数值分析参考答案(第四章)
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13.用三点公式和积分公式求 在 ，和1.2处的导数值，并估计误差。 的值由下表给出：
x
1.0 1.1 1.2
F(x)
0.2500 0.2268 0.2066
解：
由带余项的三点求导公式可知
又
又
又
故误差分别为
利用数值积分求导，
设
由梯形求积公式得
从而有
故
又
且
从而有
故
即
解方程组可得
令 ，则
故此时，
因此，
具有3次代数精度。
2.分别用梯形公式和辛普森公式计算下列积分：
解：
复化梯形公式为
复化辛普森公式为
复化梯形公式为
复化辛普森公式为
复化梯形公式为
复化辛普森公式为
复化梯形公式为
复化辛普森公式为
3。直接验证柯特斯教材公式（2。4）具有5交代数精度。
证明：
柯特斯公式为
令 ，则
令 ，则
令 ，则
10地球卫星轨道是一个椭圆，椭圆周长的计算公式是
这是 是椭圆的半径轴，c是地球中心与轨道中心（椭圆中心）的距离，记h为近地点距离，H为远地点距离，R=6371（km）为地球半径，则
我国第一颗地球卫星近地点距离h=439(km)，远地点距离H=2384(km）。试求卫星轨道的周长。
解：
从而有。
0
1.564640
0.7132717
因此
0
3.451313
1
8.628283
-4.446923
因此
0
14.2302495
1
11.1713699
10.1517434
2
10.4437969
10.2012725
10.2045744
3
10.2663672
10.2072240
10.2076207
10.2076691
4
10.2222702
1
1.564646
1.564648
2
1.564646
1.564646
1.564646
即人造卫星轨道的周长为48708km
11。证明等式
试依据 的值，用外推算法求 的近似值。
解
若
又
此函数的泰勒展式为
当 时,
当 时,
当 时,
由外推法可得
n
3
2.598076
6
3.000000
3.133975
9
3.105829
从而解得
令 ，则
故 成立。
令 ，则
故此时，
故
具有3次代数精度。
（2）若
令 ，则
令 ，则
令 ，则
从而解得
令 ，则
故 成立。
令 ，则
故此时，
因此，
具有3次代数精度。
（3）若
令 ，则
令 ，则
令 ，则
从而解得
或
令 ，则
故 不成立。
因此，原求积公式具有2次代数精度。
（4）若
令 ，则
令 ，则
令 ，则
故有
令 ，则
又 且
又
即计算值比准确值大。
其几何意义为， 为下凸函数，梯形面积大于曲边梯形面积。
8。用龙贝格求积方法计算下列积分，使误差不超过 .
解：
0
0.7717433
1
0.7280699
0.7135121
2
0.7169828
0.7132870
0.7132720
3
0.7142002
0.7132726
0.7132717
第四章数值积分与数值微分
1.确定下列求积公式中的特定参数，使其代数精度尽量高，并指明所构造出的求积公式所具有的代数精度：
解：
求解求积公式的代数精度时，应根据代数精度的定义，即求积公式对于次数不超过m的多项式均能准确地成立，但对于m+1次多项式就不准确成立，进行验证性求解。
（1）若
令 ，则
令 ，则
令 ，则
3.141105
3.141580
故
12。用下列方法计算积分 ，并比较结果。
(1)龙贝格方法；
(2)三点及五点高斯公式；
(3)将积分区间分为四等分，用复化两点高斯公式。
解
(1)采用龙贝格方法可得
k
0
1.333333
1
1.166667
1.099259
2
1.116667
1.100000
1.099259
3
1.103211
10.2075712
10.2075943
10.2075939
10.2075936
5
10.2112607
10.2075909
10.2075922
10.2075922
10.2075922
10.2075922
因此
9。用 的高斯-勒让德公式计算积分
解：
令 ，则
用 的高斯—勒让德公式计算积分
用 的高斯—勒让德公式计算积分
解：
采用复化梯形公式时，余项为
又
故
若 ，则
当对区间 进行等分时，
故有
因此，将区间213等分时可以满足误差要求
采用复化辛普森公式时，余项为
又
若 ，则
当对区间 进行等分时
故有
因此，将区间8等分时可以满足误差要求。
7。如果 ，证明用梯形公式计算积分 所得结果比准确值 大，并说明其几何意义。
解：采用梯形公式计算积分时，余项为
1.098726
1.098641
1.098613
4
1.099768
1.098620
1.098613
1.098613
1.098613
故有
(2)采用高斯公式时
此时
令 则
利用Βιβλιοθήκη Baidu点高斯公式，则
利用五点高斯公式，则
(3)采用复化两点高斯公式
将区间 四等分，得
作变换 ，则
作变换 ，则
作变换 ，则
作变换 ，则
因此，有
令 ，则
令 ，则
令 ，则
令 ，则
因此，该柯特斯公式具有5次代数精度。
4。用辛普森公式求积分 并估计误差。
解：
辛普森公式为
此时，
从而有
误差为
5。推导下列三种矩形求积公式：
证明：
两边同时在 上积分，得
即
两边同时在 上积分，得
即
两连边同时在 上积分，得
即
