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Difference quotient

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단일-변수 미적분학(calculus)에서, 차이 몫(difference quotient)은 보통 다음 표현에 대한 이름입니다:

이것은 h가 0으로 접근할 때 극한(limit)을 취했을 때 함수(function) f도함수(derivative)를 제공합니다.[1][2][3][4] 표현의 이름은 그것이 그의 인수의 대응하는 값의 차이에 의해 함수의 값의 차이(difference)몫(quotient)이라는 사실에서 유래합니다 (이 경우에서 후자는 (x+h)-x=h입니다).[5][6] 차이 몫은 구간(interval) (이 경우에서, 길이 h의 구간)에 걸쳐 함수의 평균 변화율(average rate of change)의 측정입니다.[7][8]: 237 [9] 차이 몫의 극한 (즉, 도함수)는 따라서 순간(instantaneous) 변화율입니다.[9]

표기법 (및 관점)의 약간의 변화에 의해, 구간 [a, b]에 대해, 다음 차이 몫은

구간 [a, b]에 걸쳐 f의 도함수의 평균(mean 또는 average) 값이라고 불립니다.[5] 이 이름은 미분가능 함수(differentiable function) f에 대해, 그것의 도함수 f′이 그 구간 안의 일부 점에서 그것의 평균 값(mean value)에 도달한다고 말하는 평균값 정리(mean value theorem)에 의해 정당화됩니다.[5] 기하학적으로, 이 차이 몫은 좌표 (a, f(a))와 (b, f(b))를 갖는 점을 통과하는 가름선(secant line)기울기(slope)를 측정합니다.[10]

차이 몫은 수치 미분화(numerical differentiation)에서 근사로써 사용되지만,[8] 그것들은 이 응용에서 역시 비판의 주제가 되어 왔습니다.[11]

차이 몫은 때때로 역시 (아이작 뉴턴(Isaac Newton) 후에) 뉴턴 몫[10][12][13][14] 또는 (피에르 드 페르마(Pierre de Fermat) 후에) 페르마의 몫이라고 불립니다.[15]

Overview

위에서 논의된 차이 몫의 전형적인 개념은 보다 일반적인 개념의 특별한 경우입니다. 미적분(calculus)과 다른 고등 수학의 매개물은 함수(function)입니다. 그것의 "입력 값"은 그것의 인수이며, 보통 그래프 위에 표현할 수 있는 점 ("P")입니다. 두 점 자체의 차이는 델타(Delta)P)로 알려져 있으며, 함수 결과의 차이와 같이, 특정 표기법이 공식화의 방향에 의해 결정됩니다:

  • 전방 차이:  ΔF(P) = F(P + ΔP) − F(P);
  • 중앙 차이:  δF(P) = F(P + ½ΔP) − F(P − ½ΔP);
  • 역방향 차이: ∇F(P) = F(P) − F(P − ΔP).

일반적인 기본 설정은, F(P)가 기준일 때, 전진 방향이며, 여기에 차이 (즉, "ΔP")가 그것에 더합니다. 게다가,

  • 만약 |ΔP|가 유한 (측정-가능을 의미함)이며, ΔF(P)는 DP와 DF(P)의 특정 명시적 의미와 함께 유한 차이(finite difference)로 알려져 있습니다;
  • 만약 |ΔP|가 무한소(infinitesimal) (무한하게 작은 총양——보통 표준 해석학에서 극한으로 표현됨: )이면, ΔF(P)는 dP와 dF(P)의 특정 명시적 의미와 함께 무한소 차이(infinitesimal difference)로 알려져 있습니다 (미적분 그래프에서, 그 점은 거의 배타적으로 "x"로, F(x)를 "y"로 식별됩니다).

점 차이로 나뉜 함수 차이는 "차이 몫"으로 알려져 있습니다:

만약 ΔP가 무한소이면, 차이 몫은 도함수(derivative)이고, 그렇지 않으면, 차이로 나뉜(divided difference) 것입니다.

