中南大学数值分析试题7
数值分析试题集
..数值分析试题集（试卷一）一（ 10 分）已知 x 1* 1.3409 ，x 2* 1.0125 都是由四舍五入产生的近似值， 判断 x 1*x 2* 及 x 1* x 2*有几位有效数字。
二（ 10 分）由下表求插值多项式x 01 2 y2 34 y1－ 1三（ 15 分）设 f ( x)C 4 [a,b] ， H （ x ）是满足下列条件的三次多项式H (a) f (a) , H (b) f (b) , H (c)f (c) , H (c) f (c)( a c b )求 f (x)H ( x) ，并证明之。
12四（ 15 分）计算13 dx ，10 2。
x五（ 15 分）在 [0，2]上取 x 0 0 , x 1 1 , x 22 ，用二种方法构造求积公式，并给出其公式的代数精度。
六（ 10 分）证明改进的尢拉法的精度是 2 阶的。
七（ 10 分）对模型 yy , 0 ，讨论改进的尢拉法的稳定性。
八（ 15分）求方程 x 34x 2 7x 1 0 在 -1.2 附近的近似值，10 3。
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------（试卷二）一填空（ 4*2 分）1 {k ( x) } k 0 是区间 [0， 1]上的权函数为( x) x 2 的最高项系数为 1 的正交多项式族，其中10 (x)1，则x0 ( x) dx ------------------- ， 1 ( x) ------------------。
2 12 A，则 A1 4----------- ，( A) ----------------- 。
a 1 2 时， A 可作 LU 分解。
3 设 A，当 a 满足条件 ---------------- 14..4 设非线性方程 f ( x) (x33x23x1)( x 3) 0 ，其根 x1* 3 ， x2*1，则求 x1* 的近似值时，二阶局部收敛的牛顿迭代公式是--------------------------- 。
数值分析第7章答案
第七章非线性方程求根一、重点内容提要 （一）问题简介 求单变量函数方程(7.1) 的根是指求（实数或复数），使得.称为方程(7.1)的根,也称为函数的零点.若可以分解为其中m 为正整数,满足,则是方程(7.1)的根.当m=1时,称为单根;当m>1时,称为m 重根.若充分光滑,是方程(7.1)的m 重根,则有(1)()(*)'(*)...(*)0,(*)0m m f x f x f x f x -====≠ 若在[a,b]上连续且,则方程(7.1)在(a,b)内至少有一个实根,称[a,b]为方程(7.1)的有根区间.有根区间可通过函数作图法或逐次搜索法求得. (二)方程求根的几种常用方法 1.二分法设在[a,b]上连续,,则在(a,b)内有根.再设在(a,b)内仅有一个根.令,计算和.若则,结束计算;若,则令,得新的有根区间;若,则令,得新的有根区间.,.再令计算,同上法得出新的有根区间,如此反复进行,可得一有根区间套且110011*,0,1,2,...,()...()22n n n n n n a x b n b a b a b a --<<=-=-==-.故因此,可作为的近似根,且有误差估计 (7.2) 2.迭代法将方程式(7.1)等价变形为 (7.3)若要求满足则;反之亦然.称为函数的一个不动点.求方程(7.1)的根等价于求的不动点由式(7.3)产生的不动点迭代关系式(也称简单迭代法)为 (7.4)函数称为迭代函数.如果对任意,由式(7.4)产生的序列有极限 则称不动点迭代法(7.4)收敛.定理7.1(不动点存在性定理)设满足以下两个条件: 1.对任意有2.存在正常数,使对任意,都有 (7.5) 则在上存在惟一的不动点.定理7.2(不动点迭代法的全局收敛性定理)设满足定理7.1中的两个条件,则对任意,由(7.4)式得到的迭代序列收敛.到的不动点,并有误差估计式 (7.6) 和 (7.7)定理7.3(不动点迭代法的局部收敛性定理)设为的不动点,在的某个邻域连续,且,则迭代法(7.4)局部收敛.收敛阶的概念 设迭代过程(7.4)收敛于方程的根,如果迭代误差当时成产下列渐近关系式(7.8)则称该迭代过程是p 阶收敛的.