6。若用复化梯形公式计算积分 ，问区间 应人多少等分才能使截断误差不超过 ？若改用复化辛普森公式，要达到同样精度区间 应分多少等分？
x
1.0 1.1 1.2
F(x)
0.2500 0.2268 0.2066
解：
由带余项的三点求导公式可知
又
又
又
故误差分别为
利用数值积分求导，
设
由梯形求积公式得
从而有
故
又
且
从而有
故
即
解方程组可得
令 ，则
故此时，
因此，
具有3次代数精度。
2.分别用梯形公式和辛普森公式计算下列积分：
解：
复化梯形公式为
复化辛普森公式为
复化梯形公式为
复化辛普森公式为
复化梯形公式为
复化辛普森公式为
复化梯形公式为
复化辛普森公式为
3。直接验证柯特斯教材公式（2。4）具有5交代数精度。
证明：
柯特斯公式为
令 ，则
令 ，则
令 ，则
10地球卫星轨道是一个椭圆，椭圆周长的计算公式是
这是 是椭圆的半径轴，c是地球中心与轨道中心（椭圆中心）的距离，记h为近地点距离，H为远地点距离，R=6371（km）为地球半径，则
我国第一颗地球卫星近地点距离h=439(km)，远地点距离H=2384(km）。试求卫星轨道的周长。
解：
从而有。
0
1.564640
0.7132717
因此
0
3.451313
1
8.628283
-4.446923
因此
0
14.2302495
1
11.1713699
10.1517434
2
10.4437969
10.2012725
10.2045744
3
10.2663672
10.2072240
10.2076207
10.2076691
4
10.2222702
1
1.564646
1.564648
2
1.564646
1.564646
1.564646
即人造卫星轨道的周长为48708km
11。证明等式
试依据 的值，用外推算法求 的近似值。
解
若
又
此函数的泰勒展式为
当 时,
当 时,
当 时,
由外推法可得
n
3
2.598076
6
3.000000
3.133975
9
3.105829
从而解得
令 ，则
故 成立。
令 ，则
故此时，
故
具有3次代数精度。
（2）若
令 ，则
令 ，则
令 ，则
从而解得
令 ，则
故 成立。
令 ，则
故此时，
因此，
具有3次代数精度。
（3）若
令 ，则
令 ，则
令 ，则
从而解得
或
令 ，则
故 不成立。
因此，原求积公式具有2次代数精度。
（4）若
令 ，则
令 ，则
令 ，则
故有
令 ，则
又 且
又
即计算值比准确值大。
其几何意义为， 为下凸函数，梯形面积大于曲边梯形面积。
8。用龙贝格求积方法计算下列积分，使误差不超过 .
解：
0
0.7717433
1
0.7280699
0.7135121
2
0.7169828
0.7132870
0.7132720
3
0.7142002
0.7132726
0.7132717
第四章数值积分与数值微分
1.确定下列求积公式中的特定参数，使其代数精度尽量高，并指明所构造出的求积公式所具有的代数精度：
解：
求解求积公式的代数精度时，应根据代数精度的定义，即求积公式对于次数不超过m的多项式均能准确地成立，但对于m+1次多项式就不准确成立，进行验证性求解。
（1）若
令 ，则
令 ，则
令 ，则
3.141105
3.141580
故
12。用下列方法计算积分 ，并比较结果。
(1)龙贝格方法；
(2)三点及五点高斯公式；
(3)将积分区间分为四等分，用复化两点高斯公式。
解
(1)采用龙贝格方法可得
k
0
1.333333
1
1.166667
1.099259
2
1.116667
1.100000
1.099259
3
1.103211
10.2075712
10.2075943
10.2075939
10.2075936
5
10.2112607
10.2075909
10.2075922
10.2075922
10.2075922
10.2075922
因此
9。用 的高斯-勒让德公式计算积分
解：
令 ，则
用 的高斯—勒让德公式计算积分
用 的高斯—勒让德公式计算积分
解：
采用复化梯形公式时，余项为
又
故
若 ，则
当对区间 进行等分时，
故有
因此，将区间213等分时可以满足误差要求
采用复化辛普森公式时，余项为
又
若 ，则
当对区间 进行等分时
故有
因此，将区间8等分时可以满足误差要求。
7。如果 ，证明用梯形公式计算积分 所得结果比准确值 大，并说明其几何意义。
解：采用梯形公式计算积分时，余项为
1.098726
1.098641
1.098613
4
1.099768
1.098620
1.098613
1.098613
1.098613
故有
(2)采用高斯公式时
此时
令 则
利用Βιβλιοθήκη Baidu点高斯公式，则
利用五点高斯公式，则
(3)采用复化两点高斯公式
将区间 四等分，得
作变换 ，则
作变换 ，则
作变换 ，则
作变换 ，则
因此，有
令 ，则
令 ，则
令 ，则
令 ，则
因此，该柯特斯公式具有5次代数精度。
4。用辛普森公式求积分 并估计误差。
解：
辛普森公式为
此时，
从而有
误差为
5。推导下列三种矩形求积公式：
证明：
两边同时在 上积分，得
即
两边同时在 上积分，得
即
两连边同时在 上积分，得
即
6。若用复化梯形公式计算积分 ，问区间 应人多少等分才能使截断误差不超过 ？若改用复化辛普森公式，要达到同样精度区间 应分多少等分？