กลับไปหน้าบทความ

อ่าน 20 นาที

ผลหารความแตกต่าง

ใน แคลคูลัสตัวแปรเดียว คำว่า ผลหารต่าง ( difference quotient)มักใช้เรียกนิพจน์นี้

ผลหารความแตกต่าง

ใน แคลคูลัสตัวแปรเดียว คำว่า ผลหารต่าง ( difference quotient)มักใช้เรียกนิพจน์นี้

ซึ่งเมื่อพิจารณาลิมิตเมื่อhเข้าใกล้ 0 จะได้อนุพันธ์ของฟังก์ชันf [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]ชื่อของนิพจน์นี้มาจากข้อเท็จจริงที่ว่ามันคือผลหารของผลต่าง ของค่าของฟังก์ชันกับผลต่างของค่า ที่สอดคล้องกันของตัวแปร ( ในกรณีนี้ คือ ( x + h ) - x = h ) [ 5 ] [ 6 ]ผลหารผลต่างเป็นการวัดอัตราการเปลี่ยนแปลงเฉลี่ย ของฟังก์ชันในช่วงเวลาหนึ่ง (ในกรณีนี้คือช่วงเวลาที่มีความยาวh ) [ 7 ] [ 8 ] : 237 [ 9 ]ดังนั้นลิมิตของผลหารผลต่าง (เช่น อนุพันธ์) จึงเป็นอัตราการเปลี่ยนแปลงทันที[ 9 ]

ด้วยการเปลี่ยนแปลงสัญลักษณ์ (และมุมมอง) เล็กน้อย สำหรับช่วง [ a , b ] ผลหารต่าง

เรียกว่า[ 5 ]ค่าเฉลี่ย (หรือค่าเฉลี่ยเลขคณิต) ของอนุพันธ์ของfในช่วง [ a , b ] ชื่อนี้ได้รับการพิสูจน์โดยทฤษฎีบทค่าเฉลี่ยซึ่งระบุว่าสำหรับฟังก์ชันที่หาอนุพันธ์ได้fอนุพันธ์f จะมีค่าเฉลี่ยที่จุดใดจุดหนึ่งในช่วง[ 5 ]ในทางเรขาคณิต ผลหารความแตกต่างนี้วัดความชันของเส้นตัดที่ผ่านจุดที่มีพิกัด ( a , f ( a )) และ ( b , f ( b )) [ 10 ]

ผลหารความแตกต่างถูกใช้เป็นค่าประมาณในการหาอนุพันธ์เชิงตัวเลข [ 8 ]แต่ก็ถูกวิพากษ์วิจารณ์ในการประยุกต์ใช้นี้เช่นกัน[ 11 ]

ผลหารความแตกต่างอาจมีความเกี่ยวข้องในแอปพลิเคชันที่เกี่ยวข้องกับการแบ่งช่วงเวลาโดยที่ความกว้างของช่วงเวลาจะถูกใช้เป็นค่าของ h

ผลหารความแตกต่างบางครั้งก็เรียกว่าผลหารของนิวตัน[ 10 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] (ตั้งชื่อตามไอแซค นิวตัน ) หรือผลหารความแตกต่างของแฟร์มาต์ (ตั้งชื่อตามปิแอร์ เดอ แฟร์มาต์ ) [ 15 ]

ภาพรวม

แนวคิดทั่วไปของผลหารต่างที่กล่าวถึงข้างต้นเป็นกรณีเฉพาะของแนวคิดทั่วไปที่กว้างกว่านั้น เครื่องมือหลักของแคลคูลัสและคณิตศาสตร์ขั้นสูงอื่นๆ คือฟังก์ชัน "ค่าป้อนเข้า" ของมันคืออาร์กิวเมนต์ซึ่งโดยปกติจะเป็นจุด ("P") ที่สามารถแสดงบนกราฟได้ ความแตกต่างระหว่างสองจุดนั้นเรียกว่าเดลต้า (ΔP )เช่นเดียวกับความแตกต่างในผลลัพธ์ของฟังก์ชัน โดยสัญลักษณ์เฉพาะจะถูกกำหนดโดยทิศทางการสร้าง:

  • ผลต่างไปข้างหน้า: Δ F ( P ) = F ( P + Δ P ) − F ( P );
  • ความแตกต่างส่วนกลาง: δF(P) = F(P + 1/2 ΔP) − F(P − 1/2ΔP );
  • ผลต่างย้อนกลับ: ∇F(P) = F(P) − F(P − ΔP)

โดยทั่วไปแล้วจะนิยมวางแนวทางไปข้างหน้า เนื่องจาก F(P) เป็นฐาน ซึ่งความแตกต่าง (เช่น "ΔP") จะถูกเพิ่มเข้าไป นอกจากนี้

  • ถ้า |ΔP| มีค่าจำกัด (หมายความว่าสามารถวัดได้) แล้ว ΔF(P) จะเรียกว่าผลต่างจำกัดโดยมีสัญลักษณ์เฉพาะคือ DP และ DF(P)
  • ถ้า |ΔP| มี ค่า เล็กน้อยมาก (ปริมาณที่เล็กอย่างไม่มีที่สิ้นสุดซึ่งโดยปกติจะแสดงในการวิเคราะห์มาตรฐานในรูปของลิมิต: ) แล้ว ΔF(P) จะเรียกว่าผลต่างเล็กน้อยมากโดยมีสัญลักษณ์เฉพาะคือ dP และ dF(P) (ในการเขียนกราฟแคลคูลัส จุดจะถูกระบุเกือบทั้งหมดเป็น "x" และ F(x) เป็น "y")

ผลต่างของฟังก์ชันหารด้วยผลต่างของจุด เรียกว่า "ผลหารผลต่าง" (difference quotient):

ถ้า ΔP มีค่าเล็กน้อยมาก ผลหารต่างจะเป็นอนุพันธ์มิฉะนั้นจะเป็น ผล หาร ต่าง

การกำหนดช่วงจุด

ไม่ว่า ΔP จะมีค่าเล็กน้อยหรือมีค่าจำกัด ก็จะมีช่วงจุด (อย่างน้อยในกรณีของอนุพันธ์ ในทางทฤษฎี) ที่ขอบเขตคือ P ± (0.5) ΔP (ขึ้นอยู่กับทิศทาง—ΔF(P), δF(P) หรือ ∇F(P)):

LB = ขอบเขตล่าง; UB = ขอบเขตบน;

อนุพันธ์สามารถมองได้ว่าเป็นฟังก์ชันในตัวเอง ซึ่งมีอนุพันธ์ของตัวเองอยู่ภายใน ดังนั้นแต่ละฟังก์ชันจึงมีระดับ ("ลำดับที่สูงกว่า") ของอนุพันธ์หรือการแยกความแตกต่างคุณสมบัตินี้สามารถขยายไปสู่ผลหารความแตกต่างทั้งหมดได้ เนื่องจากลำดับนี้ต้องการการแบ่งขอบเขตที่สอดคล้องกัน จึงเป็นการเหมาะสมที่จะแบ่งช่วงจุดออกเป็นส่วนย่อยๆ ที่มีขนาดเท่ากัน โดยแต่ละส่วนจะถูกทำเครื่องหมายด้วยจุดกลาง ( P i ) โดยที่ LB = P 0และ UB = P ńซึ่งเป็น จุดที่ nเท่ากับระดับ/ลำดับ:

