清华大学高等数值分析-第三次作业第八题复习过程
数值分析第三版习题答案
数值分析第三版习题答案
《数值分析第三版习题答案》
数值分析是一门研究利用数学方法和计算机技术解决实际问题的学科。
《数值分析第三版习题答案》是一本重要的教材，它包含了大量的习题和答案，帮助学
生更好地理解和掌握数值分析的知识。
在这本教材中，学生将会学习到一些重要的数值分析方法，比如插值法、数值
积分、常微分方程数值解法等。
这些方法在工程、物理、经济等领域都有着广
泛的应用，因此掌握这些方法对于学生来说非常重要。
《数值分析第三版习题答案》不仅提供了习题的答案，还对每个答案进行了详
细的解释，帮助学生更好地理解每个问题的解决方法。
通过练习这些习题，学
生可以提高他们的数值分析能力，为将来的工作和研究打下坚实的基础。
除了学生，这本教材也对教师和研究人员有着重要的意义。
教师可以通过这本
教材中的习题和答案来设计课程和考试，帮助学生更好地掌握数值分析的知识。
研究人员则可以通过这本教材中的方法和技巧来解决实际问题，推动学科的发展。
总之，《数值分析第三版习题答案》是一本非常重要的教材，它对于学生、教师和研究人员都有着重要的意义。
希望更多的人能够通过这本教材来学习和掌握
数值分析的知识，为推动科学技术的发展做出更大的贡献。
清华大学高等数值分析 第三次作业第八题
第三次作业第八题取b=(1,1,1,...1)T ,x0=0，停机准则为10-6。
1）当取A 1=(a ij )=1/(i+j-1)时，取阶数n=50，m=20时，得到收敛曲线如下0246810121416182010-1010-810-610-410-210GMRES 算法的||r k ||收敛曲线（所有步数） (A=A 1 阶数n=50, m=20)迭代次数||r k ||/||b ||结果表明，重启的GMRES 算法没有重启就得到了非常精确的结果。
这是由于该矩阵在n 较小时的数值正定特性有关。
取n=500 m=20计算结果如下，该图为重启次数与残差之间的关系曲线010203040506070809010010-610-510-4GMRES 算法的||r k ||收敛曲线 (A=A 1 阶数n=500, m=20)重启次数||r k ||/||b ||可以看出，该方法重启100步都无法收敛到10-6。
提高m 的值为m=100，计算如下010203040506070809010010-1010-810-610-410-210迭代次数||r k ||/||b ||从结果中可以看出，第一次计算（未重启）就得到了精确的结果。
该方法是数值qi 下面将阶数增为1000，m=20计算如下010203040506070809010010-710-610-510-410-3GMRES 算法的||r k ||收敛曲线 (A=A 1 阶数n=1000, m=20)重启次数||r k ||/||b ||图中可以看出，重启的GMRES 已经无法收敛，并且残差下降非常慢，没有再进行计算的必要。
将m 增为100，结果依然如前面，在一次重启就解出了结果。
010203040506070809010010-1010-810-610-410-210迭代次数||r k ||/||b ||2）当取A=A 2◆ 当n=100时，对该矩阵使用GMRES 方法，迭代20步即得到结果。
BUAA数值分析大作业三
北京航空航天大学2020届研究生《数值分析》实验作业第九题院系：xx学院学号：姓名：2020年11月Q9:方程组A.4一、 算法设计方案（一）总体思路1.题目要求∑∑===k i kj s r rsy x cy x p 00),(对f(x, y) 进行拟合，可选用乘积型最小二乘拟合。
),(i i y x 与),(i i y x f 的数表由方程组与表A-1得到。
2.),(**j i y x f 与1使用相同方法求得，),(**j i y x p 由计算得出的p(x,y)直接带入),(**j i y x 求得。
1. ),(i i y x 与),(i i y x f 的数表的获得对区域D ={ （x,y)|1≤x ≤1.24,1.0≤y ≤1.16}上的f (x , y )值可通过xi=1+0.008i ，yj=1+0.008j ，得到),(i i y x 共31×21组。
将每组带入A4方程组，即可获得五个二元函数组，通过简单牛顿迭代法求解这五个二元数组可获得z1~z5有关x,y 的表达式。
再将),(i i y x 分别带入z1~z5表达式即可获得f(x,y)值。
2.乘积型最小二乘曲面拟合2.1使用乘积型最小二乘拟合，根据k 值不用，有基函数矩阵如下：⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=k i i k x x x x B 0000 ， ⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=k j jk y y y y G 0000数表矩阵如下：⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛=),(),(),(),(0000j i i j y x f y x f y x f y x f U记C=[rs c ]，则系数rs c 的表达式矩阵为：11-)(-=G G UG B B B C T TT ）（通过求解如下线性方程，即可得到系数矩阵C 。
