Skip to main content

問題 3.3

まずは前方差分を得るために、任意の数 aa と、任意のとても小さい ε>0\varepsilon>0 を取り、f(a+ε)f(a+\varepsilon)aa 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!ε2+f(a)3!ε3+(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

この式を変形すると

f(a+ε)f(a)ε=f(a)+f(a)2!ε+f(a)3!ε2+\frac{f(a+\varepsilon) - f(a)}{\varepsilon} = f'(a)+\frac{f''(a)}{2!}\varepsilon+\frac{f'''(a)}{3!}\varepsilon^{2}+\cdots

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)εf(a)=f(a)2!ε+f(a)3!ε2+(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|

同様に、 (aε)(a-\varepsilon)aa 点周りでテーラー展開して

f(aε)=f(a)f(a)ε+f(a)2!ε2f(a)3!ε3+(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

と後方差分の誤差

f(a)f(aε)εf(a)=f(a)2!ε+f(a)3!ε2(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|

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(aε)=2f(a)ε+2f(a)3!ε3+2f(a)5!ε5+f(a+\varepsilon) - f(a-\varepsilon) = 2f'(a)\varepsilon+2\frac{f'''(a)}{3!}\varepsilon^{3}+2\frac{f'''''(a)}{5!}\varepsilon^{5}+\cdots

を得られるので、両辺を 2ε2 \varepsilon で割って移項すると、中央差分の誤差

f(a+ε)f(aε)2εf(a)=f(a)3!ε2+f(a)5!ε4+(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|

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 nn 項目 ε\varepsilon の乗数が nn なのに対し、中央差分の nn 項目では 2n2n となっている。今、十分に小さい ε\varepsilon 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。