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¿Es $\lim_{h\to0}\frac{f\left(x+h\right)-f\left(x-h\right)}{2h}=f'(x)$?

Estaba trabajando en un problema tratando de encontrar si algún punto en la función de alguna figura era un vértice o no al probar si $\lim_{h\to 0}f'(x+h)\not=f'(x)$ para ver si había un cambio repentino en el punto como se ve en los vértices, pero seguía encontrando el problema de que las derivadas en esos puntos eran indefinidas o sin sentido ya sea debido a que la función era por partes o la derivada era $\frac{0}{0}$.

Así que consideré en su lugar tomar la derivada entre los dos puntos adyacentes a $x$ como se muestra en la función en el título anterior de $\lim_{h\to0}\frac{f\left(x+h\right)-f\left(x-h\right)}{2h}$. Pero la pregunta que tengo es si es una redefinición válida?

Algunos de mis pensamientos:

Si

$$\lim_{h\to0}\frac{f\left(x+h\right)-f\left(x-h\right)}{2h}=f'(x)$$

entonces $$\lim_{h\to0}\frac{f\left(x+h\right)-f\left(x-h\right)}{2h}=\lim_{h\to0}\frac{f\left(x+h\right)-f\left(x\right)}{h}$$

implicando además que

$$f(x)=\lim_{h\to0}\frac{f(x+h)+f(x-h)}{2}$$

Cuando introduzco esta función en WolframAlpha%2F2) obtengo una salida que me indica que esto es cierto para todas las funciones analíticas y la expansión de series se acerca a $f(x)$. Si quito el límite en $h$%2F2) WolframAlpha me dice que $f(x)$ debe ser una función par, aunque dudo de esto.

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Maxime Scott Puntos 380

Suponemos que $f$ es diferenciable en $x$. Por definición de diferenciabilidad en $x$,

$$f'(x) = \lim_{h \to 0} \dfrac{f(x+h)-f(x)}{h}$$

Además,

$$f'(x)= \lim_{-h \to 0} \dfrac{f(x-h)-f(x)}{-h}= \lim_{-h \to 0} \dfrac{f(x)-f(x-h)}{h} = \lim_{h \to 0} \dfrac{f(x)-f(x-h)}{h}.$$

Estas igualdades son verdaderas en general por la definición de diferenciabilidad que establece que el límite existe y no depende de cómo te acerques a $x$. En particular, $$f'(x)=\dfrac{f'(x)+f'(x)}{2}= \lim_{h \to 0} \dfrac{f(x+h)-f(x-h)}{2h}.$$

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marty cohen Puntos 33863

Para fines computacionales, $\frac{f(x + h) - f(x - h)}{2h}$ es una aproximación más precisa para $f'(x)$ que $\frac{f(x + h) - f(x)}{h}$.

Para verlo, dado que $f(x + h) = f(x) + hf'(x) + \frac{h^2f''(x)}{2} + O(h^3)$, $\dfrac{f(x + h) - f(x)}{h} = f'(x) + \frac{hf''(x)}{2} + O(h^2)$ y

$\begin{array} \\ \dfrac{f(x + h) - f(x - h)}{2h} & = \dfrac{(f(x) + hf'(x) + \frac{h^2f''(x)}{2} + O(h^3)) - (f(x) - hf'(x) + \frac{h^2f''(x)}{2} + O(h^3))}{2h}\\ & = \dfrac{2hf'(x) + O(h^3)}{2h}\\ & = f'(x) + O(h^2) \end{array} $

y esto es mejor por un factor de $h$.

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