数值分析第三版课本习题及答案
第一章绪论
1.设x>0,x得相对误差为δ,求得误差、
2.设x得相对误差为2%,求得相对误差、
3.下列各数都就是经过四舍五入得到得近似数,即误差限不超过最后一位得半个单位,试指出它们就是
几位有效数字:
4.利用公式(3、3)求下列各近似值得误差限:
其中均为第3题所给得数、
5.计算球体积要使相对误差限为1%,问度量半径R时允许得相对误差限就是多少?
6.设按递推公式
( n=1,2,…)
计算到、若取≈27、982(五位有效数字),试问计算将有多大误差?
7.求方程得两个根,使它至少具有四位有效数字(≈27、982)、
8.当N充分大时,怎样求?
9.正方形得边长大约为100㎝,应怎样测量才能使其面积误差不超过1㎝?
10.设假定g就是准确得,而对t得测量有±0、1秒得误差,证明当t增加时S得绝对误差增加,而相对误
差却减小、
11.序列满足递推关系(n=1,2,…),若(三位有效数字),计算到时误差有多大?这个计算过程稳定吗?
12.计算,取,利用下列等式计算,哪一个得到得结果最好?
13.,求f(30)得值、若开平方用六位函数表,问求对数时误差有多大?若改用另一等价公式
计算,求对数时误差有多大?
14.试用消元法解方程组假定只用三位数计算,问结果就是否可靠?
15.已知三角形面积其中c为弧度,,且测量a ,b ,c得误差分别为证明面积得误差满足
第二章插值法
1.根据(2、2)定义得范德蒙行列式,令
证明就是n次多项式,它得根就是,且
、
2.当x= 1 , 1 , 2 时, f(x)= 0 , 3 , 4 ,求f(x)得二次插值多项式、
3.给出f(x)=ln x得数值表用线性插值及二次插值计算ln 0、54 得近似值、
4.,研究用线性
插值求cos x 近似值时得总误差界、
5.设,k=0,1,2,3,求、
6.设为互异节点(j=0,1,…,n),求证:
i)
ii)
7.设且,求证
8.在上给出得等距节点函数表,若用二次插值求得近似值,要使截断误差不超过,问使用函数表得步长应
取多少?
9.若,求及、
10.如果就是次多项式,记,证明得阶差分就是次多项式,并且为正整数)、
11.证明、
12.证明
13.证明
14.若有个不同实根,证明
15.证明阶均差有下列性质:
i)若,则;
ii)若,则、
16.,求及、
17.证明两点三次埃尔米特插值余项就是
并由此求出分段三次埃尔米特插值得误差限、
18.求一个次数不高于4次得多项式,使它满足并由此求出分段三次埃尔米特插值得误差限、
19.试求出一个最高次数不高于4次得函数多项式,以便使它能够满足以下边界条件,,、
20.设,把分为等分,试构造一个台阶形得零次分段插值函数并证明当时,在上一致收敛到、
21.设,在上取,按等距节点求分段线性插值函数,计算各节点间中点处得与得值,并估计误差、
22.求在上得分段线性插值函数,并估计误差、
23.求在上得分段埃尔米特插值,并估计误差、
24.给定数据表如下:
i)
ii)
25.若,就是三次样条函数,证明
i)
[][][][] 222
()()()()2()()()
b b b b
a a a a
f x dx S x dx f x S x dx S x f x S x dx
"-"="-"+""-"
????
;
ii) 若,式中为插值节点,且,则
[][][]
()()()()()()()()()b
a
S x f x S x dx S b f b S b S a f a S a ""-"="'-'-"'-'?
、
26. 编出计算三次样条函数系数及其在插值节点中点得值得程序框图(可用(8、7)式得表达式)、
第三章 函数逼近与计算
1. (a)利用区间变换推出区间为得伯恩斯坦多项式、
(b)对在上求1次与三次伯恩斯坦多项式并画出图形,并与相应得马克劳林级数部分与误差做比较、 2. 求证:
(a)当时,、 (b)当时,、
3. 在次数不超过6得多项式中,求在得最佳一致逼近多项式、
4. 假设在上连续,求得零次最佳一致逼近多项式、
5. 选取常数,使达到极小,又问这个解就是否唯一?
6. 求在上得最佳一次逼近多项式,并估计误差、
7. 求在上得最佳一次逼近多项式、
8. 如何选取,使在上与零偏差最小?就是否唯一? 9. 设,在上求三次最佳逼近多项式、 10. 令,求、
11. 试证就是在上带权得正交多项式、
12. 在上利用插值极小化求1得三次近似最佳逼近多项式、
13. 设在上得插值极小化近似最佳逼近多项式为,若有界,证明对任何,存在常数、,使
14. 设在上,试将降低到3次多项式并估计误差、
15. 在上利用幂级数项数求得3次逼近多项式,使误差不超过0、005、
16. 就是上得连续奇(偶)函数,证明不管就是奇数或偶数,得最佳逼近多项式也就是奇(偶)函数、 17. 求、使为最小、并与1题及6题得一次逼近多项式误差作比较、 18. 、,定义
()(,)()();()(,)()()()();
b b
a
a
a f g f x g x dx
b f g f x g x dx f a g a =''=''+??
问它们就是否构成内积?
19. 用许瓦兹不等式(4、5)估计得上界,并用积分中值定理估计同一积分得上下界,并比较其结果、 20. 选择,使下列积分取得最小值:、
21. 设空间,分别在、上求出一个元素,使得其为得最佳平方逼近,并比较其结果、 22. 在上,求在上得最佳平方逼近、
23. 就是第二类切比雪夫多项式,证明它有递推关系
、
24. 将在上按勒让德多项式及切比雪夫多项式展开,求三次最佳平方逼近多项式并画出误差图形,再计算
均方误差、
25.把在上展成切比雪夫级数、
26.用最小二乘法求一个形如得经验公式,使它与下列数据拟合,并求均方误差、
27.
28.在某化学反应里,根据实验所得分解物得浓度与时间关系如下:
29.编出用正交多项式做最小二乘拟合得程序框图、
30.编出改进FFT算法得程序框图、
31.现给出一张记录,试用改进FFT算法求出序列得离散频谱
第四章数值积分与数值微分
1.确定下列求积公式中得待定参数,使其代数精度尽量高,并指明所构造出得求积公式所具有得代数精
度:
(1);
(2);
(3);
(4)、
2.分别用梯形公式与辛普森公式计算下列积分:
(1); (2);
(3); (4)、
3.直接验证柯特斯公式(2、4)具有5次代数精度、
4.用辛普森公式求积分并计算误差、
5.推导下列三种矩形求积公式:
(1);
(2);
(3)、
6.证明梯形公式(2、9)与辛普森公式(2、11)当时收敛到积分、
7.用复化梯形公式求积分,问要将积分区间分成多少等分,才能保证误差不超过(设不计舍入误差)?