特别地,p=1时称线性收敛,p>1时称超线性收敛,p=2时称平方收敛.定理7.4(收敛阶定理)对于迭代过程(7.4),如果在所求根的邻近连续,并且 (7.9)则该迭代过程在点的邻近是收敛的,并有(7.10)斯蒂芬森(Steffensen)迭代法 当不动点迭代法(7.4)只有线性收敛阶,甚至于不收敛时,可用斯蒂芬森迭代法进行加速.具体公式为 (7.11) 此法也可写成如下不动点迭代式(7.12)定理7.5(斯蒂芬森迭代收敛定理) 设为式(7.12)中的不动点,则是的不动点;设存在,,则是的不动点,则斯蒂芬森迭代法(7.11)是2阶收敛的. 3.牛顿迭代法牛顿迭代法是一种特殊的不动点迭代法,其计算公式为 其迭代函数为 (7.13)牛顿迭代法的收敛速度 当时,容易证明,,,由定理7.4知,牛顿迭代法是平方收敛的,且(7.14)重根情形的牛顿迭代法 当是的m 重根时,迭代函数在处的导数,且.所以牛顿迭代法求重根只是线性收敛.若的重数m 知道,则迭代式 (7.15)求重根二阶收敛.当m 未知时,一定是函数的单重零点,此时迭代式1()()'()'()['()]()''()0,1,2,...k k k k k k k k k k x f x f x x x x x f x f x f x k μμ+=-=--= (7.16)也是二阶收敛的.简化牛顿法 如下迭代法 称为简化牛顿法或平行弦法.牛顿下山法 为防止迭代不收敛,可采用牛顿下山法.具体方法见教材. 4.弦截法将牛顿迭代法(7.13)中的用在,处的一阶差商来代替,即可得弦截法 (7.17)定理7.6假设在其零点的邻域内具有二阶连续导数,且对任意有,又初值,,则当邻域充分小时,弦截法(7.17)将按阶收敛到.这里p 是方程的正根. 5.抛物线法弦截法可以理解为用过两点的直线方程的根近似替的根.若已知的三个近似根,,用过的抛物线方程的根近似代替的根,所得的迭代法称为抛物线法,也称密勒(Muller)法.当在的邻近有三阶连续导数,,则抛物线法局部收敛,且收敛阶为.二、知识结构图10[1,2]1x x --=≤≤--∈3-3-6k k 32三、常考题型及典型题精解例7-1 证明方程x 在上有一个实根x*,并用二分法求这个根,要求|x -x*|10.若要求|x -x*|10,需二分区间[1,2]多少次?解 设f(x)=x ,则f(1)=-1<0,f(2)=5>0,故方程f(x)=0在[1,2]上有根x*.又因f'(x)=3x -1,所以当x [1,2]时,f'(x)>0,即f (x)=0在[1,2]上有惟一实根x*.用二分法计算结果如表7-1所示.k 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 1 1.25 1.25 1.3125 1.3125 1.3125 1.3204 1.3243 1.3243 2 1.5 1.5 1.375 1.375 1.13438 1.3282 1.3282 1.3282 1.32631.5 1.25 1.375 1.3125 1.3438 1.3282 1.3204 1.3243 1.3263 1.3253+ - + - + + - - + +610x e -≤≤⨯≤≤≤≤≥∈-3-39910-6k k k+101此时x =1.3253满足|x -x*|0.9771010,可以作为x*的近2似值.1若要求|x -x*|,只需|x -x*|10即可,解得k+119.932,2即只需把[1,2]二分20次就能满足精度要求.例7-2 已知函数方程(x-2)=1,(1)确定有根区间[a,b];(2)构造不动点迭代公式使之对任意初始近似x [a,b],31|10.k x ---<k 迭代方法均收敛;(3)用所构造的公式计算根的近似值,要求|x1lim lim x x x x x e e e e →+∞→-∞∞∞∞∈解 (1)令f(x)=(x-2)-1,由于f(2)=-1<0,f(3)=-1>0,因此区间[2,3]是方程f(x)=0的一个有根区间.