UG B G G C B B T T T =)()(2.2计算),(),,(****j i j i y x p y x f (i =1,2,…,31 ; j =1,2,…,21) 的值),(**j i y x f 的计算与),(j i y x f 相同。
清华大学数值分析A往年试题回顾
5 道大题，若干小题，卷面成绩满分70
1.(1)求f(x)=sqrt(1-x A2)在span{1,x,xA2}上，权函数为rou=1/sqrt(1-x A2)的最佳平方逼近多项式
⑵求证高斯型求积公式中的A(k)满足A(k)= / p(x)l(x)dx= / p(x)lA其(X)dXk)为Lagrange多项
式
2.(1)Ax=b中A非奇异，则用J法、GS法、SOR法、SSOR法求解等价方程ATAx=ATb各种方法的收敛性怎样？(其中0<w<2)
(2)A严格对角占优，求证其有唯一的LU分解，对称矩阵[3 1 0;1 3 1;0 1 3]求其cholysky分解
3.(1)写出用Lanczos方法计算某矩阵第一列的a和B
⑵已知矩阵[3 0 0;0 3 2;0 2 3]，求其QR分解，计算一步H'=RQ
4(1)f(x)=[x2A2-x1A2-x1 其精确解为x*=[0 0 0],写出牛顿法的计算公式sin(x1A2)-x2];
(2)已知G(x)=[x2A2-x1A2 sin(x1A2)];
给出区域D 使得在此区域内的初始值可以收敛到精确解，并说明原因
5.(1)线性2 步法-0.5y(n)-0.5y(n+1)+y(n+2)=h/2*(f(n)+f(n+1)+f(n+2))，计算其局部阶段误差的阶数若h=0.1,判断其稳定性
⑵已知R(z)的稳定函数是exp(z)的pade(1,2)逼近多项式，计算其稳定域，是否是A-稳定？(pade 逼近的计算公式卷子上给了)。
数值分析第三次作业解答
数值分析第三次作业解答思考题：1：（a ）对给定的连续函数，构造等距节点上的Lagrange 插值多项式，节点数目越多，得到的插值多项式越接近被逼近的函数。
×;(b) 对给定的连续函数，构造其三次样条函数插值，则节点数目越多，得到的样条函数越接近被逼近的函数。
√(c) 高次的Lagrange 插值多项式很常用。
×(d) 样条函数插值具有比较好的数值稳定性。
√3． 以0.1,0.15,0.2为插值节点，计算()f x = Lagrange 插值多项式 2()P x ， 比较2(0)P 和(0)f ，问定理4.1的结果是否适用本问题？ 解： 构造插值多项式：0122022(0.15)(0.2)()0.050.1(0.1)(0.2)()0.050.05(0.1)(0.15)()0.10.05()()()()(0)0;(0)0.1403x x l x x x l x x x l x P x x x x f P --=⨯--=⨯--=⨯=++==在（0，2）区间，5''''''23()(0.2)118.585458f x x f -=≤=从而，对任意的 '''3()(0,0.2),(0)0.05933!f ξξω∈≤ 不存在'''32()(0,0.2),(0)(0)(0)0.14033!f f P ξξω∈=-=。
演示程序：x=0:0.01:0.2; y=x.^(1/2);plot(x,y,'r')pause,hold onx0=[0.1,0.15 ,0.2]; y0=x0.^(1/2); x=0:0.01:0.2; y1=lagrangen(x0,y0,x); plot(x,y1,'b')5：（a ）求()f x x =在节点123452,0.5,0, 1.5,2x x x x x =-=-=== 的三次样条插值（150M M ==）。
清华大学高等数值分析实验设计及答案
高等数值分析实验一工物研13 成彬彬2004310559一．用CG，Lanczos和MINRES方法求解大型稀疏对称正定矩阵Ax=b作实验中，A是利用A= sprandsym(S,[],rc,3)随机生成的一个对称正定阵，S是1043阶的一个稀疏阵A= sprandsym(S,[],0.01,3);检验所生成的矩阵A的特征如下：rank(A-A')=0 %即A=A’，A是对称的；rank(A)=1043 %A满秩cond(A)= 28.5908 %A是一个“好”阵1．