数值方法
工程数值方法
工程数值方法工程数值方法是一种应用数学的方法，通过数值计算和近似方法来解决工程问题。
它在工程领域中得到广泛应用，包括结构分析、流体力学、电磁场计算等。
工程数值方法的基本思想是将连续的物理问题离散化，转化为离散的代数问题，然后通过数值计算的方式求解。
离散化是将连续的问题转化为离散的网格或节点上的问题，通过在离散点上进行逼近，得到问题的近似解。
在工程数值方法中，最常用的方法之一是有限元方法。
有限元方法将连续域划分为有限数量的单元，通过在每个单元上建立适当的数学模型，得到整个域的近似解。
有限元方法具有广泛的适用性，可以用来解决结构分析、流体力学、热传导等各种工程问题。
另一个常用的工程数值方法是有限差分方法。
有限差分方法将连续域上的函数值用离散的差分逼近，通过差分方程求解得到问题的近似解。
有限差分方法适用于求解偏微分方程，常用于流体力学、电磁场计算等问题。
工程数值方法还包括其他一些方法，如边界元法、谱方法、网格方法等。
这些方法在不同的工程领域中有不同的应用。
例如，边界元法适用于求解边界上的问题，如电场、磁场等；谱方法适用于求解周期性问题，如光学传输、波动现象等。
工程数值方法的优点是可以求解复杂的工程问题，提供近似解的精度和稳定性可控。
然而，工程数值方法也存在一些局限性。
首先，数值计算过程中引入了误差，可能导致结果的不准确性。
其次，离散化过程需要选择适当的网格或节点，不当的选择可能会影响结果的精度和稳定性。
此外，某些问题可能需要大量的计算资源和时间来求解，限制了方法的应用范围。
工程数值方法是一种重要的工程问题求解方法，通过数值计算和近似方法来解决复杂的工程问题。
它在工程领域中发挥着重要的作用，为工程设计和分析提供了有效的工具和手段。
在实际应用中，需要根据具体问题选择合适的数值方法，并注意误差控制和计算效率。
数学中的数值分析
数学中的数值分析数值分析是应用数学的一个分支领域，主要研究如何使用数值方法来解决实际问题。
它涉及到了数学模型的建立、算法的设计和数值计算的实施等方面。
在现代科学和工程领域，数值分析起着至关重要的作用，因为很多现实问题往往很难通过解析方法获得准确的解决方案。
本文将介绍数值分析的基本概念和一些常用的数值方法。
一、数值分析的基本概念数值分析是一门研究如何应用计算机来处理数学问题的学科。
它主要研究以下几个方面：1. 数学模型的建立：数值分析的第一步是要将实际问题抽象为数学模型。
这个模型可以是一个方程、一个函数或者一个算法等。
通过数学模型的建立，我们可以将实际问题转化为一个数学问题。
2. 数值方法的设计：数值分析的核心是设计数值方法来解决数学问题。
数值方法是一种数学算法，它通过一系列数值计算来逼近解析解。
常用的数值方法有插值法、数值积分法、数值微分法等。
3. 数值计算的实施：数值方法实施的关键是要进行数值计算。
数值计算需要使用计算机来进行，它通常涉及到矩阵运算、迭代计算、逼近计算等。
二、常用的数值方法1. 插值法：插值法是一种用于在已知数据点之间估算未知数据点的方法。
常用的插值方法有拉格朗日插值法、牛顿插值法等。
插值法可以在一定误差范围内逼近真实的数据变化情况。
2. 数值积分法：数值积分法是一种通过数值计算来近似计算定积分的方法。
常用的数值积分方法有梯形法、辛普森法、龙贝格积分法等。
数值积分法可以在不求解原始函数的情况下，获得定积分的数值近似结果。
3. 数值微分法：数值微分法是一种通过数值计算来近似计算导数的方法。
常用的数值微分方法有前向差分法、后向差分法、中心差分法等。
数值微分法可以在较小的误差范围内计算函数在某个点的导数。
三、数值分析的应用领域数值分析广泛应用于科学计算、工程分析等领域。
下面将介绍数值分析在几个具体领域中的应用。
1. 物理学：数值分析在物理学中有着广泛的应用，特别是在天体力学、量子力学以及流体力学等方面。
60种数学计算方法
60种数学计算方法标题：60种数学计算方法在数学领域中，计算方法的研究和应用对于问题解决和理论发展具有重要意义。
本文将介绍60种常见的数学计算方法，旨在帮助读者更好地理解和应用数学知识。