又因f'(x)=(x-1),f(x)=+,f(x)=-1,f'(1)=--1<0,当x>1时f(x)单增,x<1时f(x)单减,故f(x)=0在(-,+)内有且仅有一根x*,即x*[2,3].2'k k x x x x x x e e e e e e e ϕϕϕ-----∈∈≤≤≤∀∈k+100k+1(2)将(x-2)=1等价变形为x=2+,x [2,3].则(x)=2+.由于当x [2,3]时2(x)3,|(x)|=|-|<1故不动点迭代法x =2+,k=0,1,2,...,对x [2,3]均收敛.(3)取x =2.5,利用x =2+进行迭代计算,结果如表7-2所示.473cos 3120cos c k x x x ϕ--+=∈≤4k+10-30k+1k+1k 例 考虑求解方程2的迭代公式2x =4+,k=0,1,2,...3(1)试证:对任意初始近似x R,该方法收敛;(2)取x =4,求根的近似值x ,要求|x -x |10;(3)所给方法的收敛阶是多少?2解 (1)由迭代公式知,迭代函数(x)=4+3{}os ,(,).|'sin |1(,)x x x ϕϕϕ∈-∞+∞≤<-∞+∞∀∈0k 022由于(x)的值域介于(4-)与(4+)之间,且3322(x)|=|-33故根据定理7.1,7.2知,(x)在内存在惟一的不动点x*,且对x R,迭代公式得到的序列x 收敛于x*.(2) 取x =4,迭代计算结果如表7-3所示.此时已满足误差要求，即（3）由于，故根据定理7 .4知方法是线性收敛的，并且有。
2009硕士生数值分析试题
2009年中南大学硕士研究生“数值分析”课程试题（闭卷，可自带计算器，120分钟）一、设分段多项式（8分）S(x)=⎩⎨⎧≤≤-++≤≤+21,1210,2323x cx bx x x x x是以x = 0，1，2为节点的三次样条函数，试确定系数b ，c 的值。
二、设)3()(2-+=Φx c x x ，问如何选取 c 能保证迭代法)(1k k x x Φ=+具有局部收敛性。
（8分）三、利用列主元素消去法解方程：（8分）⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡∙⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡---453311294642321x x x四、求()xf x e =在[0，1]上的一次最佳平方逼近多项式。
（8分）五、已知函数表如下，试用抛物插值求125的近似值，估计截断误差。
（14分）利用Romberg 方法计算积分：dx xx⎰1sin （计算到第一个Romberg 值）。
七、利用改进的Euler 法求解如下初值问题：（14分）,1)0(6.00,2)('⎪⎩⎪⎨⎧=≤≤-=y x y x y x y 取步长 h =0.3 。
八、利用反幂法和矩阵的LU 分解技术求下列矩阵A 接近于 p = -6.4 的特征值及其特征向量（保留3位小数迭代计算2次，分解后取1(1,1,1)T Uv =），-1212-4111-6A ⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦。
（14分）九、方程组AX=b ， 其中10101a A a a a ⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦。
试建立解线性方程组AX=b 的雅可比迭代法和高斯-赛德尔迭代法，并讨论a 取何值时迭代收敛。
（12分）。
数值分析复习题参考答案
x1 )
h
2
x 0 x x1 6
4
所以， R x
h 10
2
8
解得， h 0 . 000383
4. 习题(第二章) 7
5. 习题(第二章) 9
6. 习题(第二章) 11
7. 习题(第二章) 13
8. 习题(第二章) 14
9. 习题(第二章) 20
10. 习题(第四章) 1
2
, k 0 ,1, 2 2 3 2a 3x
3
此时， ( x )
2x a 3x
, '( x) 2a
所以， ' ( 3 a )
2 3
3(
3
a)
3
0 1, 所以该迭代公式收敛。
21. 习题(第七章) 13
本题没有给出精度要求， 但x3与x2之间的差为 已经很小了，足以满足 精度。
[ f ( x n , y n ) f ( x n 1 , y n 1 )]
( 3 ) 基于 Taylor 展开法：