8.用龙贝格方法计算积分,要求误差不超过、
9.卫星轨道就是一个椭圆,椭圆周长得计算公式就是,这里就是椭圆得半长轴,就是地球中心与轨道中心
(椭圆中心)得距离,记为近地点距离,为远地点距离,公里为地球半径,则、我国第一颗人造卫星近地点距离公里,远地点距离公里,试求卫星轨道得周长、
10.证明等式试依据得值,用外推算法求得近似值、
11.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、
12.用三点公式与五点公式分别求在1、0,1、1与1、2处得导数值,并估计误差、得值由下表给出:
第五章常微分方程数值解法
1、就初值问题分别导出尤拉方法与改进得尤拉方法得近似解得表达式,并与准确解相比较。
2、用改进得尤拉方法解初值问题
取步长h=0、1计算,并与准确解相比较。
3、用改进得尤拉方法解
取步长h=0、1计算,并与准确解相比较。
4、用梯形方法解初值问题
证明其近似解为
并证明当时,它原初值问题得准确解。
5、利用尤拉方法计算积分
在点得近似值。
6、取h=0、2,用四阶经典得龙格-库塔方法求解下列初值问题:
1)
2)
7、证明对任意参数t,下列龙格-库塔公式就是二阶得:
8、证明下列两种龙格-库塔方法就是三阶得:
1)
2)
9、分别用二阶显式亚当姆斯方法与二阶隐式亚当姆斯方法解下列初值问题:
取计算并与准确解相比较。
10、证明解得下列差分公式
就是二阶得,并求出截断误差得首项。
11、导出具有下列形式得三阶方法:
12、将下列方程化为一阶方程组:
1)
2)
3)
13、取h=0、25,用差分方法解边值问题
14、对方程可建立差分公式
试用这一公式求解初值问题
验证计算解恒等于准确解
15、取h=0、2用差分方法解边值问题
第六章方程求根
1、用二分法求方程得正根,要求误差<0、05。
2、用比例求根法求在区间[0,1]内得一个根,直到近似根满足精度时终止计算。
3、为求方程在附近得一个根,设将方程改写成下列等价形式,并建立相应得迭代公式。
1),迭代公式;
2),迭代公式;
3),迭代公式。
试分析每种迭代公式得收敛性,并选取一种公式求出具有四位有效数字得近似根。
4、比较求得根到三位小数所需得计算量;
1)在区间[0,1]内用二分法;
2) 用迭代法,取初值。
5、给定函数,设对一切存在且,证明对于范围内得任意定数λ,迭代过程均收敛于得根。
6、已知在区间[a,b]内只有一根,而当a , 试问如何将化为适于迭代得形式? 将化为适于迭代得形式,并求x=4、5(弧度)附近得根。 7、用下列方法求在附近得根。根得准确值=1、87938524…,要求计算结果准确到四位有效数字。 1) 用牛顿法; 2)用弦截法,取; 3)用抛物线法,取。 8、用二分法与牛顿法求得最小正根。 9、研究求得牛顿公式 证明对一切且序列就是递减得。 10、对于得牛顿公式,证明 收敛到,这里为得根。 11、试就下列函数讨论牛顿法得收敛性与收敛速度: 1) 2) 12、应用牛顿法于方程,导出求立方根得迭代公式,并讨论其收敛性。 13、应用牛顿法于方程,导出求得迭代公式,并用此公式求得值。 14、应用牛顿法于方程与,分别导出求得迭代公式,并求 15、证明迭代公式 就是计算得三阶方法。假定初值充分靠近根,求 第七章解线性方程组得直接方法 1、考虑方程组: (a)用高斯消去法解此方程组(用四位小数计算), (b)用列主元消去法解上述方程组并且与(a)比较结果。 2、(a) 设A就是对称阵且,经过高斯消去法一步后,A约化为 证明A2就是对称矩阵。 (b)用高斯消去法解对称方程组: 4、设A为n阶非奇异矩阵且有分解式A=LU,其中L为单位下三角阵,U为上三角阵,求证A得所有顺序 主子式均不为零。 5、由高斯消去法说明当时,则A=LU,其中L为单位下三角阵,U 为上三角阵。 6、设A 为n阶矩阵,如果称A为对角优势阵。证明:若A就是对角优势阵,经过高斯消去法一步后,A具 有形式 。 7、设A就是对称正定矩阵,经过高斯消去法一步后,A约化为 , 其中 证明(1)A得对角元素 (2)A2就是对称正定矩阵; (3) (4)A得绝对值最大得元素必在对角线上; (5) (6)从(2),(3),(5)推出,如果,则对所有k 8、设为指标为k得初等下三角阵,即 (除第k列对角元下元素外,与单位阵I相同) 求证当时,也就是一个指标为k得初等下三角阵,其中为初等排列阵。 9、试推导矩阵A得Crout分解A=LU得计算公式,其中L为下三角阵,U为单位上三角阵。 10、设,其中U为三角矩阵。 (a) 就U为上及下三角矩阵推导一般得求解公式,病写出算法。 (b) 计算解三角形方程组得乘除法次数。 (c) 设U为非奇异阵,试推导求得计算公式。 11、证明(a)如果A就是对称正定阵,则也就是正定阵; (b)如果A就是对称正定阵,则A可唯一写成,其中L就是具有正对角元得下三角阵。 12、用高斯-约当方法求A得逆阵: 13、用追赶法解三对角方程组,其中 14、用改进得平方根法解方程组 15、下述矩阵能否分解为LU(其中L为单位下三角阵,U为上三角阵)?若能分解,那么分解就是否唯一? 16、试划出部分选主元素三角分解法框图,并且用此法解方程组 、 17、如果方阵A 有,则称A为带宽2t+1得带状矩阵,设A满足三角分解条件,试推导得计算公式,对 1) ; 2) 、 18、设 , 计算A得行范数,列范数,2范数及F范数。 19、求证 (a) , (b) 。 20、设且非奇异,又设为上一向量范数,定义 。 试证明就是上得一种向量范数。 21、设为对称正定阵,定义 , 试证明为上向量得一种范数。 22、设,求证 。 23、证明:当且尽当x与y线性相关且时,才有 。 24、分别描述中(画图) 。 25、令就是(或)上得任意一种范数,而P就是任意非奇异实(或复)矩阵,定义范数,证明。 26、设为上任意两种矩阵算子范数,证明存在常数,使对一切满足 27、设,求证与特征值相等,即求证。 28、设A为非奇异矩阵,求证 。 29、设A为非奇异矩阵,且,求证存在且有估计 30、矩阵第一行乘以一数,成为 。 证明当时,有最小值。 31、设A为对称正定矩阵,且其分解为,其中,求证 (a) (b) 32、设 计算A得条件数。 33、证明:如果A就是正交阵,则。 34、设且为上矩阵得算子范数,证明 。 第八章解方程组得迭代法 1、设方程组 (a)考察用雅可比迭代法,高斯塞德尔迭代法解此方程组得收敛性; (b)用雅可比迭代法,高斯塞德尔迭代法解此方程组,要求当时迭代终止. 2、设, 证明:即使级数也收敛. 3、证明对于任意选择得A, 序列 4、设方程组 迭代公式为 求证: 由上述迭代公式产生得向量序列收敛得充要条件就是 5、设方程组 (a) (b) 试考察解此方程组得雅可比迭代法及高斯塞德尔迭代法得收敛性。 6、求证得充要条件就是对任何向量x,都有 7、设,其中A对称正定,问解此方程组得雅可比迭代法就是否一定收敛?试考察习题5(a)方程组。 8、设方程组 (a)求解此方程组得雅可比迭代法得迭代矩阵得谱半径; (b)求解此方程组得高斯-塞德尔迭代法得迭代矩阵得谱半径; (c)考察解此方程组得雅可比迭代法及高斯-塞德尔迭代法得收敛性。 9、用SOR方法解方程组(分别取松弛因子) 精确解要求当时迭代终止,并且对每一个值确定迭代次数。 10、用SOR方法解方程组(取=0、9) 要求当时迭代终止。 11、设有方程组,其中A为对称正定阵,迭代公式 试证明当时上述迭代法收敛(其中)。 12、用高斯-塞德尔方法解,用记得第i个分量,且 。 (a)证明; (b)如果,其中就是方程组得精确解,求证: 其中。 (c)设A就是对称得,二次型 证明。 (d)由此推出,如果A就是具有正对角元素得非奇异矩阵,且高斯-塞德尔方法对任意初始向量就是收敛 得,则A就是正定阵。 13、设A与B为n阶矩阵,A为非奇异,考虑解方程组 (a)找出下列迭代方法收敛得充要条件 (b)找出下列迭代方法收敛得充要条件 比较两个方法得收敛速度。 14、证明矩阵 对于就是正定得,而雅可比迭代只对就是收敛得。 15、设,试说明A为可约矩阵。 16、给定迭代过程,,其中,试证明:如果C得特征值,则迭代过程最多迭代n次收敛于方程组得解。 17、画出SOR迭代法得框图。 18、设A为不可约弱对角优势阵且,求证:解得SOR方法收敛。 19、设,其中A为非奇异阵。 (a) 求证为对称正定阵; (b) 求证。 第九章矩阵得特征值与特征向量计算 1、用幂法计算下列矩阵得主特征值及对应得特征向量: (a) , (b) , 当特征值有3位小数稳定时迭代终止。 2、方阵T分块形式为 , 其中为方阵,T称为块上三角阵,如果对角块得阶数至多不超过2,则称T 为准三角形形式,用记矩阵T得特征值集合,证明 3、利用反幂法求矩阵 得最接近于6得特征值及对应得特征向量。 4、求矩阵 与特征值4对应得特征向量。 5、用雅可比方法计算 得全部特征值及特征向量,用此计算结果给出例3得关于p得最优值。 6、(a)设A就是对称矩阵,λ与就是A得一个特征值及相应得特征向量,又设P为一个正交阵,使 证明得第一行与第一列除了λ外其余元素均为零。 (b)对于矩阵 , λ=9就是其特征值,就是相应于9得特征向量,试求一初等反射阵P,使,并计算。 7、利用初等反射阵将 正交相似约化为对称三对角阵。 8、设,且不全为零,为使得平面旋转阵,试推导计算第行,第j行元素公式及第i列,第j列元素得计算公式。 9、设就是由豪斯荷尔德方法得到得矩阵,又设y就是得一个特征向量。 (a)证明矩阵A对应得特征向量就是; (b)对于给出得y应如何计算x? 10、用带位移得QR方法计算 (a) , (b) 全部特征值。 11、试用初等反射阵A分解为QR,其中Q为正交阵,R为上三角阵, 。 数值分析习题简答 (适合课程《数值方法A》与《数值方法B》) 第一章绪论习题参考答案 1.ε(lnx)≈。 2.。 3.有5位有效数字,有2位有效数字,有4位有效数字,有5位有效数字,有2位有效数字。 4. ******4333 124124 ()()()()0.5100.5100.510 1.0510 x x x x x x εεεε----++≈++=?+?+?=?************ 123231132123 ()()()()0.214790825 x x x x x x x x x x x x εεεε ≈++= 。 5. 1()1 ()()/()0.003333 33 r r r V R V V V ε εεε =≈=== 。 6.。 7.,。 8. 9.。 10.,,故t增加时S得绝对误差增加,相对误差减小。 11.,计算过程不稳定。 12.,如果令,则,,,,,得结果最好。 13.,开平方时用六位函数表计算所得得误差为,分别代入等价公式中计算可得 43 1 1 ()ln(1)(6010310 2 f x εε-- =≈==??=? , 47 2 11 ()ln(1108.3310 602 f ε-- =≈=??=? 。 14.方程组得真解为,而无论用方程一还就是方程二代入消元均解得,结果十分可靠。15. sin sin cos tan sin s b c a a c b ab c c a b c c c s ab c a b c ??+?+???? <∴≈≤++ Q 第二章插值法习题参考答案 1、; 、 2、)1 2 )(1 2( )1 )(1 ( 4 )2 1 )(1 1 ( )2 )(1 ( )3 ( )2 1 )(1 1( )2 )(1 ( ) ( 2+ - + - ? + - - - - - - ? - + - + - + ? = x x x x x x x L 、 3、线性插值:取,则 620219 .0 ) 54 .0( ) 54 .0( 54 .0 ln 1 1 1 - = - ? - - + = ≈x x x y y y L ; 二次插值:取 510826 .0 , 693147 .0 , 916291 .0 ,6.0 ,5.0 ,4.0 2 1 2 1 - = - = - = = = =y y y x x x,则 ) )( ( ) 54 .0 )( 54 .0( ) )( ( ) 54 .0 )( 54 .0( ) )( ( ) 54 .0 )( 54 .0( 1 2 2 1 2 2 1 1 2 1 2 1 2 1 0x x x x x x y x x x x x x y x x x x x x y - - - - ? + - - - - ? + - - - - ? = =-0、616707 、 4、,其中、 所以总误差界 、 5、 当时,取得最大值 、 6、i) 对在处进行n次拉格朗日插值,则有 由于,故有、 ii) 构造函数在处进行n次拉格朗日插值,有 、 插值余项为 , 由于 故有 令即得 、 7、 以a, b 两点为插值节点作得一次插值多项式 , 据余项定理,, 由于故 . |)(|max )(81 |))((|max |)(|max 21|)(||)()(|21x f a b b x a x x f x f x L x f b x a b x a b x a ''-=--''≤ =-≤≤≤≤≤≤ 8、 截断误差 其中 则时取得最大值 、 由题意, 所以, 9、 则可得 , ,则可得 10、 数学归纳法证 当时,为m -1次多项式; 假设 就是mk 次多项式,设为,则 为m(k+1)次多项式,得证。 11、 右左 12、 , 111112100101 ----=-++-+-=?∑n n n n n k k k g f g f g f g f g f g f g f Λ . 1212210111 1 n n n n k n k k g f g f g f g f g f g f f g --=+-++-+-=?∑Λ 13、 )()()()()()(1112230112-+---++---+---=n n n n y y y y y y y y y y y y Λ 、 14、 由于就是得n 个互异得零点,所以 对求导得 , 则 , 记则 由以上两式得 15、 i) ∑ =+-----=n j n j j j j j j j n x x x x x x x x x F x x x F 011010)())(()() (],,,[ΛΛΛ ] ,,,[) ())(()() (100 110n n j n j j j j j j j x x x f c x x x x x x x x x f c ΛΛΛ?=----?=∑ =+-、 ii) 证明同上。 16、 17、 即均为得二重零点。因而有形式: 作辅助函数 则 由罗尔定理,存在使得 类似再用三次罗尔定理,存在使得 又 可得 即 18、 采用牛顿插值,作均差表: ],,[))((],[)()()(210101000x x x f x x x x x x f x x x p x p --+-+= 又由 得 所以 19、 记 则 因为,所以在上一致连续。 当时,,此时有 i i i i i i i i x x x n i x x x x x f x f x x x x x f x f i i ---+---=++++≤≤-≤≤+111110)] ()([)] ()([max max 1 由定义知当时,在上一致收敛于。 20、 在每个小区间上表示为 计算各值得C 程序如下: #include"stdio 、h" #include"math 、h" float f(float x) { return(1/(1+x*x)); } float I(float x,float a,float b) { return((xb)/(ab)*f(a)+(xa)/(ba)*f(b)); } void main { int i; float x[11],xc,xx; x[0]=5; printf("x[0]=%f\n",x[0]); for(i=1;i<=10;i++) { x[i]=x[i1]+1; printf("x[%d]=%f\n",i,x[i]); } for(i=0;i<10;i++) { xc=(x[i]+x[i+1])/2; I(xc,x[i],x[i+1]); printf("I[%d]=%f\n",i+1,I(xc,x[i],x[i+1])); } for(i=0;i<10;i++) { xx=(x[i]+x[i+1])/2; f(xx); printf("f[%d]=%f\n",i+1,f(xx)); } } 21、 在每个小区间上为 . )()(112 11211++++++-+=--+--= k k k k k k k k k k k k h x x x x x x x x x x x x x x x x I . 44)(|)(||)()(||)(|2 21112 h x x x x x x x x x f x I x R k k k k k k h =-≤++-=-=+++ 22、 则在每个小区间上表示为 .)(4)(42121)(3 112 13 2 1141112 1 412 11++++++++++++-??? ? ??--?+-???? ??--?+???? ? ?--?+??? ? ??--+???? ??--?+? ??? ??--=k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k k h x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x I 23、 则三次样条插值函数表达式为 ))(6())(6()(6)(6)(1113131-------+--+-+-=i i i i i i i i i i i i i i i i i x x h m h y x x h m h y x x h m x x h m x S i) 由,得 , 关于得方程组为 24、 i) 因为所以 右= =左。 ii) 由于为三次函数,故为常数,又,则 ,所以 dx x S x f x S x S x f x S dx x S x f x S n i x x b a i i ∑? ? =+'-''''+''-''''=''-''''0 1 )]()()[()]()()[()]()()[( 。 第三章 函数逼近与计算习题参考答案 1. (a) 区间变换公式为,代入原公式可得新区间里得伯恩斯坦多项式为 0(,)(())(),()(1)n k k n k n k k n k k x a B f x f b a a P P x C x x n b a -=-=-+=--∑; (b) 3 2 1332 3228(,),(,)(1))x x x x B f x x B f x π π π π π= = - + - + ,相应得麦克劳林级数分别 为,部分与误差则为,,大于伯恩斯坦多项式得误差。 