CG方法利用CG方法解上面的线性方程组[x,flag,relres,iter,resvec] = pcg(A,b,1e-6,1043);结果如下：Iter=35，表示在35步时已经收敛到接近真实xrelres= norm(b-A*x)/norm(b)= 5.8907e-007为最终相对残差绘出A的特征值分布图和收敛曲线：S=svd(A); %绘制特征值分布subplot(211)plot(S);title('Distribution of A''s singular values');;xlabel('n')ylabel('singular values')subplot(212); %绘制收敛曲线semilogy(0:iter,resvec/norm(b),'-o');title('Convergence curve');xlabel('iteration number');ylabel('relative residual');得到如下图象：为了观察CG方法的收敛速度和A的特征值分布的关系，需要改变A的特征值：(1).研究A的最大最小特征值的变化对收敛速度的影响在A的构造过程中，通过改变A= sprandsym(S,[],rc,3)中的参数rc(1/rc为A的条件数)，可以达到改变A的特征值分布的目的：通过改变rc=0.1，0.0001得到如下两幅图以上三种情况下，由收敛定理2.2.2计算得到的至多叠代次数分别为：48，14和486，由于上实验结果可以看出实际叠代次数都比上限值要小较多。
数值分析(课后习题答案详解).ppt
x x 41 2 0 . 25 0 . 5451 1 1 再解 3 x 0 . 875 ，得 x 1 . 2916 2 2 2 0 3 1 . 7083 . 5694 x x 3 3
4 41 2 T 故得 GG 分解： A 1 2 3 2 2 3 3 3 1 1 16 11 4 2 T 3 1 LDL 分解为： A 1 4 4 1 2 3 1 1 9 1 2 2
一.习题1（第10页）
1-1.下列各数都是经过四舍五入得到的近似值 ,试分 别指出它们的绝对误差限,相对误差限和有效数字的位数.
x1=5.420,x2=0.5420,x3=0.00542,x4=6000,x5=0.6105.
解 绝对误差限分别为: 1=0.510-3,2=0.510-4, 3=0.510-5,4=0.5,5=0.5104 . 相对误差限分别为: r1=0.510-3/5.420=0.00923%, r2=0.00923%,r3=0.0923%,4=0.0083%,5=8.3%. 有效数位分别为: 4位,4位,3位,4位,1位. 1-2.下列近似值的绝对误差限都是0.005,试问它们有
2 11 2 1 2 故得 Crout 分解： A 4 3 13 6 12 1 1
1 2 11 2 1 2 LDM 分解为： A 21 13 3 3 4 1 1 1
几位有效数字. a=-1.00031,b=0.042,c=-0.00032
中科院研究生院信息工程学院课件数值分析数值分析第三次作业及答案
数值分析第三次作业及答案1． （P201(4)）用梯形方法解初值问题 '0;(0)1,y y y ⎧+=⎨=⎩ 证明其近似解为2,2nn h y h -⎛⎫= ⎪+⎝⎭并证明当0h →时，它收敛于原初值问题的准确解.xy e -=111112111000 [(,)(,)]2(,)()22222222 1,.2,.lim l n n n n n n n n n n n n n n nn n n h hy y f x y f x y hf x y y y y y y h h h y y y y h h h h y y h h n y nh x y +++++++-→=++=-⇒=+-----⎛⎫⎛⎫⎛⎫⇒==== ⎪ ⎪ ⎪+++⎝⎭⎝⎭⎝⎭-⎛⎫=⇒= ⎪+⎝⎭=⇒=证：梯形公式为由因用上述梯形公式以步长经步计算到故有0022im lim 22x nhx h h h h e h h -→→--⎛⎫⎛⎫== ⎪ ⎪++⎝⎭⎝⎭2． (P202(6)) 写出用四阶经典的龙格—库塔方法求解下列初值问题的计算公式：''3,01;,01;(1)1)2)(0)1;(0) 1.y y x y x y x x y y ⎧=<<⎧=+<<⎪+⎨⎨=⎩⎪=⎩ 12113224330.2(,)(,) 1.1()0.1 22221)(,) 1.11()0.112222(,) 1.n n n n n n n n n n n n n n n nn n n n h k f x y x y h h h h k f x y k x y k x y h h h h k f x y k x y k x y k f x h y hk x h y hk ===+=++=+++=++=++=+++=++=++=+++=解：令1123412132431222()0.222(22)0.2214 1.22140.021463/(1)3(0.1)/(10.1)2)3(0.1)/(10.1)3(0.2)/(10.2)0.2(6n n n n n n n n n nn n n n n n x y hy y k k k k x y k y x k y k x k y k x k y k x y y k ++⎧⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪++⎩=++++=++=+⎧⎪=+++⎪⎨=+++⎪⎪=+++⎩=+123422).k k k +++3． (P202(7)) 证明对任意参数t ，下列龙格库塔－公式是二阶的：12312131();2(,);(,);((1),(1)).n n n nn n n n h y y K K K f x y K f x th y thK K f x t h y t hK +⎧=++⎪⎪⎪=⎨⎪=++⎪=+-+-⎪⎩'''2'''31'123'2'()()()()[(,())(,())(,())]23!