y ( x n 1 ) y ( x n h ) y ( x n ) y ' ( x n ) h
h
2
2
y ''( xn )
取 y ( x n 1 ) y ( x n ) y ' ( x n ) h ，即 y n 1 y n hf ( x n , y n )
k 个点的值
求解隐式：先用欧拉公 求解多步法：单步法开
式求得一个初步的近似 表头，然后预报
修正 校正 修正。
( 其实只要给出公式会用
就行！！ )
数值分析考试题
山东科技大学2008-2009学年第一学期《数值分析》考试一、设x =9.1234, y =10.486均具有5位有效数字。
试分析x - y和x3 y啲绝对误差限和相对误差限。
二、求一条拟合3点A(0,1), B(1,3),C(2,2)的直线。
三、设n _ 2为正整数，c为正数，记x*二n.c1) 说明不能用下面的迭代格式1 _nx k 1 = cx k ,k =Q1,2：= = " =求x*的近似值。
2) 构造一个可以求x*的迭代格式，证明所构造迭代格式的收敛性，并指出收敛阶数四、给定线性方程组_4 -1 0卩1 一2〕-1 a 1 x2 = 64」］X3」：2J】0 1其中a为非零常数。
1) 写出Jacobi迭代格式与Gauss-Seidel迭代格式并分析其收敛性。
2) 分析a在什么范围取值时以上迭代格式收敛。
五、做一个5次多项式H (x)使得H(1) =3,H (2) = —1, H(4) =3,H'(1) =2, H'(2) =1, H *(2) =2,六、求f (x) =x2在区间0,1上的一次最佳一致逼近多项式。
七、给定积分公式:1f(x)d x ：Af (-1) Bf (0) f (1)■ -41) 试确定求积系数A,B,C，使其具有尽可能高的代数精度，并指出其代数精度。
2) 试判断该求积公式是否为高斯型求积公式，并说明理由。
3) ................................................................................................ 将区间-1,作n等分，并记h=2,X j =-1 ih,i =0,1,............................................................ ，n,利用该求积公式n 构造一个复化求积公式。
中南大学数值分析作业完整版~
数值分析数学实验报告姓名：XX学号：xx指导老师：***专业班级：xx目录1. 高斯消去法 (3)2. LU分解 (6)3. 用牛顿法求积分 (10)4. 用复化梯形法求积分 (12)5. 用复化辛普森法、复化辛普森变步长法求积分 (13)6. 节点加密复化梯形公式 (16)7. 龙贝格积分 (17)8. 欧拉方法、休恩方法、泰勒方法、龙格-库塔方法 (20)一.高斯消去法x(i)=(b(i)-sum)/A(i,i);end4：实验结果：（1）高斯消去法（2）高斯列主元消去法5：实验总结这两个程序让我对高斯消去法有了更深刻的理解，能更灵活的运用各种基础函数与矩阵的运算来进行求解，参考了书上的已有程序流程图，程思想需要进一步完善，需要对函数的进一步熟悉。
姓名：xx2012年3月25日二. LU分解m=j;endendif m~=ifor k=1:nc(k)=A(i,k);A(i,k)=A(m,k);A(m,k)=c(k);endt=b(i);b(i)=b(m);b(m)=t;endfor j=i:nfor k=1:i-1M(k)=L(i,k)*U(k,j);endU(i,j)=A(i,j)-sum(M);endfor j=i+1:nfor k=1:i-1M(k)=L(j,k)*U(k,i);endL(j,i)=(A(j,i)-sum(M))/U(i,i);endendx=U\(L\b);4：实验结果：（1）普通LU分解三. 用牛顿法求积分（2）列主元LU 分解5：实验总结L U 分解在上学期已经学习过，这次的实验让我对LU 分解有了更深的了解，又掌握了一种解线性方程组的好方法。