2. , 故 ()()()(,)()n n n k k n k k k k k m m P x f P x B f x M P x M n ====≤=≤=∑∑ ∑, 当 时,11 (1)(1)101(,)(1)(1)n n k k n k k k n k n n n k k k B f x C x x x C x x x n -------===-=-=∑∑。 3. ,对任意不超过6次得多项式,在时,若有,则在上至少有7个零点,这与不超过6次矛盾,所以, 就就是所求最佳一致逼近多项式。 4. 设所求为, (,)max(,),max (),min () a x b a x b f g M c m c M f x m f x ≤≤≤≤?=--==,由47页定理4可知在 上至少有两个正负交错得偏差点,恰好分别为得最大值与最小值处,故由可以解得即为所求。 5. 原函数与零得偏差极大值点分别为,故,解方程可得出唯一解。 6. ,故,得,,故所求最佳一次逼近多项式为,又因为两个偏差点必在区间端点,故误差限为。 7. ,故由可以解得,,则有,故所求最佳一次逼近多项式为。 8. 切比雪夫多项式在上对零偏差最小,所求函数必为切比雪夫多项式得常数倍,,解得唯一 解 。 9. 作变换代入得,则在上得三次最佳逼近多项式为,作逆变换代入,则在上得三次最佳逼近多 项式为。 10. ,,,,其中。 11. ** 1 1 1 -==? ? ? ,故正交。 12. 用得4个零点做插值节点可求得三次近似最佳逼近多项式为 233()0.05240690.8550660.08482120.0306032L x x x x =-++-。 13. ,则有,其中。由拉格朗日插值得余项表达公式可得出,令,则待证不等式成立,得证。 14. 由泰勒级数项数节约,在上有 , 即 325,34515116511832119931101 ()()()()3848384016102412840961096M x x T x T x x x x ?=+ +=---+其中误差限 为5,311 151165131 max ()()0.0075683638483840164096x x M x ?-≤≤-= +=≈。 15. ,取为得近似,误差限为,再对幂级数得项数进行节约就可以得到原函数得3次逼近多项式, 其误差限为,即为所求 16. 当为上得奇函数时,设为原函数得最佳逼近多项式,则,对有,所以也就是最佳逼近多项式, 由最佳逼近多项式得唯一性,,即就是奇函数。同理可证,当为上得偶函数时,最佳逼近多项式也就是偶函数。 17. ,为使均方误差最小,则有,解得。 18. (a),,c 为常数, 121212(,)(,)(,)'()'()'()'()b b a a f f g f g f g f x g x dx f x g x dx +=+=+??,,但当时,,不满 足定义,所以不构成内积。(b),,,且当且仅当时,满足定义,所以构成内积。 19. ,,其中,则,由此可知用积分中值定理估计比许瓦兹不等式估计更精确。 20. ,时最小。在时,值为,时,值为1,时,值为,时最小。 21. 要使最小,由拉格朗日乘子法可解得,误差为,要使最小,由拉格朗日乘子法可解得,误差为, 前者误差小。 22. 上均为偶函数,也为偶函数,则最小,由拉格朗日乘子法可解得 1510595 0.1171875, 1.640625,0.820312512864128a b c = ====-=-。 23. 11sin (2)arccos sin arccos ()()2() n n n n x n x u x u x xu x +-+++= =,与差化积得证。 24. 由积分区间得对称性及勒让德多项式得奇偶性可知,,将原函数在此积分区间上按勒让德 多项 式三次展开就可以求 得,1 33153111 (,)()sin 236cos 432sin 0.00234807 22222f P x x xdx -=-=-≈-?,代入可得 *3 313()0.487611()0.00821825()0.4999380.0205456S x P x P x x x =-=-,均方误差为 1 2 12224132 1137sin (,)(,) 2.448710222n xdx f P f P δ--??=--≈????? ?。 25.,其中。 26.,,解方程得,均方误差。 27.经验公式为,最小二乘法解得,运动方程为。 28.经验公式为,最小二乘法解得,浓度与时间得函数关系为。 特别声明:考试时需带计 算器作辅助计算 1.2015x *=是经四舍五入得到的近似值,则其相对误差* r e ≤-31 104 ?. 2. 01(),(), ,()n l x l x l x 是以01,, ,n x x x 为节点的拉格朗日插值基函数,则 3.设(0)1(1)3(2)4(3)2f =,f =,f =,f =,[0123]f =,,,1 3 - . 4. 利用Simpson 公式求?2 1 2dx x = 7.3 5. 设求积公式1 0()d (),(1)n k k k f x x A f x n ≈≥∑?=是Gauss 型求积公式,则3 n k k k A x == ∑1 .4 6. 数值微分公式(2)(2) ()i i i f x h f x h f x h +≈ --'的截断误差为 2().O h 7. 设1101A ?? = ??? ,则A 的谱半径()A ρ= 1 ,A 的条件数1cond ()A = 4. 8. 用牛顿下山法求解方程3 03 x x -=根的迭代公式是 2 13 3(1),3n n n n x x x x x λ+-=-- 下山条件是 1()().n n f x f x +< 9.对任意初始向量(0)x 及任意向量f ,线性方程组的迭代公式(1)()(0,1,2,)k k k +=+=x Bx f ,迭代序列()k x 收敛于方程组的精确解x *的充分必要条件是()1.ρ 3.1证明:如果求积公式(3.4)对函数f (x )和g (x )都准确成立,则它对于线性组合af(x)+bg(x) (a,b 均为常数)亦准确成立. 因此,求积公式(3.4)具有m 次代数精度的充分必要条件是:它对任一小于等于m 次的多项均能准确成立,但对某个m+1次多项式不能准确成立. ()()不能成立 对与题设矛盾多项式都能准确成立,次多,即对任意的线性组合亦准确成立也能准确成立,则对若对的线性组合亦准确成立对次的多项式准确成立对于任意小于等于不准确成立,对的线性组合亦准确成立对成立次的多项式于等于根据定义可知:对于小次代数精度 机械求积公式具有机械求积公式也成立 对于线性组合同理可得 机械求积公式都成立 对于证明: 1m 1321321320 000 0)1(,,,,,,1,,,,,1,,,,,1),1,0()(2)()()] ()([)()()]()([) ()() ()() ()() ()()(),(1++++=======∴+? ∴?∴==∴?+∴+=+≈+∴≈≈∴≈≈∴∑∑?∑?∑?∑? ∑?∑x m x x x x x x x x x x m x x x x x m j x x f m m x bg x af x bg x af A x bg A x af A dx x bg x af x bg A dx x bg x af A dx x af x g A dx x g x f A dx x f x g x f m m m m m m j n k k k n k k k b a n k k k b a n k k k b a n k k k b a n k k k b a n k k k 3.2直接验证中矩形公式具有一次代数精度,而Simpson 公式则具有3次代数精度。 数值分析试题 一、 填空题(2 0×2′) 1. ?? ????-=? ?????-=32,1223X A 设x =是精确值x *=的近似值,则x 有 2 位 有效数字。 2. 若f (x )=x 7-x 3+1,则f [20,21,22,23,24,25,26,27]= 1 , f [20,21,22,23,24,25,26,27,28]= 0 。 3. 设,‖A ‖∞=___5 ____,‖X ‖∞=__ 3_____, ‖AX ‖∞≤_15_ __。 4. 非线性方程f (x )=0的迭代函数x =?(x )在有解区间满足 |?’(x )| <1 ,则使用该迭代 函数的迭代解法一定是局部收敛的。 5. 区间[a ,b ]上的三次样条插值函数S (x )在[a ,b ]上具有直到 2 阶的连续导数。 6. 当插值节点为等距分布时,若所求节点靠近首节点,应该选用等距节点下牛顿差商 公式的 前插公式 ,若所求节点靠近尾节点,应该选用等距节点下牛顿差商公式的 后插公式 ;如果要估计结果的舍入误差,应该选用插值公式中的 拉格朗日插值公式 。 7. 拉格朗日插值公式中f (x i )的系数a i (x )的特点是:=∑=n i i x a 0)( 1 ;所以当 系数a i (x )满足 a i (x )>1 ,计算时不会放大f (x i )的误差。 8. 要使 20的近似值的相对误差小于%,至少要取 4 位有效数字。 9. 对任意初始向量X (0)及任意向量g ,线性方程组的迭代公式x (k +1)=Bx (k )+g (k =0,1,…)收 敛于方程组的精确解x *的充分必要条件是 ?(B)<1 。 10. 由下列数据所确定的插值多项式的次数最高是 5 。 11. 牛顿下山法的下山条件为 |f(xn+1)|<|f(xn)| 。 12. 