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Numerische Differentiation

Funktionen können numerisch abgeleitet werden, was dann sinnvoll ist, wenn die Lösung analytisch aufwendig oder gar nicht bestimmbar ist. Man nähert den Differentialquotienten durch den Differenzenquotienten an (Differenzenformel 1. Ordnung):

ist das Fehlerglied der Näherung, es ist von der Ordnung , d.h., der Fehler ist linear in h, es hängt von der Schrittweite h und der betrachteten Stelle x ab.

Zweipunkte-Differenzenformel  ( Vorwärtsformel) :

Zweipunkte-Differenzenformel ( Rückwärtsformel): 

Bei obigen Annäherungen vermindert sich der Fehler proportional zur Verkleinerung der Schrittweite h.
 
Ist die Schrittweite h zu klein, verfälschen Rundungsfehler das Ergebnis.
 
Faustregel für den einfachen Differenzenquotienten:

wobei nmax die Stellenanzahl am Rechner ist. Typisch bei Rechnern ist einfach-genau: , doppelt-genau: .

3-Punkteformel (verbesserte Differenzenformel):

Zweite Ableitung:

Hier ändert sich der Fehler jeweils quadratisch mit h.
Differenzenformeln 4. Ordnung: 
Erste Ableitung:

Zweite Ableitung:

Vorgehen bei tabellierten Daten:
a) Differenzenformel 1. Ordnung für schnelle Abschätzungen oder
b) numerische Ausgleichung mit anschließender Differentiation.

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