問題 3.3 まずは前方差分を得るために、任意の数 a a a と、任意のとても小さい ε > 0 \varepsilon>0 ε > 0 を取り、f ( a + ε ) f(a+\varepsilon) f ( a + ε ) を a a a 点周りでテーラー展開して以下の式を得る。
f ( a + ε ) = f ( a ) + f ′ ( a ) ε + f ′ ′ ( a ) 2 ! ε 2 + f ′ ′ ′ ( a ) 3 ! ε 3 + ⋯ (ex3.3.1) \tag{ex3.3.1} f(a+\varepsilon) = f(a)+f'(a)\varepsilon+\frac{f''(a)}{2!}\varepsilon^{2}+\frac{f'''(a)}{3!}\varepsilon^{3}+\cdots f ( a + ε ) = f ( a ) + f ′ ( a ) ε + 2 ! f ′′ ( a ) ε 2 + 3 ! f ′′′ ( a ) ε 3 + ⋯ ( ex3.3.1 ) この式を変形すると
f ( a + ε ) − f ( a ) ε = f ′ ( a ) + f ′ ′ ( a ) 2 ! ε + f ′ ′ ′ ( a ) 3 ! ε 2 + ⋯ \frac{f(a+\varepsilon) - f(a)}{\varepsilon} = f'(a)+\frac{f''(a)}{2!}\varepsilon+\frac{f'''(a)}{3!}\varepsilon^{2}+\cdots ε f ( a + ε ) − f ( a ) = f ′ ( a ) + 2 ! f ′′ ( a ) ε + 3 ! f ′′′ ( a ) ε 2 + ⋯ となり、さらに移項した後の絶対値を取ることで、以下の様に、前方差分の誤差を得ることができる。
∣ f ( a + ε ) − f ( a ) ε − f ′ ( a ) ∣ = ∣ f ′ ′ ( a ) 2 ! ε + f ′ ′ ′ ( a ) 3 ! ε 2 + ⋯ ∣ (ex3.3.2) \tag{ex3.3.2} \left| \frac{f(a+\varepsilon) - f(a)}{\varepsilon} - f'(a) \right| = \left| \frac{f''(a)}{2!}\varepsilon+\frac{f'''(a)}{3!}\varepsilon^{2}+\cdots \right| ∣ ∣ ε f ( a + ε ) − f ( a ) − f ′ ( a ) ∣ ∣ = ∣ ∣ 2 ! f ′′ ( a ) ε + 3 ! f ′′′ ( a ) ε 2 + ⋯ ∣ ∣ ( ex3.3.2 ) 同様に、 ( a − ε ) (a-\varepsilon) ( a − ε ) を a a a 点周りでテーラー展開して
f ( a − ε ) = f ( a ) − f ′ ( a ) ε + f ′ ′ ( a ) 2 ! ε 2 − f ′ ′ ′ ( a ) 3 ! ε 3 + ⋯ (ex3.3.3) \tag{ex3.3.3} f(a-\varepsilon) = f(a)-f'(a)\varepsilon+\frac{f''(a)}{2!}\varepsilon^{2}-\frac{f'''(a)}{3!}\varepsilon^{3}+\cdots f ( a − ε ) = f ( a ) − f ′ ( a ) ε + 2 ! f ′′ ( a ) ε 2 − 3 ! f ′′′ ( a ) ε 3 + ⋯ ( ex3.3.3 ) と後方差分の誤差
∣ f ( a ) − f ( a − ε ) ε − f ′ ( a ) ∣ = ∣ − f ′ ′ ( a ) 2 ! ε + f ′ ′ ′ ( a ) 3 ! ε 2 − ⋯ ∣ (ex3.3.4) \tag{ex3.3.4} \left| \frac{f(a)-f(a-\varepsilon) }{\varepsilon} - f'(a) \right| = \left| -\frac{f''(a)}{2!}\varepsilon+\frac{f'''(a)}{3!}\varepsilon^{2}-\cdots \right| ∣ ∣ ε f ( a ) − f ( a − ε ) − f ′ ( a ) ∣ ∣ = ∣ ∣ − 2 ! f ′′ ( a ) ε + 3 ! f ′′′ ( a ) ε 2 − ⋯ ∣ ∣ ( ex3.3.4 ) を得ることができる。
次に、(ex3.3.1)式と(ex3.3.3)式の差分から、
f ( a + ε ) − f ( a − ε ) = 2 f ′ ( a ) ε + 2 f ′ ′ ′ ( a ) 3 ! ε 3 + 2 f ′ ′ ′ ′ ′ ( a ) 5 ! ε 5 + ⋯ f(a+\varepsilon) - f(a-\varepsilon) = 2f'(a)\varepsilon+2\frac{f'''(a)}{3!}\varepsilon^{3}+2\frac{f'''''(a)}{5!}\varepsilon^{5}+\cdots f ( a + ε ) − f ( a − ε ) = 2 f ′ ( a ) ε + 2 3 ! f ′′′ ( a ) ε 3 + 2 5 ! f ′′′′′ ( a ) ε 5 + ⋯ を得られるので、両辺を 2 ε 2 \varepsilon 2 ε で割って移項すると、中央差分の誤差
∣ f ( a + ε ) − f ( a − ε ) 2 ε − f ′ ( a ) ∣ = ∣ f ′ ′ ′ ( a ) 3 ! ε 2 + f ′ ′ ′ ′ ′ ( a ) 5 ! ε 4 + ⋯ ∣ (ex3.3.5) \tag{ex3.3.5} \left| \frac{f(a+\varepsilon) - f(a-\varepsilon) }{2\varepsilon} - f'(a) \right| = \left| \frac{f'''(a)}{3!}\varepsilon^{2}+\frac{f'''''(a)}{5!}\varepsilon^{4}+\cdots \right| ∣ ∣ 2 ε f ( a + ε ) − f ( a − ε ) − f ′ ( a ) ∣ ∣ = ∣ ∣ 3 ! f ′′′ ( a ) ε 2 + 5 ! f ′′′′′ ( a ) ε 4 + ⋯ ∣ ∣ ( ex3.3.5 ) も得ることができる。
ここで(ex3.3.2)式、(ex3.3.4)式、(ex3.3.4)式の各誤差の右辺の各項を順番に見比べると、前方差分・後方差分の n n n 項目 ε \varepsilon ε の乗数が n n n なのに対し、中央差分の n n n 項目では 2 n 2n 2 n となっている。今、十分に小さい ε \varepsilon ε を取っているので、これらを比較すると、中央差分の誤差の方が小さくなることがわかる。