 LB = P 0 = P 0 + 0Δ 1 P = P ń − (Ń-0)Δ 1 P; P 1 = P 0 + 1Δ 1 P = P ń − (Ń-1)Δ 1 P; P 2 = P 0 + 2Δ 1 P = P ń - (Ń-2) Δ 1 P; P 3 = P 0 + 3Δ 1 P = P ń - (Ń-3)Δ 1 P; ↓ ↓ ↓ ↓ P ń-3 = P 0 + (Ń-3)Δ 1 P = P ń - 3Δ 1 P; P ń-2 = P 0 + (Ń-2)Δ ​​1 P = P ń − 2Δ 1 P; P ń-1 = P 0 + (Ń-1)Δ 1 P = P ń − 1Δ 1 P; UB = P ń-0 = P 0 + (Ń-0)Δ 1 P = P ń − 0Δ 1 P = P ń ; 
 ΔP = Δ 1 P = P 1 − P 0 = P 2 − P 1 = P 3 − P 2 = ... = P ń − P ń-1 ; 
 ΔB = UB − LB = P ń − P 0 = Δ ń P = ŃΔ 1 P. 

ผลหารความแตกต่างหลัก ( Ń = 1)

ในฐานะอนุพันธ์

ผลหารความแตกต่างในฐานะอนุพันธ์ไม่จำเป็นต้องมีคำอธิบายเพิ่มเติม นอกเหนือจากการชี้ให้เห็นว่า เนื่องจาก P 0โดยพื้นฐานแล้วเท่ากับ P 1 = P 2 = ... = P ń (เนื่องจากความแตกต่างมีค่าเล็กน้อยมาก) สัญกรณ์ของไลบ์นิซและนิพจน์อนุพันธ์จึงไม่แยกความแตกต่างระหว่าง P กับ P 0หรือ P ń :

ยังมีสัญลักษณ์อื่น ๆ ที่ได้มาจากคำนี้ แต่สัญลักษณ์เหล่านี้เป็นสัญลักษณ์ที่ได้รับการยอมรับและเป็นมาตรฐานมากที่สุด

ผลต่างหาร

อย่างไรก็ตาม ผลต่างหารจำเป็นต้องมีการอธิบายเพิ่มเติม เนื่องจากเท่ากับค่าเฉลี่ยของอนุพันธ์ระหว่าง LB และ UB:
ในการตีความนี้ Pã แทนฟังก์ชันที่ดึงออกมา ซึ่งเป็นค่าเฉลี่ยของ P (ค่ากึ่งกลาง แต่โดยปกติจะไม่ใช่ค่ากึ่งกลางพอดี) โดยค่าที่ได้จะขึ้นอยู่กับฟังก์ชันที่นำมาหาค่าเฉลี่ย ในเชิงทฤษฎีแล้ว Pã พบได้ในทฤษฎีค่าเฉลี่ยของแคลคูลัส ซึ่งกล่าวว่า:
สำหรับฟังก์ชันใดๆ ที่ต่อเนื่องบนช่วง [LB,UB] และหาอนุพันธ์ได้บนช่วง (LB,UB) จะมี Pã บางค่าใน ช่วง (LB,UB) ซึ่งเส้นตัดที่เชื่อมจุดปลายของช่วง [LB,UB ] จะขนานกับเส้นสัมผัสที่
โดยพื้นฐานแล้ว Pã หมายถึงค่า P บางค่าระหว่าง LB และ UB—ดังนั้น
ซึ่งเชื่อมโยงผลลัพธ์ค่าเฉลี่ยกับผลต่างที่หารแล้ว:
เนื่องจากโดยนิยามแล้วมีความแตกต่างที่จับต้องได้ระหว่าง LB/P 0และ UB/P ńดังนั้นนิพจน์ของไลบ์นิซและอนุพันธ์จึงจำเป็นต้องมีการแยกตัวแปรของอาร์กิวเมนต์ฟังก์ชัน

ผลหารความแตกต่างลำดับสูงกว่า

ลำดับที่สอง

ลำดับที่สาม

ลำดับที่N

การใช้ผลต่างหาร

การประยุกต์ใช้ที่สำคัญที่สุดของผลต่างหารคือการนำเสนออินทิกรัลจำกัด ซึ่งก็คือผลต่างจำกัดนั่นเอง:

