接下来我们讨论二次函数f(x) =x2,看看它的微分和差分是否相同。
不具体说明的话,就不能把自己想表达的意思传达给别人。我们不考虑抽象的f(x),先考虑具体的函数。
如何来定义E(0) 的值呢?因为 e0 = 1,与其相对应的E(0) 也应该为 1。综上所述,指数函数 ex所对应的函数E(x) 就可以被定义为以下形式。
由此,我们就能得出以下对应关系。
刚才我们就与微分运算符号 d 相对应的差分运算符号 △ 进行了定义。接着,我们又充分利用微分和差分之间的对应关系,定义了与幂xn相对应的下降阶乘幂。
解答 6-2 (离散函数世界中的x2)
我给你举例看看。
“啊?你知道?”这下轮到我吃惊了。
◎ ◎ ◎
“米尔嘉,那个,上次坐在我旁边的那个女生……”我说。
现在,我们再来讨论一下关于指数函数 ex的问题,也就是讨论一下离散函数世界中的指数函数。
根据差分运算符号 △ 的定义,我们可以将公式左边展开。
问题 6-3
定义与连续函数中指数函数 ex相对应的离散函数世界中的函数。
“你上次说过。”她的头抬都没抬。
米尔嘉抬起头,朝我看看。她的脸上闪过一丝惊诧的表情,又立刻将视线转移到了数学公式上。
那么,接下来我们来思考一下三次函数f(x) =x3。
写成一般形式是这样的。
首先我们先来看微分。
指数函数 ex在连续函数的世界中有怎么样的性质呢?
如果使用下降阶乘幂来表示的话,我们就能让微分和差分一一对应了。
我无语。
也就是说,我们得到了下面的公式。
解答 6-3 (指数函数)
因此,离散函数世界中的指数函数就是 2 的幂次方。
“这我也知道。”她说。
到此为止,我们讨论的是连续函数世界中有关指数函数的问题。
下降阶乘幂的定义(n为正整数)
我们来计算一下f(x) = (x0 0)(x0 1) 的差分。
我们先来看微分。
◎ ◎ ◎
也就是说,连续函数x2 和离散函数世界中的 (x- 0)(x- 1) 可以互相对应。
你看,这下差分和微分的结果是相同的了。
“那个女孩是我初中时的学妹。所以……”我解释道。
我们将xn重新考虑成下降阶乘幂的形式。可以得到这样一个对应关系。
指数函数 ex最重要的一条性质是“进行微分运算后所得的式子仍然不变”。也就是说,将 ex进行微分运算,所求得的函数就是 ex本身。也对,e 这个常数就是这样定义的,所以对 ex进行微分运算,所求得的函数仍旧是 ex本身,得到这样的答案也是理所当然的。
接下来,我们要讨论离散函数世界中的问题。我们把接下来要求的离散函数世界中的指数函数称为E(x)。这样E(x) 也有“即使将它进行差分运算,所得的结果仍旧是它本身”这样一个性质。这个性质如果用差分的运算符号 △ 来表示的话,就可以表示成以下形式,即差分方程。
“怎么做呢?”米尔嘉问我。我思考着将微分与差分对应起来的方法,但是,脑海中还是空白一片。当米尔嘉确定从我这里得不到任何答案时,她自己开始说解答方法。她的声音听上去很温柔。
问题 6-2
定义与连续函数x2 相对应的离散函数世界中的函数。
米尔嘉看上去很开心。我不知不觉地被她的话所吸引,被她带到了另一个世界。
在离散函数世界里,与x3 相对应的下降阶乘幂为。下面我们来算算x3 的差分。
比如说,我们来比较一下一次函数f(x) =x的微分与差分的区别。
啊,对了,我还是得事先说明一下泰朵拉的那件事情。
x2 的微分是 2x,而差分却是 2x+ 1。这样一来,微分和差分就和刚才的情况不同,它们的结果不同。真是无聊啊,我们还得再想其他更好的办法。怎么做呢?
这里所用的下降阶乘幂可以定义为以下形式。
如果写成以下这种比较冗长的形式,它们之间的对应关系就更显而易见了。
“对 ex进行微分运算,所求得的函数仍旧是 ex本身”这个性质如果用微分运算符号 d 来表示的话,就可以表示成以下的微分方程式。
微分和差分的答案都为 1,由此可以得出结论:函数f(x) =x的微分和差分是相同的。
“所以我有时教她数学。”我继续说。
然后我们再来看差分。
当x为大于等于 0 的整数时,这个推导公式成立,这就是函数E(x) 的性质。当等式右侧括号内每次递减 1 时,将右侧的式子每步都乘以 2,可以使原式不变。这样一来我们就很容易求得推导公式的答案了。
“不具体说明的话,就不能把自己想表达的意思传达给别人。”她边说边转了转自动铅笔。
然后我们再来看差分。
将这个式子整理后可求得以下推导公式。
其实呢,原本离散函数世界中几乎就没有与连续函数x2 相对应的函数,所以我们不考虑x2,来考虑一下离散函数世界中的其他函数。
正如其表达式所显示的那样,指数函数 ex是一个底数为常数 e,指数为x的函数。常数 e 就是自然对数的底数,是一个无理数,它的值为 2.718281828 ... ,这是一个非常重要的知识点。现在我们从另一个视角来观察这个指数函数。
“我知道。”她说。
首先我们先来看一下微分。