一、基本算术计算方法1. 加法：将两个或多个数值相加，求和的结果。
2. 减法：从一个数值中减去另一个数值，得到差。
3. 乘法：将两个或多个数值相乘，得到积。
4. 除法：用一个数值去除另一个数值，得到商。
5. 平方：将一个数值自乘，得到平方值。
6. 开方：对一个数值进行开方运算，得到其平方根。
7. 百分数：将一个数值表示为百分数形式，即乘以100。
8. 混合运算：将多种运算方法结合使用，求得复杂的计算结果。
二、代数计算方法9. 代数式化简：对复杂的代数式进行化简，得到简化的表达形式。
10. 代数方程求解：通过变量的代换和移项操作，求解代数方程的未知数。
11. 代数不等式求解：对代数不等式进行变量的范围判断，解出满足条件的解集。
12. 多项式展开：将一个多项式按照二项式定理展开成简单的项。
13. 因式分解：将一个多项式分解成多个乘积形式。
14. 分式化简：对含有分式的代数式进行化简，得到简化的表达形式。
15. 根式化简：对根式进行化简，得到简化的根式形式。
16. 平方差公式：快速计算两个数的平方差。
17. 二次方程求解：求解二次方程的未知数。
18. 四则运算法则：用于整数和有理数的加减乘除。
三、几何计算方法19. 点与线的位置关系判断：判断一个点与一条直线的位置关系，包括在直线上、在线段上、在线段延长线上或在直线两侧。
20. 直线与平面的位置关系判断：判断一条直线与一个平面的位置关系，包括平面内、平面外或平面相交。
21. 角的类型判断：根据角的度数或特点，判断其类型，包括直角、锐角、钝角、对顶角等。
22. 三角形分类：根据三角形的边长和角度关系，将三角形分为等边三角形、等腰三角形、直角三角形等。
23. 三角形内角和定理：计算三角形内角和的数值。
五种统计学数值方法
五种统计学数值方法统计学是一门研究数据收集、分析和解释的学科。
在统计学中，有许多数值方法可以用来描述和分析数据。
这些方法可以帮助我们更好地理解数据，从而做出更准确的决策。
本文将介绍五种常见的统计学数值方法，包括中心趋势、离散程度、偏态和峰度、相关性和回归分析。
一、中心趋势中心趋势是用来描述数据集中的一组数值。
常见的中心趋势包括平均数、中位数和众数。
1.平均数平均数是指一组数据的总和除以数据的个数。
平均数可以帮助我们了解数据的总体趋势。
例如，如果一组数据的平均数为50，那么我们可以大致认为这组数据的中心趋势在50左右。
2.中位数中位数是指一组数据中间的那个数。
如果一组数据有奇数个数，那么中位数就是这组数据排序后的中间那个数；如果一组数据有偶数个数，那么中位数就是这组数据排序后中间两个数的平均数。
中位数可以帮助我们了解数据的分布情况。
例如，如果一组数据的中位数为50，那么我们可以认为这组数据的一半数值小于50，一半数值大于50。
3.众数众数是指一组数据中出现次数最多的数。
众数可以帮助我们了解数据的集中程度。
例如，如果一组数据的众数为50，那么我们可以认为这组数据中有很多数值都集中在50附近。
二、离散程度离散程度是用来描述数据分散程度的一组数值。
常见的离散程度包括方差、标准差和极差。
1.方差方差是指一组数据与其平均数之差的平方和除以数据的个数。
方差可以帮助我们了解数据的离散程度。
例如，如果一组数据的方差很大，那么这组数据的数值分散程度就很大。
2.标准差标准差是指一组数据与其平均数之差的平方和除以数据的个数再开方。
标准差可以帮助我们了解数据的分布情况。
例如，如果一组数据的标准差很小，那么这组数据的数值分布就比较集中。
3.极差极差是指一组数据中最大值与最小值之差。
极差可以帮助我们了解数据的范围。
例如，如果一组数据的极差很大，那么这组数据的数值范围就很广。
三、偏态和峰度偏态和峰度是用来描述数据分布形态的一组数值。
数值计算方法及算法
h
2
中心差商 f (x h) f (x h) f (x) f ( ) h2
2h
6
插值微分
(x) f (x) K (x)(x x0 )(x xn )
(xi )
f (xi )
f (n1) ( )
(n 1)!