()[((,)(,)22(,)(,)())((,)(,n n n n x n n y n n n n n n n n n x n n y n n n n n n x n n y h y x y x hy x f x y x f x y x f x y x hh hy y K K y f x y f x y th f x y thf x y O h f x y f x y ζ++=++++=++=++++++证：由一元函数的泰勒展开有又由二元函数的泰勒展开有'22''32''311)(1)(,)(1)(,)())](,)[(,)(,)(,)]()2(),(,())[(,())(,())(,())]()2()y n n n n n n n x n n y n n n n n n n n n n x n n y n n n n n n t h f x y t hf x y O h h y hf x y f x y f x y f x y O h y y x h y y hf x y x f x y x f x y x f x y x O h y x y +++-+-+=++++==++++为考虑局部截断误差，设上式有比较与31111 ()()n n n R y x y O h t +++=-=两式，知其局部误差为故对任意参数，公式是二阶的。
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第三次作业第八题
取b=(1,1,1,...1)T,x0=0，停机准则为10-6。
1）当取A1=(a ij)=1/(i+j-1)时，取阶数n=50，m=20时，得到收敛曲线如下
结果表明，重启的GMRES算法没有重启就得到了非常精确的结果。
这是由于该矩阵在n 较小时的数值正定特性有关。
取n=500 m=20计算结果如下，该图为重启次数与残差之间的关系曲线
可以看出，该方法重启100步都无法收敛到10-6。
提高m的值为m=100，计算如下
从结果中可以看出，第一次计算（未重启）就得到了精确的结果。
该方法是数值qi
下面将阶数增为1000，m=20计算如下
图中可以看出，重启的GMRES已经无法收敛，并且残差下降非常慢，没有再进行计算的必要。
将m增为100，结果依然如前面，在一次重启就解出了结果。
2）当取A=A2
◆当n=100时，对该矩阵使用GMRES方法，迭代20步即得到结果。
使用GMRES(m)，当m=10时，重启一次即可得到类似精度的结果，与GMRES方法的迭代步数一致（但是GMRES(m)代价小）。
◆当n=500时，m=10时，重启一次得到结果，残差变化如下图
⏹当n=500时，m=10时，收敛速度与前一次相同，重启动一次即可得到结果
对于条件数较小，且规则的矩阵，求解速度很快，总迭代次数几乎不随m或n变化。
3）对于A3矩阵，当n=1000阶时，当m=10时，经过九次重启即可得到精确的结果，重启时的残差与重启次数的关系如下图
总结：
1.GMRES方法比GMRES(m)方法收敛性好，GMRES(m)方法延迟了收敛。
2.但是GMRES方法随着迭代次数增大，代价急剧增大，求解越来越慢。
GMRES(m)方法则可能在非常小的代价下求得适合精度的结果。
3.GMRES(m)方法虽然代价小，但是求解结果不一定收敛，与m值的取值和本身的问题有关。
4.GMRES和GMRES(m)方法均满足残差单调不增的原则，但是重启的GMRES(m)方法在重启点处可能会发生残差增大的现象。
第三次作业第四题
按照题目要求编程求解，得到的结果如下: ● 当n=100,m=10时，曲线的残差如下所示
从图中可以看出，方法仅在第一步减小，随着步长增加，残差rk 以及x-x*不再变化，方法失效。
01234
567891011101
迭代次数
||x k
-x *||
||x k -x *||的变化曲线
12345
67891011
10
0.21
10
0.23
10
0.25
10
0.27
100.29
10
0.31
10
0.33
迭代次数
||b -A x m
||
||b-Ax m ||的变化曲线
● 当n=100，m=100时，方法一步收敛，||b-Ax m ||以及||x m -x*||精度为机器精度。
经过多次实验，改变n 和m 的值，总结实验现象如下：
● 在m<n 时，这个方法对于这个A 和b 矩阵来说，是失效的，无论进行多少步也无法收敛； ● 当m=n 时，方法一步收敛，得到精确解。