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前向差分法

前向差分法是一種數學概念,主要用於微分方程的數值解法和數值分析領域。其基本定義是一階前向差分:△f(k)=f(k+1)-f(k),其中△稱為差分運算元

前向差分法的基本思想是採用如下公式來近似微分:x˙=x(k+1)−x(k)T,其中T為採樣周期。對於線性連續系統:x˙=Ax+Buy=Cx+Du,離散化後的狀態空間方程為:x(k+1)=Φx(k)+Gu(k)y(k)=Hx(k)+Ju(k),其中Φ=I+TA;G=TB;H=C;J=D。

此外,前向差分也可以通過泰勒展開來理解。由泰勒展開可以推出f'(x),而右邊第一項是前向差分,其他項的和是函式f'(x)與前向差分的誤差,用o(x)表示。因為誤差項為o(x),o(x)主要項為Δx/2。而Δx為一階,所以前向差分為一階精度。