5 Differentiation

5.6 Numerische Differentiation

In manchen Fällen kann oder will man die Ableitung einer Funktion nicht analytisch nach den Regeln des letzten Abschnitts berechnen, z.B. wenn man noch keine analytische Form für den Graph einer Funktion gefunden hat. Dann ist man auf die numerische Differentiation angewiesen.

Unsere Definitionsgleichung des Differentialquotienten aus Abschnitt 5.2:

math formula


kann auch für die numerische Berechnung der Ableitung verwendet werden. Zum Punkt math formula sucht man dabei die Nachbarpunkte math formula , berechnet jeweils den Differenzenquotienten und läßt math formula gegen math formula gehen.

Da aber alle Computerzahlen nur mit einer bestimmten Genauigkeit (z.B. mit 8 Stellen) gespeichert werden, treten bei den Differenzen math formula Rundungsfehler auf, die zwar absolut immer gleich groß bleiben, aber relativ zum Wert der Differenz immer größer werden, so dass der Differenzenquotient mit kleiner werdendem math formula immer genauer math formula approximiert, aber dann wegen der numerischen Rundungsfehler mit noch kleiner werdendem math formula größer wird. Es muß also ein Kompromiß gefunden werden. Eine bessere Approximation findet man, wenn man eine symmetrische Form der Definition wählt:

math formula


Mit Hilfe der Taylor-Entwicklung, die wir im nächsten Kapitel behandelten werden, kann man zeigen, dass der Fehler durch die Symmetrisierung von math formula auf die Größenordnung von math formula reduziert wird, also quadratisch mit math formula kleiner wird.