形式陈述
对序列或函数定义平移 和前向差分 ,即 。重复作用 次记为 。在特征零系数域中,
对次数不超过 的多项式 ,Newton 前向展开是有限恒等式
该二项式基理路升降阶乘与 Stirling 换基Falling factorial basis · Rising factorial · Stirling inversion在特征零多项式中建立普通幂、下降阶乘、上升阶乘三组坐标,以计数和三角性证明两类Stirling互逆。满足 (),常数的差分为零。因此 次数为 时 恰为 次,最高系数乘 。
若 是任意序列函数,则它在全部整数上等于某个次数至多 的多项式,当且仅当 对每个 成立。这里只判断整数格上的值,不宣称任意实变量函数由整数样本唯一决定。
直觉
导数比较无限靠近的值;这里固定向前一步,比较的是精确差值。对普通幂, 有许多低阶项;对阶乘多项式,减法恰把整组因子降一阶。因此离散积分选择阶乘基,正如普通积分选择幂基。
由 与 交换,二项式展开理路二项式定理Binomial theorem(x+y)^n 按二项式系数展开为各次幂项之和。直接给 ,从而得到显式差分公式。再由 Pascal 恒等式的多项式版本证明 。若 ,差分 次后令 ,只有 的项留下,因为 (),所以 。
次数判据的逆向也不能略掉。以 作差分表构造上面的多项式 ,它在这 个整数上等于 :从样本 到左端差分的变换是对角元为一的三角变换,而构造的 具有同一组左端差分,所以样本也必相同。条件 是一个长度 的线性递推,最前和最后项的系数都为 。所以这 个初值既唯一确定向右所有值,也唯一确定向左所有值。 满足同一递推,故与 在全部整数上一致。
例子与边界
取 ,在 上依次作相邻差,得到
每行最左值是 Newton 系数,所以
除回 后得到下降阶乘系数 ,独立吻合 。
要求 ,只需把每个二项式下标升一:
因为 ,逐项求和后中间项望远镜抵消, 的端点全为零。 时右侧为 ,左侧 也为 。这个表达无需先记忆展开后的五次幂和公式。
有限样本不能自动证明全局次数。例如函数 在前五个节点与 一样,离开节点后可不同。另如 在所有整数上为零,却不是实变量上的零函数。差分表上的“观察到零”只有在给定次数界或已证明全格递推后才是完整证书。
在特征 中, 是非零多项式,但 ;所以“每次恰降一次数”依赖特征零。等距网格 且 可改用 ;对现有差商与 Newton 插值理路差商与 Newton 插值形式Divided differences · Newton interpolation用递归差商构造可增量扩展的 Newton 插值表示,并以嵌套乘法在线性时间求值。,等距时精确有 ,其中 。由差商递推归纳:相邻两项 阶差商相减贡献 ,再除最外节点差 即得。非等距节点没有这个共同分母,不能直接套同一差分表。
推论与应用
离散原函数总能在多项式中构造:若 ,则 满足 ,任意两个多项式原函数只差常数。若扩大到实变量任意函数,差为一周期函数也可能具有零差分,唯一性边界随函数空间改变。
乘积法则也保留了平移:
逐项求和可得离散分部求和。漏掉 的平移会留下一个额外 项。这里研究精确离散代数;数值微分 stencil理路有限差分公式Finite-difference formulas · Finite-difference stencil用邻近节点的函数值近似导数,并以矩条件推导差分权重、截断阶和边界公式。则把差商作为导数近似,还须分析步长、光滑性和舍入误差。
整值多项式理路整值多项式与二项式基Integer-valued polynomial · Binomial polynomial basis用有限差分证明有理多项式在所有整数上取整数的判据,并区分整值与整系数、有限样本与次数证书。进一步把 Newton 系数的整数性转成“所有整数输入都给整数”的有限证书。
参考资料