(xi x j )
构造n-1次插值多项式φ1(x)和 φ2(x)，则有
(x)
x xn x0 xn
1(x)
x x0 xn x0
2 ( x)
对n用归纳法。
• f[x0,…,xn]与x0,…,xn的顺序无关。
误差估计：
R(x)
f (x) (x)
f (n1) ( )
(n 1)!
(n 1)!
Hermite插值
给定平面上n+1个插值点(xi,yi,mi), 构造 2n+1次多项式φ(x), 满足φ(xi)=yi, φ’(xi)=mi, i=0,1,…,n.
单项式 基函数
Lagrange 基函数
(x) a0 a1x an1x2n1
1
单项式 插值
(x) a0 a1x an xn，或
(x)
a0
a1
x h
an
(
x h
)n
1 x0 x0n a0 y0
1
1
x1
xn
x1n xn n
a1
an
(x)
(x
x0 )(x
xn )
x
数值计算方法简介
3、常用的数值分析软件
3.1.2 ANSYS软件的优缺点
（1）优点
l）ANSYS是完全的WWS程序，从而使应用更加方便； 2）产品系列由一整套可扩展的、灵活集成的各模块组 成，因而能满足各行各业的工程需要； 3）它不仅可以进行线性分析，还可以进行各类非线性 分析； 4）它是一个综合的多物理场耦合分析软件，用户不但 可用其进行诸如结构、热、流体流动、电磁等的单独研 究，还可以进行这些分析的相互影响研究。
3、常用的数值分析软件
3.1.2 ANSYS软件的优缺点
（2）缺点
l）该软件建模不是太方便； 2）非线性计算能力比较差，收敛速度非常慢； 3）土木材料的本构关系很少； 4）没有undo功能，某地方错了只能从新再来
3、常用的数值分析软件
3.2 ABAQUS
ABAQUS 是一套功能强大的工程模拟的有限元软件， 其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的 非线性问题。 ABAQUS 包括一个丰富的、可模拟任意几 何形状的单元库。并拥有各种类型的材料模型库，可以 模拟典型工程材料的性能，其中包括金属、橡胶、高分 子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材 料以及土壤和岩石等地质材料。作为通用的模拟工具 ， ABAQUS 除了能解决大量结构（应力 / 位移）问题 ，还可以模拟其他工程领域的许多问题，例如热传导、 质量扩散、热电耦合分析、声学分析、岩土力学分析（ 流体渗透 / 应力耦合分析）及压电介质分析。
2、常用的数值计算方法
2.2.2 有限元法的基本计算步骤
（1）问题及求解域定义； （2）求解域离散化； （3）确定状态变量及控制方法； （4）单元推导； （5）总装求解； （6）联立方程组求解和结果解释
2、常用的数值计算方法
数学中的数值模拟方法
数学中的数值模拟方法数学作为一门科学，其应用范围越来越广泛，而数值模拟方法是数学在实际应用中的一个重要组成部分。
数值模拟是利用数学计算机方法，通过对数学模型的数值求解，得到与实际物理过程相对应的数值结果的一种方法。
本文将介绍数学中的数值模拟方法。
一、数值模拟方法的应用数值模拟方法在物理学、化学、生物学、工程学、地球科学等领域均有广泛的应用。
例如，在工程学中，数值模拟可用于模拟过程中的流体力学、热传递、材料力学等。
