续学位,结果将相似。 我已经对多项式进行了高达99级的测试:使用“标准”公式获得的结果与使用有限差分获得的结果完全一致。

加法


我还想指出,构造n阶的多项式并不一定需要精确地(n + 1)个等距的点-您可以任意增加(将其表示为(m + 1))。 但是在这种情况下,您将需要将该公式用于次数为m的多项式。 可以通过以下示例进行说明:

Q 2 x 2 + Q 1 x + Q 0 = 0 x 4 + 0 x 3 + Q 2 x 2 + Q 1 x + Q 0


也就是说,对于第二阶多项式,您可以使用第四阶和第三阶多项式的公式-结果仍然正确。

结论


有限差分的公式允许人们计算(并表示为公式)任意整数度函数的任何多项式。 对于有限差分的方程,对于哪个多项式使用哪个系数都没有关系。 对于具有有限差分的方程式,初始点的间隔时间无关紧要-间隔可以任意小,也可以任意大。 与使用“标准”公式的计算相比,有限差的计算具有更高的准确性(由于缺少幂函数)。 有限差分中的多项式函数不用幂函数表示,因此,给定变量只能有一个值。 因此,通过(n + 1)个等距的点,可以画出由度为n的多项式表示的一条曲线。

Source: https://habr.com/ru/post/zh-CN446924/


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