Defining the point range

ΔP가 무한소 또는 유한 여부에 상관없이, (적어도–도함수의 경우에서–이론적으로) 점 영역이 있으며, 여기서 경계는 P ± (0.5) ΔP입니다 (방향에 의존합니다–ΔF(P), δF(P) 또는 ∇F(P)):

LB = 아래쪽 경계;   UB = 위쪽 경계;

도함수는 그것들 자체 도함수를 숨기는 함수 자체로 여길 수 있습니다. 따라서 각 함수는 미분화(derivation, 또는 differentiation)의 순차적 차수 ("더 높은 순서")의 본거지입니다. 이 속성은 모든 차이 몫으로 일반화될 수 있습니다.

이 수열화는 해당하는 경계 분할을 요구하므로, 점 범위를 더 작은, 같은-크기의 섹션으로 나누는 것이 실용적이며, 각 섹션은 중간 점 (Pi)로 표시됩니다. 여기서 LB = P0 및 UB = Pń, n번째 점, 차수/순서와 같습니다:

  LB =  P0  = P0 + 0Δ1P     = Pń − (Ń-0)Δ1P;
        P1  = P0 + 1Δ1P     = Pń − (Ń-1)Δ1P;
        P2  = P0 + 2Δ1P     = Pń − (Ń-2)Δ1P;
        P3  = P0 + 3Δ1P     = Pń − (Ń-3)Δ1P;
            ↓      ↓        ↓       ↓
       Pń-3 = P0 + (Ń-3)Δ1P = Pń − 3Δ1P;
       Pń-2 = P0 + (Ń-2)Δ1P = Pń − 2Δ1P;
       Pń-1 = P0 + (Ń-1)Δ1P = Pń − 1Δ1P;
  UB = Pń-0 = P0 + (Ń-0)Δ1P = Pń − 0Δ1P = Pń;
  ΔP = Δ1P = P1 − P0 = P2 − P1 = P3 − P2 = ... = Pń − Pń-1;
  ΔB = UB − LB = Pń − P0 = ΔńP = ŃΔ1P.

The primary difference quotient (Ń = 1)

As a derivative

도함수로 차이 몫은 P0가 본질적으로 P1 = P2 = ... = Pń와 같기 때문에 (차이가 무한소이기 때문), 라이프니츠 표기법(Leibniz notation)과 도함수 표현이 P와 P0 또는 Pń를 구별하지 않는다는 점을 지적하는 것 외에는 설명이 필요하지 않습니다:

다른 도함수 표기법(other derivative notations)이 있지만, 이것들은 가장 인식된, 표준 명칭입니다.

As a divided difference

나뉜 차이는, 어쨌든, LB와 UB를 포함하는 사이의 평균 도함수와 같기 때문에 추가적인 설명을 요구합니다.

이 해석에서, Pã는 추출된 함수, P의 평균 값 (중간-범위이지만, 보통 정확히 중앙 점은 아님)을 나타내며, 그것이 추출된 평균하는 함수에 따라 특정 평가를 나타냅니다. 보다 공식적으로, Pã는 미적분학의 평균값 정리(mean value theorem)에서 찾아지며, 이것은 다음을 말합니다:

[LB,UB]에서 연속이고 (LB,UB)에서 미분-가능인 함수에 대해, 구간 [LB,UB]의 끝점을 연결하는 가름선이 Pã에서의 접선과 평행한 것을 만족하는 구간 (LB,UB)에 어떤 Pã가 존재합니다.

본질적으로, Pã는 LB와 UB 사이의 P의 값을 나타냅니다–따라서,

이것은 평균값 결과를 나뉜 차이와 연결합니다:

참다운 정의에 따라, LB/P0와 UB/Pń 사이에 명백한 차이가 있기 때문에, 라이프니츠와 도함수 표현은 함수 인수의 분리(divarication)를 요구합니다.

