Diferencia finita

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Una diferencia finita es una expresión matemática de la forma f(x + b) − f(x +a). Si una diferencia finita se divide por b − a se obtiene ua expresión similar al cociente diferencial, que difiere en que se emplean cantidades finitas en lugar de infinitesimales. La aproximación de las derivadas por diferencias finitas desempeña un papel central en los métodos de diferencias finitas del análisis numérico para la resolución de ecuación diferencial.

Tabla de contenidos

1 Diferencias anterior, posterior y central
2 Relación con las derivadas
3 Cálculo de diferencias finitas
4 Derivadas de órdenes mayores
5 Métodos de diferencias finitas
6 Véase también
7 Referencias
8 Bibliografía complementaria

[editar] Diferencias anterior, posterior y central

Sólo se consideran normalmente tres formas: la anterior, la posterior y la central.

Una diferencia anterior es una expresión de la forma

$\Delta[f](x) = f(x + h) - f(x). \,$

Dependiendo de la aplicación, el espaciado h se mantiene constante o se toma el limite h → 0.

Una diferencia posterior se obtiene de la anterior reemplazando h por −h:

$\nabla[f](x) = f(x) - f(x-h).$

Finalmente, la diferencia central es la media de las diferencias anteriores y posteriores. Viene dada por

$\delta[f](x) = \frac{f(x+h) - f(x-h)}{2}.$

[editar] Relación con las derivadas

La derivación de la función f en un punto x está definida por el límite

$f'(x) = \lim_{h\to0} \frac{f(x+h) - f(x)}{h}.$

Si h tiene un valor fijado no nulo, en lugar de aproximarse a cero, el término de la derecha es

$\frac{f(x + h) - f(x)}{h} = \frac{\Delta[f](x)}{h}.$

Por lo tanto, la diferencia anterior dividida por h aproxima a la derivada cuando h es pequeño. El error de esta aproximación puede derivarse del teorema de Taylor. Asumiendo que f es continuamente diferenciable, el error es

$\frac{\Delta[f](x)}{h} - f'(x) = O(h) \quad (h \to 0).$

La misma fórmula es válida en la diferencia posterior:

$\frac{\nabla[f](x)}{h} - f'(x) = O(h).$

Sin embargo, la diferencia central lleva a una aproximación más ajustada. Su error es proporcional al cuadrado del espaciado (si f es dos veces continuamente diferenciable).

$\frac{\delta[f](x)}{h} - f'(x) = O(h^{2}) . \!$

[editar] Cálculo de diferencias finitas

La diferencia anterior puede considerarse un operador diferencial que hace corresponder la función f con Δf. El teorema de Taylor puede expresarse por la fórmula

$\Delta = hD + \frac12 h^2D^2 + \frac1{3!} h^3D^3 + \cdots = \mathrm{e}^{hD} - 1,$

Donde D denota el operador derivada, que hace corresponder f con su derivada f'. Formalmente, invirtiendo la exponencial

$hD = \log(1+\Delta) = \Delta - \frac12 \Delta^2 + \frac13 \Delta^3 + \cdots. \,$

Esta fórmula sigue siendo válida en el sentido de que amos operadores dan el mismo resultado cuando se aplican a un polinomio. Incluso para funciones analíticas, las series de la derecha no convergen con seguridad, sino que puede tratarse de una serie asintótica. Sin embargo, pueden emplearse para obtener aproximaciones más aproximadas de la derivada. Por ejemplo, Los dos primeros términos de la serie llevan a:

$f'(x) \approx \frac{\Delta[f](x) - \frac12 \Delta^2[f](x)}{h} = - \frac{f(x+2h)-4f(x+h)+3f(x)}{2h}.$

El error de la aproximación es del orden de h².

Las fórmulas análogas para los operadores posterior y central son

$hD = -\log(1-\nabla) \quad\mbox{and}\quad hD = \, \operatorname{arcsinh} \left( \delta \right).$

[editar] Derivadas de órdenes mayores

De forma análoga se pueden obtener aproximaciones en diferencias finitas para derivadas de orden mayor y operadores diferenciales. Por ejemplo usando la fórmula de la diferencia cental mostrada anteriormente con un espaciado de $h / 2$ para $f'(x + h / 2)$ y $f'(x - h / 2)$ y aplicando la fórmula de diferencia central a la derivada de $f'$ en x, obtenemos la aproximación de la diferencia central de la sgunda derivada de f:

$f''(x) \approx \frac{\Delta^2[f](x)}{h^2} = \frac{f(x+h) - 2 f(x) + f(x-h)}{h^{2}} .$

[editar] Métodos de diferencias finitas

Otro aspecto importante es que las diferencias finitas aproximan cocientes diferenciales a medida que h se acerca a cero. Así que se pueden usar diferencias finitas para aproximar derivadas. Esta técnica se emplea a menudo en análisis numérico, especialmente en ecuaciones diferenciales numéricas ordinarias y ecuaciones en diferencias parciales. Los métodos resultantes reciben el nombre de métodos de diferencias finitas.

Las aplicaciones habituales de los métodos de diferencias finitas son en los campos de la computación y áreas de la ingeniería como ingeniería térmica o mecánica de fluidos.

[editar] Véase también

cociente diferencial
Serie de Newton
Teorema de Taylor
Transformación binomial
fórmula de Faulhaber

[editar] Referencias

William F. Ames, Numerical Method for Partial Differential Equations, Section 1.6. Academic Press, New York, 1977. ISBN 0-12-056760-1.
Francis B. Hildebrand, Finite-Difference Equations and Simulations, Section 2.2. Prentice-Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1968.