在物理学中，可用于模拟天体力学中的行星运动、物理量的计算等。
二、有限差分法有限差分法是计算微分方程的一种数值方法。
通过将微分方程中的函数在有限个点上展开，将微分项用差分近似表示，从而将微分方程变为代数方程组。
这种方法可用于求解一维、二维或三维的偏微分方程。
在计算中，有限差分法一般采用迭代方法进行求解。
三、有限元法有限元法主要应用于计算结构力学和固体力学中的问题。
这种方法将结构分解为有限数量的小单元，每个小单元内部的材料和力学特性相同时，对每个小单元进行力学计算，通过将小单元的结果组合成大体系的结果，得到整个结构的受力状态或变形。
四、蒙特卡罗方法蒙特卡罗方法是一种随机数学模拟方法。
它应用随机数的方式解决了一些复杂问题，包括点和粒子运动、概率模型、射线传输等。
利用蒙特卡罗方法，可以在减少计算机运算量的同时，还能得到很好的模拟效果。
五、数值优化方法数值优化方法是一种用于解决优化问题的计算机模拟方法。
在优化问题中，通常需要确定目标函数在一组给定条件下的最大值或最小值。
数值优化方法可以通过迭代计算过程，逐渐接近最优解。
常用的数值优化方法包括模拟退火、遗传算法和粒子群优化等。
六、求解微分方程的方法微分方程是物理学和工程学中常见的数学方法。
可以通过数值模拟方法来求解微分方程。
其中较为常用的有：欧拉法、改进欧拉法、龙格-库塔法、泰勒展开法等。
七、总结数值模拟方法在科学领域中有着广泛的应用。
不同的数值模拟方法适用于不同的问题。
数值计算方法教案
数值计算方法教案第一章：数值计算概述1.1 数值计算的定义与意义介绍数值计算的概念解释数值计算在科学研究与工程应用中的重要性1.2 数值计算方法分类介绍数值逼近、数值积分、数值微分、数值解方程等基本方法分析各种方法的适用范围和特点1.3 误差与稳定性解释误差的概念及来源讨论数值计算中误差的控制与减小方法介绍稳定性的概念及判断方法第二章：插值与逼近2.1 插值法的基本概念介绍插值的概念及意义解释插值函数的性质和条件2.2 常用的插值方法介绍线性插值、二次插值、三次插值等方法分析各种插值方法的优缺点及适用范围2.3 逼近方法介绍切比雪夫逼近、傅里叶逼近等方法解释逼近的基本原理及应用场景第三章：数值积分与数值微分3.1 数值积分的基本概念介绍数值积分的概念及意义解释数值积分的原理和方法3.2 常用的数值积分方法介绍梯形公式、辛普森公式、柯特斯公式等方法分析各种数值积分方法的适用范围和精度3.3 数值微分的基本概念与方法介绍数值微分的概念及意义解释数值微分的原理和方法第四章：线性方程组的数值解法4.1 线性方程组数值解法的基本概念介绍线性方程组数值解法的概念及意义解释线性方程组数值解法的原理和方法4.2 常用的线性方程组数值解法介绍高斯消元法、LU分解法、迭代法等方法分析各种线性方程组数值解法的优缺点及适用范围4.3 稀疏矩阵技术解释稀疏矩阵的概念及意义介绍稀疏矩阵的存储和运算方法第五章：非线性方程和方程组的数值解法5.1 非线性方程数值解法的基本概念介绍非线性方程数值解法的概念及意义解释非线性方程数值解法的原理和方法5.2 常用的非线性方程数值解法介绍迭代法、牛顿法、弦截法等方法分析各种非线性方程数值解法的优缺点及适用范围5.3 非线性方程组数值解法介绍消元法、迭代法等方法讨论非线性方程组数值解法的特点和挑战第六章：常微分方程的数值解法6.1 常微分方程数值解法的基本概念介绍常微分方程数值解法的概念及意义解释常微分方程数值解法的原理和方法6.2 