เนื่องจากรูปแบบการแสดงค่าเฉลี่ยและอนุพันธ์ให้ข้อมูลทั้งหมดเหมือนกับสัญลักษณ์อินทิกรัลแบบคลาสสิก รูปแบบค่าเฉลี่ยจึงอาจเป็นรูปแบบที่เหมาะสมกว่า เช่น ในสถานที่เขียนที่รองรับ/ยอมรับเฉพาะ ข้อความ ASCII มาตรฐาน หรือในกรณีที่ต้องการเพียงค่าเฉลี่ยของอนุพันธ์ (เช่น เมื่อหาค่าเฉลี่ยรัศมีในอินทิกรัลเชิงวงรี ) โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับอินทิกรัลจำกัดที่มีขอบเขตเป็น (เช่น) 0 และ หรือโดยจะได้ผลต่างหารที่เหมือนกันกับกรณีที่มีขอบเขตเป็น 0 และ(จึงใช้ความพยายามในการหาค่าเฉลี่ยน้อยกว่า)

วิธีนี้จะมีประโยชน์อย่างยิ่งเมื่อต้องจัดการกับ อินทิก รัลซ้ำและอินทิกรัลหลายตัว (ΔA = AU − AL, ΔB = BU − BL, ΔC = CU − CL):

เพราะฉะนั้น,

และ

ดูเพิ่มเติม

  • วิทยาลัยเซนต์วินเซนต์: ภราดาเดวิด คาร์ลสัน, OSB— MA109 อัตราส่วนความแตกต่าง (The Difference Quotient)เก็บถาวรเมื่อ 12 กันยายน 2005 ที่Wayback Machine
  • มหาวิทยาลัยเบอร์มิงแฮม: เดิร์ก เฮอร์มันส์ — ความแตกต่างที่แบ่งแยก
  • แมธเวิลด์:
    • ผลต่างที่หารแล้ว
    • ทฤษฎีค่าเฉลี่ย
  • มหาวิทยาลัยวิสคอนซิน: โทมัส ดับเบิลยู. เรปส์และ หลุยส์ บี. รอลล์ — การหาผลต่างหารเชิงคำนวณและเลขคณิตผลต่างหาร
  • โปรแกรมจำลองแบบโต้ตอบเกี่ยวกับผลหารส่วนต่างเพื่ออธิบายอนุพันธ์
ดึงข้อมูลมาจาก " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Difference_quotient&oldid=1358500885 "

สรุปเนื้อหา

ข้อมูลสำคัญจากบทความ

ข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับ ผลหารความแตกต่าง

ใน แคลคูลัสตัวแปรเดียว คำว่า ผลหารต่าง ( difference quotient)มักใช้เรียกนิพจน์นี้

ภาพรวม

แนวคิดทั่วไปของผลหารต่างที่กล่าวถึงข้างต้นเป็นกรณีเฉพาะของแนวคิดทั่วไปที่กว้างกว่านั้น เครื่องมือหลักของ แคลคูลัส และคณิตศาสตร์ขั้นสูงอื่นๆ คือ ฟังก์ชัน "ค่าป้อนเข้า" ของมันคือ อาร์กิวเมนต์ ซึ่งโดยปกติจะเป็นจุด ("P") ที่สามารถแสดงบนกราฟได้...

การกำหนดช่วงจุด

ไม่ว่า ΔP จะมีค่าเล็กน้อยหรือมีค่าจำกัด ก็จะมีช่วงจุด (อย่างน้อยในกรณีของอนุพันธ์ ในทางทฤษฎี) ที่ขอบเขตคือ P ± (0.5) ΔP (ขึ้นอยู่กับทิศทาง—ΔF(P), δF(P) หรือ ∇F(P)):

ผลหารความแตกต่างหลัก ( Ń = 1)

Δ เอฟ ( พี 0 ) Δ พี = เอฟ ( พี n ´ ) − เอฟ ( พี 0 ) Δ n ´ พี = เอฟ ( พี 1 ) − เอฟ ( พี 0 ) Δ 1 พี = เอฟ ( พี 1 ) − เอฟ ( พี 0 ) พี 1 − พี 0 .