线性方程组的松弛迭代法是通过逐渐减少残差r i (i =0,1,…,n )来实现的,其中的残差 r i = (b i -a i1x 1-a i2x 2-…-a in x n )/a ii ,(i =0,1,…,n )。 13. 在非线性方程f (x )=0使用各种切线法迭代求解时,若在迭代区间存在唯一解,且f (x ) 第一章典型例题 例3 ln2=0.…,精确到10-3的近似值是多少 解 精确到10-3=,即绝对误差限是=, 故至少要保留小数点后三位才可以。ln2 第二章典型例题 例1 用顺序消去法解线性方程组 ??? ??1 -=4+2+4=+2+31 -=4++2321 321321x x x x x x x x x 解 顺序消元 ?? ?? ??????---???→???????????---????→???????????--=-?+-?+-?+1717005.555.00141 25.025.105.555.001412142141231412]b A [)3()2/1()2/3(231312r r r r r r M 于是有同解方程组 ?? ? ??-==--=++17175.555.0142332321x x x x x x 回代得解 x 3=-1, x 2=1,x 1=1,原线性方程组的解为X =(1,1,-1)T 例2 取初始向量X (0)=(0,0,0)T ,用雅可比迭代法求解线性方程组 ??? ??5 =+2+23=++1=2-2+321 321321x x x x x x x x x 解 建立迭代格式 ???????+--=+--=++-=+++5223122) (2)(1)1(3 ) (3)(1)1(2 ) (3)(2)1(1k k k k k k k k k x x x x x x x x x (k =1,2,3,…) 第1次迭代,k =0 X (0)=0,得到X (1)=(1,3,5)T 第2次迭代,k =1 ???????-=+?-?-=-=+--==+?+?-=3 532123 351515232)2(3) 2(2)2(1x x x X (2)=(5,-3,-3)T 第3次迭代,k =2 ???????=+-?-?-==+---==+-?+-?-=1 5)3(2521 3)3(511)3(2)3(2)2(3) 3(2)3(1x x x X (3)=(1,1,1)T 第4次迭代,k =3 ???????=+?-?-==+--==+?+?-=1 512121 311111212)2(3) 2(2)2(1x x x X (4)=(1,1,1)T 例4 证明例2的线性方程组,雅可比迭代法收敛,而高斯-赛德尔迭代法发散。 证明 例2中线性方程组的系数矩阵为 A =?? ?? ? ?????-122111221 于是 D =?? ?? ??????100010001 D -1=D ??????????=022001000L ~ ????? ?????-=000100220U ~ 雅可比迭代矩阵为 数值分析 第二章 2.当1,1,2x =-时,()0,3,4f x =-,求()f x 的二次插值多项式。 解: 0120121200102021101201220211,1,2, ()0,()3,()4;()()1 ()(1)(2)()()2()()1 ()(1)(2) ()()6 ()()1 ()(1)(1) ()()3 x x x f x f x f x x x x x l x x x x x x x x x x x l x x x x x x x x x x x l x x x x x x x ==-===-=--==-+-----==------= =-+-- 则二次拉格朗日插值多项式为 2 20 ()()k k k L x y l x ==∑ 0223()4() 14 (1)(2)(1)(1)23 537623 l x l x x x x x x x =-+=---+ -+= +- 6.设,0,1,,j x j n =L 为互异节点,求证: (1) 0()n k k j j j x l x x =≡∑ (0,1,,);k n =L (2) ()()0n k j j j x x l x =-≡∑ (0,1,,);k n =L 证明 (1) 令()k f x x = 若插值节点为,0,1,,j x j n =L ,则函数()f x 的n 次插值多项式为0 ()()n k n j j j L x x l x == ∑。 插值余项为(1)1() ()()()()(1)! n n n n f R x f x L x x n ξω++=-= + 又,k n ≤Q (1)()0 ()0 n n f R x ξ+∴=∴= 0()n k k j j j x l x x =∴=∑ (0,1,,);k n =L 0 000 (2)()() (())()()(()) n k j j j n n j i k i k j j j i n n i k i i k j j i j x x l x C x x l x C x x l x =-==-==-=-=-∑∑∑∑∑ 0i n ≤≤Q 又 由上题结论可知 ()n k i j j j x l x x ==∑ ()()0 n i k i i k i k C x x x x -=∴=-=-=∑原式 ∴得证。 7设[]2 (),f x C a b ∈且()()0,f a f b ==求证: 21 max ()()max ().8 a x b a x b f x b a f x ≤≤≤≤''≤- 解:令01,x a x b ==,以此为插值节点,则线性插值多项式为 10 101010 ()() ()x x x x L x f x f x x x x x --=+-- =() ()x b x a f a f b a b x a --=+-- 1()()0()0 f a f b L x ==∴=Q 又 数值分析典型习题 特别声明:考试时需带计 算器作辅助计算 1.2015x *=是经四舍五入得到的近似值,则其相对误差* r e ≤ -31 104 ?. 2. 01(),(),,()n l x l x l x L 是以01,,,n x x x L 为节点的拉格朗日插值基函数,则 3.设(0)1(1)3(2)4(3)2f =,f =,f =,f =,[0123]f =,,,1 3 - . 4. 利用Simpson 公式求?2 1 2dx x = 7.3 5. 设求积公式1 0()d (),(1)n k k k f x x A f x n ≈≥∑?=是Gauss 型求积公式,则3 n k k k A x == ∑1 .4 6. 数值微分公式(2)(2) ()i i i f x h f x h f x h +≈ --'的截断误差为 2().O h 7. 设1101A ?? = ??? ,则A 的谱半径()A ρ= 1 ,A 的条件数1cond ()A = 4. 8. 用牛顿下山法求解方程3 03 x x -=根的迭代公式是 2 13 3(1),3n n n n x x x x x λ+-=-- 下山条件是 1()().n n f x f x +< 9.对任意初始向量(0)x 及任意向量f ,线性方程组的迭代公式(1)()(0,1,2,)k k k +=+=L x Bx f ,迭代序列()k x 收敛于方程组的精确解x *的充分必要条件是()1.ρ 第四版 数值分析习题 第一章绪论 1.设x>0,x得相对误差为δ,求得误差、 2.设x得相对误差为2%,求得相对误差、 3.下列各数都就是经过四舍五入得到得近似数,即误差限不超过最后一位得半个单位,试指 出它们就是几位有效数字: 4.利用公式(3、3)求下列各近似值得误差限: 其中均为第3题所给得数、 5.计算球体积要使相对误差限为1%,问度量半径R时允许得相对误差限就是多少? 6.设按递推公式 ( n=1,2,…) 计算到、若取≈27、982(五位有效数字),试问计算将有多大误差? 7.求方程得两个根,使它至少具有四位有效数字(≈27、982)、 8.当N充分大时,怎样求? 9.正方形得边长大约为100㎝,应怎样测量才能使其面积误差不超过1㎝? 10.设假定g就是准确得,而对t得测量有±0、1秒得误差,证明当t增加时S得绝对误差增 加,而相对误差却减小、 11.序列满足递推关系(n=1,2,…),若(三位有效数字),计算到时误差有多大?这个计算过程 稳定吗? 12.计算,取,利用下列等式计算,哪一个得到得结果最好? 13.,求f(30)得值、若开平方用六位函数表,问求对数时误差有多大?若改用另一等价公式 计算,求对数时误差有多大? 14.试用消元法解方程组假定只用三位数计算,问结果就是否可靠? 15.已知三角形面积其中c为弧度,,且测量a ,b ,c得误差分别为证明面积得误差满足 第二章插值法 1.根据(2、2)定义得范德蒙行列式,令 证明就是n次多项式,它得根就是,且 、 2.当x= 1 , -1 , 2 时, f(x)= 0 , -3 , 4 ,求f(x)得二次插值多项式、 3. 4., 研究用线性插值求cos x 近似值时得总误差界、 一、单项选择题(每小题3分,共15分) 1. 3.142和3.141分别作为π的近似数具有( )和( )位有效数字. A .4和3 B .3和2 C .3和4 D .4和4 2. 已知求积公式 ()()2 1 121 1()(2)636f x dx f Af f ≈ ++? ,则A =( ) A . 