本書主要關注對偏微分方程解的有限差分逼近。然而,透過有限差分研究一些一維問題本身就很有用,並且具有指導意義。
考慮以下簡單的解題問題:
在 
滿足邊界條件
.
以下推導的不等式促使我們分析涉及拉普拉斯運算元的高維問題。
利用不等式()得到
並使用該方程和柯西-施瓦茨不等式
.
因此
.
以及
.
現在,考慮當
解決近似問題
在 
滿足邊界條件
, 其中
接近
.
由於
,
.
上述不等式將被推廣到離散和更高維度的模擬。這將使我們能夠分析多種型別的方程的有限差分方法的精度。
另一個需要說明的是,如果非零邊界條件
,
是需要的,那麼
將解決新問題。因此,在大多數情況下,假設零邊界條件不會損失一般性。在更高維的情況下,這將把問題分成兩個部分。
回到()上一節要解決的問題。
在 
滿足邊界條件
.
這個問題可能比有限差分法更適合用其他方法解決。例如,
令
,並應用規則(),
因此
.
那麼
是該問題的解。
然而,作為一個開始,它將說明有限差分方法,而不會太難理解。另一方面,偏微分方程可能難以用直接的解析方法求解。
從給定區間的劃分開始
.
為了簡單起見,假設均勻網格
.
也就是說,
對於
.
對於開始,我們用二階精確差分運算元來近似二階導數
.
定義
. 將會證明存在唯一的
使得 
能夠解以下方程
對於
.
此外,最重要的是,
近似
按照以下意義
對於某個邊界
獨立於
.
在這一點上,我們需要澄清一些內容並引入一些符號。術語有限差分運算元用於兩種不同的但相關的運算元。一個是應用於函式
的差商,即
而另一個是線性運算元
應用於向量
.
符號
將用於區分兩者。方程()可以寫成
.
線性運算元
由以下定義
.
那麼
可以被認為是
.
這種線性運算元的表示方式不同於通常使用的矩陣表示法。這種表示方法的優勢在於它允許將估計更輕鬆地推廣到更高階運算元和二維或三維域。
事實上,這種線性運算元已經得到了充分的研究,並具有矩陣表示形式
,
當應用於向量
時。
該矩陣的特徵值、特徵向量和逆矩陣是已知的,可以在一些參考資料中找到。如果僅僅是為了這個介紹性示例的緣故,矩陣的細節將用於分析。正如所指出的,正在開發一種可以推廣到更高階運算元和域的分析方法。
最後,方程()可以寫成
,
其中向量
。
最後一點記號,對於向量
,
的
的內部點, 表示為
, 是
維向量
.
換句話說,將證明存在唯一
其中 
求解方程()
,
此外,最重要的是,
近似
按照以下意義
其中邊界
與
無關,並且
的一個很好的估計是
其中
,
,
並且
.
本節的剩餘部分是對上述斷言()的證明。
證明透過首先證明運算子
是正定的。
特別是對於 
.
為了證明上面所說的
.
重新排列 分部求和 ()
作為
現在,令
得到
設定
當
.
設定
以及
當
.
由於
, 該恆等式變為
,
進而得到
.
這證明了等式
.
利用 **()**
如果
那麼
以及
.
我們有以下結論
,
其中
.
這完成了對斷言()的證明。
由於該運算元是線性且正定的,
, ()的解存在且唯一。
接下來要觀察的是
.
並將此與() 結合,