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数值微分问题,就是已知函数在若干个离散点处的函数值,求函数的近似导数。微分是积分的反问题,看似简单的数学问题,却比积分问题复杂得多。在实际应用中,函数值的测量必定带有误差,如果数据有误差,所得到的导数的误差可以是任意大的。数值微分问题是典型的不适定问题,对于不适定问题必须采取特殊的方法进行处理才能得到合理的结果。
处理数值微分问题已经有了大量的方法:差分和广义差分法,积分算子法,磨光法,以及基于一般正则化理论的方法比如Tikhonov方法。其中Groetsch提出的积分算子法计算简单,可以给出一致的误差估计,而且当函数的光滑性加强时,可以构造类似的积分算子使得误差精度提高。在一些实际应用中,不仅要求一阶数值微分,有时候可能要求二阶甚至更高阶的数值微分。目前在这些方法中,差分方法和基于Tikhonov正贝廿化理论的方法已有对二阶数值微分问题的研究,而积分算子法对于高阶甚至任意阶数值微分问题还鲜见探讨。
本文基于Groetsch的思想方法,提出了可以稳定逼近近似已知函数的二阶导数的积分算子方法,并将其应用到二阶数值微分问题上,给出了相应的误差估计。最后,给出了利用本文的积分算子方法计算二阶数值微分的数值实验,结果表明本文的方法具有简单、稳定和可快速实现的特点。