16 B .13 C .12 D .2 3 3. 通过点 ()()0011,,,x y x y 的拉格朗日插值基函数()()01,l x l x 满足( ) A . ()00l x =0, ()110l x = B . ()00l x =0, ()111l x = C .() 00l x =1,()111 l x = D . () 00l x =1,()111 l x = 4. 设求方程 ()0 f x =的根的牛顿法收敛,则它具有( )敛速。 A .超线性 B .平方 C .线性 D .三次 5. 用列主元消元法解线性方程组 1231231 220223332 x x x x x x x x ++=?? ++=??--=? 作第一次消元后得到的第3个方程( ). A . 232 x x -+= B .232 1.5 3.5 x x -+= C . 2323 x x -+= D . 230.5 1.5 x x -=- 单项选择题答案 1.A 2.D 3.D 4.C 5.B 得 分 评卷人 二、填空题(每小题3分,共15分) 1. 设T X )4,3,2(-=, 则=1||||X ,2||||X = . 2. 一阶均差 ()01,f x x = 3. 已知3n =时,科茨系数()()() 33301213,88C C C ===,那么 () 33C = 4. 因为方程()420 x f x x =-+=在区间 []1,2上满足 ,所以()0f x =在区间 内有根。 5. 取步长0.1h =,用欧拉法解初值问题 ()211y y y x y ?'=+?? ?=? 的计算公式 . 填空题答案 1. 9和29 2. ()() 0101 f x f x x x -- 3. 1 8 4. ()()120 f f < 5. ()12 00.1 1.1,0,1,210.11k k y y k k y +???? ?=+? ?=+???? =??L 得 分 评卷人 三、计算题(每题15分,共60分) 1. 已知函数 21 1y x = +的一组数据: 求分 段线性插值函数,并计算 () 1.5f 的近似值. 计算题1.答案 1. 解 []0,1x ∈, ()1010.510.50110x x L x x --=?+?=---% []1,2x ∈,()210.50.20.30.81221x x L x x --=?+?=-+--% 第一章典型例题 例3…,精确到10-3的近似值是多少? 解 精确到10-3=,即绝对误差限是?=, 故至少要保留小数点后三位才 可以。ln2? 第二章典型例题 例1 用顺序消去法解线性方程组 解 顺序消元 于是有同解方程组 回代得解 x 3=-1, x 2=1,x 1=1,原线性方程组的解为X =(1,1,-1)T 例2 取初始向量X (0)=(0,0,0)T ,用雅可比迭代法求解线性方程组 解 建立迭代格式 ??? ????+--=+--=++-=+++5223122)(2)(1)1(3) (3)(1)1(2 )(3)(2)1(1k k k k k k k k k x x x x x x x x x (k =1,2,3,…) 第1次迭代,k =0 X (0)=0,得到X (1)=(1,3,5)T 第2次迭代,k =1 X (2)=(5,-3,-3)T 第3次迭代,k =2 X (3)=(1,1,1)T 第4次迭代,k =3 X (4)=(1,1,1)T 例4 证明例2的线性方程组,雅可比迭代法收敛,而高斯-赛德尔迭 代法发散。 证明 例2中线性方程组的系数矩阵为 A =?? ?? ? ?????-122111221 于是 D =?? ?? ??????100010001 D -1 =D ?? ?? ? ?????=022001000L ~ ?? ?? ? ?????-=000100220U ~ 雅可比迭代矩阵为 B 0=?? ?? ? ?????--=??????????-??????????-=+--022101220022101220100010001)U ~L ~(D 1 得到矩阵B 0的特征根03,2,1=λ,根据迭代基本定理4,雅可比迭代法收敛。 高斯-赛德尔迭代矩阵为 G =-U ~ )L ~D (1-+ =-?? ?? ??????----=??????????-??????????---=??????????-??????????-2003202200001002201200110010001002201220110011 解得特征根为?1=0,?2,3=2。由迭代基本定理4知,高斯-赛德尔迭代发散。 例5 填空选择题: 1. 用高斯列主元消去法解线性方程组 作第1次消元后的第2,3个方程分别为 。 数值分析整理版试题及答案 例1、 已知函数表 x -1 1 2 ()f x -3 0 4 求()f x 的Lagrange 二次插值多项式和Newton 二次插值多项式。 解: (1)k x -1 1 2 k y -3 0 4 插值基函数分别为 ()()()()()()()()()() 1200102121()1211126 x x x x x x l x x x x x x x ----= ==-------- ()()()()()()()() ()()021******* ()1211122x x x x x x l x x x x x x x --+-= ==-+---+- ()()()()()()()()()()0122021111 ()1121213 x x x x x x l x x x x x x x --+-= ==-+--+- 故所求二次拉格朗日插值多项式为 () ()()()()()()()()()()2 20 2()11131201241162314 121123537623k k k L x y l x x x x x x x x x x x x x ==?? =-? --+?-+-+?+-????=---++-=+-∑ (2)一阶均差、二阶均差分别为 []()()[]()()[][][]010********* 011201202303 ,11204 ,412 3 4,,5 2,,126 f x f x f x x x x f x f x f x x x x f x x f x x f x x x x x ---===-----= = =----=== --- k x ()k f x 一阶 二阶 -1 -3 1 0 3/ 2 2 4 4 5/6 故所求Newton 二次插值多项式为 ()()[]()[]()() ()()()20010012012,,,35 311126537623P x f x f x x x x f x x x x x x x x x x x x =+-+--=-+ +++-=+- 例2、 设2 ()32f x x x =++,[0,1]x ∈,试求()f x 在[0, 1]上关于()1x ρ=,{} span 1,x Φ=的最佳平方逼近多项式。 解: 若{}span 1,x Φ=,则0()1x ?=,1()x x ?=,且()1x ρ=,这样,有 数值分析典型例题 例1 对下列各数写出具有5位有效数字的近似值。236.478, 0.00234711, 9.000024, 9.0000343 10?. 解:按照定义,以上各数具有5位有效数字的近似值分别为:236.478, 0.0023471, 9.0000, 9.0000310?。 注意: *x =9.000024的5位有效数字是9.0000而不是9,因为9 是1位有效数字。 例2 指出下列各数具有几位有效数字。2.0004, -0.00200, -9000, 9310?, 23 10-?。 解:按照定义,以上各数的有效数字位数分别为5, 3, 4,1,1 例3 已测得某物体行程* s 的近似值s=800m ,所需时间* s 的近似值为t=35s ,若已知m s s s t t 5.0||,05.0||**≤-≤-,试求平均速度v 的绝对误差和相对误差限。 解:因为t s v /=,所以)()(1)()()(2t e t s s e t t e t v s e s v v e -=??+??≈ 从 而 05.00469.035 800 5.0351|)(||||)(|1|)(|22≤≈+?≤+≤t e t s s e t v e 同样v v e v e r )()(≈)()()()(t e s e t e v t t v s e v s s v r r r -=??+??= 所以00205.035 05 .08005.0|)(||)(||)(|≈+≤+≤t e s e v e r r r 因此绝对误差限和相对误差限分别为0.05和0.00205。 例4试建立积分20,,1,05 =+=n dx x x I n n 的递推关系,并研究它的误差 传递。 解:151 --= n n I n I ……………………………………………..…...(1) 5ln 6ln 0-=I ,计算出0I 后可通过(1)依次递推计算出1I ,…,20I 。 但是计算0I 时有误差0e ,由此计算出的1I ,…,20I 也有误差,由(1)可 知近似值之间的递推关系为 151 --= n n I n I ……………………………………………….…..(2) (1)-(2)可得 01)5(5e e e n n n -=-=-,由0I 计算n I 时误差被放大了n 5倍。所以(1)不稳 定。 (1) 可以改写为 n I I n n 51 511+ -=- ……………………………………… (3) 如果能先求出20I ,则依次可以求出19I ,…,0I ,计算20I 时有误差,这样根据(3)计算19I ,…,0I 就有误差,误差传播为 n n n e e ?? ? ??-=-511 ,误差依次减少。 例5 用二分法求解方程012)(23=+--=x x x x f 在区间[0,1]内的1个实根,要求有3为有效数字。 解:因为0)1()0( 第四版 数值分析习题 第一章 绪 论 1. 设x >0,x 的相对误差为δ,求ln x 的误差. 2. 设x 的相对误差为2%,求n x 的相对误差. 3. 下列各数都是经过四舍五入得到的近似数,即误差限不超过最后一位的半个单位,试指 出它们是几位有效数字: *****123451.1021,0.031,385.6,56.430,7 1.0.x x x x x =====? 4. 利用公式求下列各近似值的误差限: ********12412324(),(),()/,i x x x ii x x x iii x x ++其中**** 1234 ,,,x x x x 均为第3题所给的数. 5. 计算球体积要使相对误差限为1%,问度量半径R 时允许的相对误差限是多少? 6. 设028,Y =按递推公式 1n n Y Y -=…) 计算到100Y .(五位有效数字),试问计算100Y 将有多大误差? 7. 求方程2 5610x x -+=的两个根,使它至少具有四位有效数字. 8. 当N 充分大时,怎样求 2 11N dx x +∞ +? ? 9. 正方形的边长大约为100㎝,应怎样测量才能使其面积误差不超过1㎝2 ? 10. 设 212S gt = 假定g 是准确的,而对t 的测量有±秒的误差,证明当t 增加时S 的绝对误 差增加,而相对误差却减小. 11. 序列 {}n y 满足递推关系1101n n y y -=-(n=1,2,…),若0 1.41y =≈(三位有效数字), 计算到 10y 时误差有多大?这个计算过程稳定吗? 12. 计算61)f =, 1.4≈,利用下列等式计算,哪一个得到的结果最好? 3 -- 13. ()ln(f x x =,求f (30)的值.若开平方用六位函数表,问求对数时误差有多大?若改用另一等价公式 ln(ln(x x =- 计算,求对数时误差有多大? 数值分析习题集 (适合课程《数值方法A 》和《数值方法B 》) 长沙理工大学 第一章 绪 论 1. 设x >0,x 的相对误差为δ,求ln x 的误差. 2. 设x 的相对误差为2%,求n x 的相对误差. 3. 下列各数都是经过四舍五入得到的近似数,即误差限不超过最后一位的半个单位,试指 出它们是几位有效数字: *****123451.1021,0.031,385.6,56.430,7 1.0.x x x x x =====? 4. 利用公式(3.3)求下列各近似值的误差限: ********12412324(),(),()/,i x x x ii x x x iii x x ++其中**** 1234 ,,,x x x x 均为第3题所给的数. 5. 计算球体积要使相对误差限为1%,问度量半径R 时允许的相对误差限是多少? 6. 设028,Y =按递推公式 1n n Y Y -=…) 计算到100Y .27.982(五位有效数字),试问计算100Y 将有多大误差? 7. 求方程2 5610x x -+=的两个根,使它至少具有四位有效数字27.982). 8. 当N 充分大时,怎样求2 1 1N dx x +∞+?? 9. 正方形的边长大约为100㎝,应怎样测量才能使其面积误差不超过1㎝2 ? 10. 设 212S gt = 假定g 是准确的,而对t 的测量有±0.1秒的误差,证明当t 增加时S 的绝对 误差增加,而相对误差却减小. 11. 序列 {}n y 满足递推关系1101n n y y -=-(n=1,2,…),若0 1.41y =≈(三位有效数字), 计算到 10y 时误差有多大?这个计算过程稳定吗? 12. 计算6 1)f =, 1.4≈,利用下列等式计算,哪一个得到的结果最好? 3 -- 13. ()ln(f x x =,求f (30)的值.若开平方用六位函数表,问求对数时误差有多大? 数值分析试题及答案 一、单项选择题(每小题3分,共15分) 1. 3.142和3.141分别作为的近似数具有()和()位有效数字. A.4和3 B.3和2 C.3和4 D.4和4 2. 已知求积公式,则=() A. B.C.D. 3. 通过点的拉格朗日插值基函数满足() A.=0,B.=0, C.=1,D.=1, 4. 设求方程的根的牛顿法收敛,则它具有()敛速。 A.超线性B.平方C.线性D.三次 5. 用列主元消元法解线性方程组作第一次消元后得到的第3个方程(). A.B. C.D. 单项选择题答案 1.A 2.D 3.D 4.C 5.B 得分评卷 人 二、填空题(每小题3分,共15分) 1. 设, 则, . 2. 一阶均差 3. 已知时,科茨系数,那么 4. 因为方程在区间上满足,所以在区间内有根。 5. 取步长,用欧拉法解初值问题的计算公式.填空题答案 1. 9和 2. 3. 4. 5. 得分评卷 人 三、计算题(每题15分,共60分) 1. 已知函数的一组数据:求分段线性插值函数,并计算的近似值. 计算题1.答案 1. 解, , 所以分段线性插值函数为 2. 已知线性方程组 (1)写出雅可比迭代公式、高斯-塞德尔迭代公式; (2)对于初始值,应用雅可比迭代公式、高斯-塞德尔迭代公式分别计算(保留小数点后五位数字). 计算题2.答案 1.解原方程组同解变形为 雅可比迭代公式为 高斯-塞德尔迭代法公式 用雅可比迭代公式得 用高斯-塞德尔迭代公式得 3. 用牛顿法求方程在之间的近似根 (1)请指出为什么初值应取2? (2)请用牛顿法求出近似根,精确到0.0001. 计算题3.答案 数值分析教案 土建学院 工程力学系 2014年2月 一、课程基本信息 1、课程英文名称:Numerical Analysis 2、课程类别:专业基础课程 3、课程学时:总学时32 4、学分:2 5、先修课程:《高等数学》、《线性代数》、《C 语言》 6、适用专业:工程力学 二、课程的目的与任务: 数值分析是工程力学专业的重要理论基础课程,是现代数学的一个重要分支。其主要任务是介绍进行科学计算的理论方法,即在计算机上对来自科学研究和工程实际中的数学问题进行数值计算和分析的理论和方法。通过本课程的学习,不仅使学生初步掌握数值分析的基本理论知识,而且使学生具备一定的科学计算的能力、分析问题和解决问题的能力,为学习后继课程以及将来从事科学计算、计算机应用和科学研究等工作奠定必要的数学基础。 三、课程的基本要求: 1.掌握数值分析的常用的基本的数值计算方法 2.掌握数值分析的基本理论、分析方法和原理 3.能利用计算机解决科学和工程中的某些数值计算应用问题,增强学生综合运用知识的能力 4.了解科学计算的发展方向和应用前景 四、教学内容、要求及学时分配: (一) 理论教学: 引论(2学时) 第一讲(1-2节) 1.教学内容: 数值分析(计算方法)这门课程的形成背景及主要研究内容、研究方法、主要特点;算法的有关概念及要求;误差的来源、意义、及其有关概念。数值计算中应注意的一些问题。 2.重点难点: 算法设计及其表达法;误差的基本概念。数值计算中应注意的一些问题。3.教学目标: 了解数值分析的基本概念;掌握误差的基本概念:误差、相对误差、误差限、相对误差限、有效数字;理解有效数字与误差的关系。学会选用相对较好的数值计算方法。 数值分析典型例题 Revised as of 23 November 2020 第一章典型例题 例3 ln2=0.…,精确到10-3的近似值是多少 解 精确到10-3=,即绝对误差限是=, 故至少要保留小数点后 三位才可以。ln2 第二章典型例题 例1 用顺序消去法解线性方程组 ??? ??1 -=4+2+4=+2+31-=4++2321 321321x x x x x x x x x 解 顺序消元 ?? ?? ??????---???→???????????---????→???????????--=-?+-?+-?+1717005.555.00141 25.025.105.555.001412142141231412]b A [)3()2/1()2/3(231312r r r r r r 于是有同解方程组 ?? ? ??-==--=++17175.555.01 42332321x x x x x x 回代得解 x 3=-1, x 2=1,x 1=1,原线性方程组的解为X =(1,1,-1)T 例2 取初始向量X (0)=(0,0,0)T ,用雅可比迭代法求解线性方程组 ??? ??5 =+2+23=++1=2-2+321 321321x x x x x x x x x 解 建立迭代格式 ???????+--=+--=++-=+++5223122) (2)(1)1(3 ) (3)(1)1(2 ) (3)(2)1(1k k k k k k k k k x x x x x x x x x (k =1,2,3,…) 第1次迭代,k =0 X (0)=0,得到X (1)=(1,3,5)T 第2次迭代,k =1 ???????-=+?-?-=-=+--==+?+?