Higher-order difference quotients

Second order

Third order

Ńth order

Applying the divided difference

나뉜 차이의 전형적인 적용은 유한 적분의 표시에 있으며, 이것은 유한 차이에 지나지 않습니다:

평균값, 도함수 표현 형식이 고전적 적분 표기법과 같은 정보의 모두를 제공한다고 주어지면, 평균값 형식은 오직 표준 아스키(ASCII) 텍스트를 지원/수용하는 작성 장소 또는 (타원 적분에서 평균 반지름을 찾을 때와 같은) 오직 평균 도함수를 요구하는 경우에서 처럼 선호되는 표현 일수 있습니다. 이것은 특히 기술적으로 (예를 들어) 0과 또는 를 경계로 가지는 정적분에 대해 참이며, 0과 으로 경계를 가지는 것과 같은 발견된 나뉜 차이를 가집니다 (따라서 덜 평균하는 노력을 요구합니다):

이것은 역시 반복된다중 적분(multiple integral) (ΔA = AU − AL, ΔB = BU − BL, ΔC = CU − CL)를 다룰 때 특히 유용하게 됩니다:

따라서,

See also

References

  1. ^ Peter D. Lax; Maria Shea Terrell (2013). Calculus With Applications. Springer. p. 119. ISBN 978-1-4614-7946-8.
  2. ^ Shirley O. Hockett; David Bock (2005). Barron's how to Prepare for the AP Calculus. Barron's Educational Series. p. 44. ISBN 978-0-7641-2382-5.
  3. ^ Mark Ryan (2010). Calculus Essentials For Dummies. John Wiley & Sons. pp. 41–47. ISBN 978-0-470-64269-6.
  4. ^ Karla Neal; R. Gustafson; Jeff Hughes (2012). Precalculus. Cengage Learning. p. 133. ISBN 978-0-495-82662-0.
  5. ^ a b c Michael Comenetz (2002). Calculus: The Elements. World Scientific. pp. 71–76 and 151–161. ISBN 978-981-02-4904-5.
  6. ^ Moritz Pasch (2010). Essays on the Foundations of Mathematics by Moritz Pasch. Springer. p. 157. ISBN 978-90-481-9416-2.
  7. ^ Frank C. Wilson; Scott Adamson (2008). Applied Calculus. Cengage Learning. p. 177. ISBN 978-0-618-61104-1.
  8. ^ a b Tamara Lefcourt Ruby; James Sellers; Lisa Korf; Jeremy Van Horn; Mike Munn (2014). Kaplan AP Calculus AB & BC 2015. Kaplan Publishing. p. 299. ISBN 978-1-61865-686-5.
  9. ^ a b Thomas Hungerford; Douglas Shaw (2008). Contemporary Precalculus: A Graphing Approach. Cengage Learning. pp. 211–212. ISBN 978-0-495-10833-7.
  10. ^ a b Steven G. Krantz (2014). Foundations of Analysis. CRC Press. p. 127. ISBN 978-1-4822-2075-9.
  11. ^ Andreas Griewank; Andrea Walther (2008). Evaluating Derivatives: Principles and Techniques of Algorithmic Differentiation, Second Edition. SIAM. pp. 2–. ISBN 978-0-89871-659-7.
  12. ^ Serge Lang (1968). Analysis 1. Addison-Wesley Publishing Company. p. 56.
  13. ^ Brian D. Hahn (1994). Fortran 90 for Scientists and Engineers. Elsevier. p. 276. ISBN 978-0-340-60034-4.
  14. ^ Christopher Clapham; James Nicholson (2009). The Concise Oxford Dictionary of Mathematics. Oxford University Press. p. 313. ISBN 978-0-19-157976-9.
  15. ^ Donald C. Benson, A Smoother Pebble: Mathematical Explorations, Oxford University Press, 2003, p. 176.

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