姓名：XX2012年3月29日 学号XX 班级 XX 姓名XX 指导教师 易昆南 实验题目 用牛顿法求积分评 分1、设计（实习）目的：1． 进一步了解牛顿法及其应用 2．进一步理解牛顿法求积分的思想2、实验内容：用牛顿法求函数x x x x f ++=23)(的积分 3.详细设计：function y=newton(a,b,n) x=a:(b-a)/n:b; %插值节 y=x.^3+x.^2+x;四.用复化梯形法求积分五. 用复化辛普森法、复化辛普森变步长法求积分六.节点加密复化梯形公式七．龙贝格积分八．欧拉方法、休恩方法、泰勒方法、龙格-库塔方法4.龙格-库塔方法>> [x1 y1] =lungkuta(1)[x2 y2] =lungkuta(1/2)[x3 y3] =lungkuta(1/4)[x4 y4] =lungkuta(1/8)plot(x1,y1,'-',x2,y2,'r',x3,y3,'g',x4,y4,'b')x1 =1 2 3y1 =0.769531250000000 1.043746948242188 1.615647614002228x2 =0.500000000000000 1.000000000000000 1.500000000000000 2.000000000000000 2.500000000000000 3.000000000000000y2 =0.935424804687500 0.466060072183609 0.450289419204637 0.558880619571974 0.701568099555500 0.853603753857624x3 =Columns 1 through 65：实验总结用数值分析中的方法编程求积分它能帮助我们简化繁琐又难以计算的数学问题。
数值分析习题(含标准答案)
]第一章 绪论姓名 学号 班级习题主要考察点：有效数字的计算、计算方法的比较选择、误差和误差限的计算。
1若误差限为5105.0-⨯,那么近似数有几位有效数字（有效数字的计算） 解：2*103400.0-⨯=x ，325*10211021---⨯=⨯≤-x x 故具有3位有效数字。
2 14159.3=π具有4位有效数字的近似值是多少（有效数字的计算） 解：10314159.0⨯= π，欲使其近似值*π具有4位有效数字，必需！41*1021-⨯≤-ππ，3*310211021--⨯+≤≤⨯-πππ，即14209.314109.3*≤≤π即取（ , ）之间的任意数，都具有4位有效数字。
3已知2031.1=a ，978.0=b 是经过四舍五入后得到的近似值，问b a +，b a ⨯有几位有效数字（有效数字的计算）解：3*1021-⨯≤-aa ，2*1021-⨯≤-b b ，而1811.2=+b a ，1766.1=⨯b a 2123****102110211021)()(---⨯≤⨯+⨯≤-+-≤+-+b b a a b a b a故b a +至少具有2位有效数字。
2123*****10210065.01022031.1102978.0)()(---⨯≤=⨯+⨯≤-+-≤-b b a a a b b a ab 故b a ⨯至少具有2位有效数字。
4设0>x ，x 的相对误差为δ，求x ln 的误差和相对误差（误差的计算）~解：已知δ=-**xx x ，则误差为 δ=-=-***ln ln xx x x x则相对误差为******ln ln 1ln ln ln xxx x xxx x δ=-=-5测得某圆柱体高度h 的值为cm h 20*=，底面半径r 的值为cm r 5*=，已知cm h h 2.0||*≤-，cm r r 1.0||*≤-，求圆柱体体积h r v2π=的绝对误差限与相对误差限。
（误差限的计算）解：*2******2),(),(h h r r r h r r h v r h v -+-≤-ππ绝对误差限为πππ252.051.02052)5,20(),(2=⨯⋅+⨯⋅⋅⋅≤-v r h v相对误差限为%420120525)5,20()5,20(),(2==⋅⋅≤-ππv v r h v 6设x 的相对误差为%a ,求nx y =的相对误差。
数值分析作业答案(第7章part2)
7.2.为求方程0123=--x x 在5.10=x 附近的一个根，设将方程改写成下列等价形式，并建立相应的迭代公式。