初值问题的数值解法介绍欧拉法、改进的欧拉法、龙格-库塔法等方法分析各种初值问题数值解法的适用范围和精度6.3 边界值问题的数值解法介绍有限差分法、有限元法、谱方法等方法讨论边界值问题数值解法的特点和挑战第七章：偏微分方程的数值解法7.1 偏微分方程数值解法的基本概念介绍偏微分方程数值解法的概念及意义解释偏微分方程数值解法的原理和方法7.2 偏微分方程的有限差分法介绍显式差分法、隐式差分法、交错差分法等方法分析各种有限差分法的适用范围和精度7.3 偏微分方程的有限元法介绍有限元法的原理和步骤讨论有限元法的适用范围和优势第八章：数值模拟与计算可视化8.1 数值模拟的基本概念介绍数值模拟的概念及意义解释数值模拟的原理和方法8.2 计算可视化技术介绍计算可视化的概念及意义解释计算可视化的原理和方法8.3 数值模拟与计算可视化的应用讨论数值模拟与计算可视化在科学研究与工程应用中的重要作用第九章：数值计算软件与应用9.1 数值计算软件的基本概念介绍数值计算软件的概念及意义解释数值计算软件的原理和方法9.2 常用的数值计算软件介绍MATLAB、Mathematica、Python等软件的特点和应用领域9.3 数值计算软件的应用案例分析数值计算软件在科学研究与工程应用中的典型应用案例第十章：数值计算方法的改进与新发展10.1 数值计算方法的改进讨论现有数值计算方法的局限性介绍改进数值计算方法的研究现状和发展趋势10.2 新的数值计算方法介绍近年来发展起来的新型数值计算方法分析新型数值计算方法的优势和应用前景10.3 数值计算方法的未来发展探讨数值计算方法在未来可能的发展方向和挑战重点和难点解析一、数值计算概述难点解析：对数值计算概念的理解，误差来源及控制方法的掌握。
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中国科学院研究生院
2009年招收攻读博士学位研究生入学统一考试试卷
科目名称：数值方法
考生须知：
1．本试卷满分为100分，全部考试时间总计180分钟。
2．所有答案必须写在答卷纸上，写在本试卷纸或草稿纸上一律无效。
3．可以使用无字典存储、编程和查询功能的电子计算器。
一、名词解释。
（20分）
1. 相对误差
2. 插值
3. 一阶差商
4. 选主元
二、请判断下述各说法是否正确，并说明你的理由。
（15分）
1. 采用计算机进行数值计算，其结果一定是准确无误的。
2. 在进行多个（至少3个）不同的浮点数相加时，应该考虑它们相加的次序。
3. 使用拉格朗日插值时，阶数越高越好。
三、什么是截断误差？什么是舍入误差？请分别举例说明。
（10分）
四、请问求非线性方程数值解时使用的牛顿法的几何意义是什么？并请画图说明。
（10分）
五、请说明欧拉法求解常微分方程初值问题数值解的基本思想。
（15分）
六、下表为实验测得的一组数据共8组，请用最小二乘线性拟合得到x和y之间的关系函数，并写出求解的详细步骤。
（15分）
实验序号x y 实验序号x y
1 1.40 1.70 5 1.80 2.03
2 1.50 1.79 6 1.90 2.10
3 1.60 1.88 7 2.00 2.16
4 1.70 1.9
5 8 2.10 2.21
七、请推导定步长抛物积分的求积公式。
（15分）
试题名称：数值方法共 1 页第 1 页。