-=3 532123 351515232)2(3) 2(2)2(1x x x X (2)=(5,-3,-3)T 第3次迭代,k =2 ???????=+-?-?-==+---==+-?+-?-=1 5)3(2521 3)3(511)3(2)3(2)2(3) 3(2) 3(1x x x X (3)=(1,1,1)T 第4次迭代,k =3 ???????=+?-?-==+--==+?+?-=1 512121 311111212)2(3)2(2) 2(1x x x X (4)=(1,1,1)T 例4 证明例2的线性方程组,雅可比迭代法收敛,而高斯- 赛德尔迭代法发散。 证明 例2中线性方程组的系数矩阵为 A =?? ?? ? ?????-122111221 于是 D =??????????100010001 D -1=D ??????????=022001000L ~ ?? ?? ? ?????-=000100220U ~ 雅可比迭代矩阵为 第一章 绪论 p19 2.设x 的相对误差为2%,求n x 的相对误差。 解:设()n f x x =,则函数的条件数为'() | |() p xf x C f x = 又 1 '()n f x nx -=, 1 ||n p x nx C n n -?∴== 又 ((*))(*)r p r x n C x εε≈? 且(*)r e x 为2% ((*))0.02n r x n ε∴≈ 5计算球体积要使相对误差限为1,问度量半径R 时允许的相对误差限是多少? 解:球体体积为343 V R π= 则何种函数的条件数为 2 3'4343 p R V R R C V R ππ=== (*)(*)3(*)r p r r V C R R εεε∴≈= 又 (*)1r V ε= 故度量半径R 时允许的相对误差限为1 (*)10.333 r R ε= ?≈ 7.求方程2 5610x x -+=的两个根,使它至少具有427.982 =)。 解:2 5610x x -+= , 故方程的根应为1,228x =故 128 2827.98255.982x = ≈+= 1x ∴具有5位有效数字 211 280.0178632827.98255.982 x =-= ≈ =≈+ 2x 具有5位有效数字 9.正方形的边长大约为了100cm ,应怎样测量才能使其面积误差不超过2 1cm ? 解:正方形的面积函数为2 ()A x x = p7 当*100x =时,若(*)1A ε≤, 则21 (*)102 x ε-≤ ? 故测量中边长误差限不超过0.005cm 时,才能使其面积误差不超过2 1cm 第二章 插值法p48 1.当1,1,2 x =-时,()0,3,4f x =-, 分别用单项式基底、拉格朗日基底、牛顿基底求() f x 的二次插值多项式。 解: 0120121200102021101201220211,1,2, ()0,()3,()4;()()1 ()(1)(2)()()2()()1 ()(1)(2) ()()6 ()()1 ()(1)(1) ()()3 x x x f x f x f x x x x x l x x x x x x x x x x x l x x x x x x x x x x x l x x x x x x x ==-===-=--==-+-----==------= =-+-- 则二次拉格朗日插值多项式为 2 20 ()()k k k L x y l x ==∑ 0223()4() 14 (1)(2)(1)(1)23537623 l x l x x x x x x x =-+=---+-+=+- 2.给出()ln f x x =的数值表 用线性插值及二次插值计算的近似值。 解:由表格知, 第三章 函数逼近与曲线拟合 1. ()sin 2 f x x π =,给出[0,1]上的伯恩斯坦多项式1(,)B f x 及3(,)B f x 。 解: ()sin ,2 f x π = [0,1]x ∈ 伯恩斯坦多项式为 (,)()()n n k k k B f x f P x n ==∑ 其中()(1)k n k k n P x x x k -??=- ??? 当1n =时, 01()(1)0P x x ?? =- ??? 1101()(,)(0)()(1)()1(1)sin(0)sin 022P x x B f x f P x f P x x x x ππ=∴=+??=-?+ ??? = 当3n =时, 3 022 122233 31()(1)01()(1)3(1) 03()(1)3(1) 13()3P x x P x x x x x P x x x x x P x x x ?? =- ?????=-=- ????? =-=- ????? == ??? 3 3022322 33223 (,)()() 03(1)sin 3(1)sin sin 6 3 2 3(1)(1)25632221.50.4020.098k k k B f x f P x n x x x x x x x x x x x x x x x π π π =∴==+-+-+= --+-=++≈--∑ 2. 当()f x x =时,求证(,)n B f x x = 证明: 若()f x x =,则 (,)()()n n k k k B f x f P x n ==∑ 001 11(1)(1) 11(1)(1)(1)(1)!(1)[(1)(1)1](1)(1)!1(1) 11(1)1[(1)]n k n k k n k n k k n k n k k n k n k k n k n k k n n k x x k n k n n n k x x n k n n k x x k n x x k n x x x k x x x x -=-=-=-=----=-?? =- ???--+=-----+=---??=- ?-??-??=- ?-?? =+-=∑∑∑∑∑ 3.证明函数1,,,n x x 线性无关 证明: 若20120,n n a a x a x a x x R ++++=?∈ 分别取(0,1,2,,)k x k n = ,对上式两端在[0,1]上作带权()1x ρ≡的内积,得 例1、 已知函数表 求()f x 的Lagrange 二次插值多项式和Newton 二次插值多项式。 解: (1) 插值基函数分别为 ()()()()()()()()()() 1200102121()1211126 x x x x x x l x x x x x x x ----= ==-------- ()()()()()()()() ()()021******* ()1211122x x x x x x l x x x x x x x --+-= ==-+---+- ()()()()()()()()()()0122021111 ()1121213 x x x x x x l x x x x x x x --+-= ==-+--+- 故所求二次拉格朗日插值多项式为 () ()()()()()()()()()()2 20 2()11131201241162314 121123537623k k k L x y l x x x x x x x x x x x x x ==?? =-? --+?-+-+?+-????=---++-=+-∑ (2)一阶均差、二阶均差分别为 []()()[]()()[][][]010********* 011201202303 ,11204 ,412 3 4,,5 2,,126 f x f x f x x x x f x f x f x x x x f x x f x x f x x x x x ---=== -----= ==----=== --- 故所求Newton 二次插值多项式为 ()()[]()[]()() ()()()20010012012,,,35 311126537623P x f x f x x x x f x x x x x x x x x x x x =+-+--=-+ +++-=+- 例2、 设2 ()32f x x x =++,[0,1]x ∈,试求()f x 在[0, 1]上关于()1x ρ=,{} span 1,x Φ=的最佳平方逼近多项式。 解: 若{}span 1,x Φ=,则0()1x ?=,1()x x ?=,且()1x ρ=,这样,有 ()()()()()()()()1 1 200110 1 1 2011000 1 210 1 ,11, ,3 1 23 ,,, ,3226 9,324 dx x dx xdx f x x dx f x x x dx ??????????==== ====++= =++= ????? 所以,法方程为 01123126119234a a ??????????=?????????? ??????? ?? ?,经过消元得012311 62110123a a ??? ???? ???=???????????????????? 再回代解该方程,得到14a =,011 6 a = 故,所求最佳平方逼近多项式为* 111 ()46 S x x = + 例3、 设()x f x e =,[0,1]x ∈,试求()f x 在[0, 1]上关于()1x ρ=,{}span 1,x Φ=的最佳 平方逼近多项式。 解: 若{}span 1,x Φ=,则0()1x ?=,1()x x ?=,这样,有数值分析典型习题
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