(1).2/11x x +=，迭代公式21/11k k x x +=+；(2).123+=x x ，迭代公式3211+=+k k x x ； (3).112-=x x ，迭代公式1/11-=+k k x x 。
试分析每种迭代公式的收敛性，并选取一种公式求出具有四位有效数字的近似根。
解 考虑5.10=x 的领域]6.1,3.1[。
(1).当]6.1,3.1[∈x 时，]6.1,3.1[11)(2∈+=xx ϕ，1910.03.122)('33<=≈≤-=L x x ϕ，故迭代2111kk x x +=+在]6.1,3.1[上整体收敛。
(2).当]6.1,3.1[∈x 时，()]6.1,3.1[1)(3/12∈+=x x ϕ，1522.0)3.11(6.132)1(32)('3/223/22<=≈+<+=L x x x ϕ， 故迭代3211+=+k k x x 在]6.1,3.1[上整体收敛。
(3).当]6.1,3.1[∈x 时，11)(-=x x ϕ，1)16.1(21)1(21)('2/3>->--=x x ϕ，故迭代1/11-=+k k x x 发散。
7.4.给定函数)(x f ，设对一切x ，)('x f 存在且M x f m ≤<<)('0，证明对于范围M /20<<λ内的任意定数λ，迭代过程)(1x f x x k k λ-=+均收敛于0)(=x f 的根*x 。
证明 由于0)('>x f ，故)(x f 为单调函数因此方程0)(=x f 的根*x 是唯一的。
迭代函数)()(x f x x λϕ-=，)('1)('x f x λϕ-=。
由M x f m ≤<<)('0及M /20<<λ，得：2)('0<≤≤<M x f m λλλ11)('111<-≤-≤-<-m x f M λλλ故1}1,1max{)('<--=≤M m L x λλϕ因此可得0*0*1*→-≤≤-≤--x x L x x L x x k k k Λ )(∞→k即*lim x x k k =∞→。
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2 2 −1
0
3 1 −2 , (2) A = 1 4 2 .
−2
1
2 1
10. 设矩阵A ∈ Rn×n 为Hessenberg形, 对QR变换 A = QR, B = QT AQ = RQ 证明矩阵Q 和B 都是Hessenberg形矩阵. 2
2=
1) 是A 的一个特征值及对应的特征
.
向量. 试证: 若有正交矩阵P 使得P x = e1 , 则有 P AP T = (b) 已知矩阵
λ
0
0 B
2 A= 10
10 5 −8
2
−8 .
2
11
的 一 个 特 征 值λ = 9和 对 应 的 特 征 向 量x = (2/3, 1/3, 2/3)T . 试 求 镜 面 反 射 矩 阵P 使得P x = e1 , 并计算P AP T . 7. 用正交相似变换将下列矩阵化为对称三对角矩阵:
1.0 1.0
0 1 3
0.5 0.25
0.25 .
0.5
2.0ห้องสมุดไป่ตู้
5. 设x = (1, 1, 1, 1)T , 用下列两种方法分别求正交矩阵P , 使得P x = ± (a) P 为平面旋转矩阵的乘积. (b) P 为镜面反射矩阵.
x
2
e1 .
1
6. (a) 设矩阵A ∈ Rn×n 为对称矩阵, λ 和x( x
习题七
1. 用幂法求下列矩阵的主特征值和主特征向量:
3 −2 −4 A= −2 6 −2 .
−4 −2
3
当特征值有3位小数稳定时迭代终止, 再对计算结果用Aitken外推加速. 2. 用反幂法求下列矩阵模最小的特征值和对应的特征向量:
3 −4 3 A= −4 6 3 .
3
3
1
3. 用反幂法求矩阵
6 2 1 A= 2 3 1 .
1 1 1
的最接近6的特征值和特征向量. 4. 用Jacobi方法计算下列矩阵的全部特征值和特征向量:
4 0 0 1.0 A1 = 0 3 1 ; A2 = 1.0
1 3 4 A= 3 1 2 .
4 2 1
8. 用镜面反射变换求下列矩阵的QR变换:
.
1 1 1 A= 2 −1 −1 2 −4
5
9. 用平面旋转变换对下列Hessenberg形矩阵作一步QR变换: