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¿Cuáles son las $\sin$ $\cos$ de cálculo discreto?

Estoy familiarizarse con el Cálculo Discreto, y me gusta mucho tomar funciones que surgen en el tradicional cálculo y la búsqueda de lo que sus contrapartes en las de la tierra.

Por ejemplo, si definimos nuestro operador diferencia

$$\Delta f(n) = f(n + 1) - f(n)$$

(el análogo de la familiarizado operador de la derivada de $D = \frac{d}{dx}$), entonces podemos preguntar: ¿cuál es el $e^x$ de este operador? Es decir, ¿cuál es la función de $g$ tal que $\Delta g(n) = g(n)$? La respuesta es $2^x$, ya que:

$$\Delta 2^x = 2^{x+1} - 2^x = 2(2^x) - 2^x = 2^x$$

Asimismo, el puede hacer lo que el $g(x) = x^n$ de cálculo discreto es -- resulta ser

$$g(x) = \overbrace{x(x - 1)(x - 2) \dots (x - (n - 1))}^{n \text{ factors}}$$

Mi pregunta es: ¿hay un $\sin$ $\cos$ de cálculo discreto? Con lo que quiero decir, hay funciones de $f$ tal que $\Delta^2 f = -f$?

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Matthew Scouten Puntos 2518

$(1+i)^x$ $(1-i)^x$ y sus combinaciones lineales. La parte real de la $(1+i)^x$ es OEIS secuencia A146559, la parte imaginaria A009545.

10voto

pregunton Puntos 351

Hay soluciones a $\Delta^2 f = -f$, pero, lamentablemente, carecen de algunas de las propiedades interesantes de su continua contrapartes: que no son periódicos.

Afortunadamente, existe una manera de construir periódico análogos de $\sin$$\cos$, y ambas soluciones (periódicos y nonperiodic) tiene una conexión con una pregunta mucho más profunda: si el discreto homólogos de los números reales ordinarios enteros, que son los discretos homólogos de los números complejos?

Resulta que hay dos "natural" de los candidatos: los enteros de Gauss $a+bi$ y la de Eisenstein enteros $a+b\omega$ donde $a,b\in\mathbb{Z}$ $\omega = \frac{\sqrt{3}i-1}{2}$ es un tercio de la raíz de la unidad. Estos son especiales por que son las únicas opciones que generan un periódicas de celosía en el plano complejo.

En analogía con la discreta real exponencial, que es $(1+1)^x = 2^x$, se puede definir para cada uno de estos complejos enteros de una versión discreta de la exponencial imaginaria $e^{ix}$:

  • Gauss exponencial imaginaria: $(1+i)^x$

  • Eisenstein exponencial imaginaria: $(1+\omega)^x$

De estos, sólo el de Eisenstein exponencial imaginaria resulta ser periódico, la razón de ser de que $|1+\omega| = |e^{\pi i/3}|=1$ (esto tiene una interpretación geométrica: se puede construir un hexágono regular de lado a $L$ inscrito en un círculo de radio de $L$, mientras que usted no puede hacer eso con un cuadrado). A partir de estos se puede definir el correspondiente senos y cosenos con una discreta fórmula de Euler:

$$(1+i)^x = \cos_G (x) + i \sin_G (x)$$ $$(1+\omega)^x = \cos_E (x) + \omega \sin_E (x)$$

Gracias a la periodicidad de las Eisenstein exponencial, incluso tiene un análogo de Euler de la identidad y de una discreta versión de $\pi$:

$$(1+\omega)^3 + 1 = 0$$

donde el discretos $\pi$$3$. En el caso Gaussiano las soluciones tienen una especie de "semiperiod" igual a $4$, pero no es tan satisfactorio.

En el nivel de la diferencia de las ecuaciones, para obtener el periódico de las funciones trigonométricas uno tiene que sustituir a $\Delta^2$ por la central de diferencia $\nabla \Delta$ (donde $\nabla f(n) = f(n)-f(n-1)$).

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mjqxxxx Puntos 22955

Tenga en cuenta que si $f(n)$ es un discreto sinusoide, entonces $$ f(n+1)=f(n)+\Delta f(n) $$ y $$ \Delta f(n+1) = \Delta f(n) + \Delta^2 f(n) = \Delta f(n) - f(n), $$ o $$ \left(\begin{matrix}f(n+1) \\ \Delta f(n+1)\end{de la matriz}\right)=\left(\begin{matrix}1 & 1 \\ -1 & 1 \end{de la matriz}\right)\left(\begin{matrix}f(n)\\ \Delta f(n)\end{de la matriz}\right). $$ También, $$ \left(\begin{matrix}1 & 1 \\ -1 & 1 \end{de la matriz}\right)^2 = \left(\begin{matrix}1 & 1 \\ -1 & 1 \end{de la matriz}\right)\left(\begin{matrix}1 & 1 \\ -1 & 1 \end{de la matriz}\right)=\left(\begin{matrix}0 & 2 \\ -2 & 0 \end{de la matriz}\right), $$ $$ \left(\begin{matrix}1 & 1 \\ -1 & 1 \end{de la matriz}\right)^3 = \left(\begin{matrix}1 & 1 \\ -1 & 1 \end{de la matriz}\right)\left(\begin{matrix}0 & 2 \\ -2 & 0 \end{de la matriz}\right)=\left(\begin{matrix}-2 & 2 \\ -2 & -2 \end{de la matriz}\right), $$ $$ \left(\begin{matrix}1 & 1 \\ -1 & 1 \end{de la matriz}\right)^4 = \left(\begin{matrix}1 & 1 \\ -1 & 1 \end{de la matriz}\right)\left(\begin{matrix}-2 & 2 \\ -2 & -2 \end{de la matriz}\right)=\left(\begin{matrix}-4 & 0 \\ 0 & -4 \end{de la matriz}\right)=-4\hat{I}. $$ Así que el discretos $\cos$, que se inicia con $f(0)=1$$\Delta f(0)=0$, es $$ \a la izquierda( 1, 1, 0, -2, -4, -4, 0, 8, 16, \ldots\right), $$ y el discretos $\sin$, que se inicia con $f(0)=0$$\Delta f(0)=1$, es $$ \a la izquierda(0, 1, 2, 2, 0, -4, -8, -8, 0, \ldots\right). $$ El hecho de que estas creciendo como $2^{n/2}$, en lugar de ser periódico, es una consecuencia de su no-simétrica elección de $\Delta^2$. Si definimos $\Delta^2 f(n)=f(n-1) - 2f(n) + f(n+1)$, dicen, usted encontrará funciones más cerca de lo que podría haber esperado.

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