数值分析-第一章全部
数值分析第五版答案(全)
第一章 绪论1．设0x >,x 的相对误差为δ，求ln x 的误差。
解：近似值*x 的相对误差为*****r e x x e x x δ-=== 而ln x 的误差为()1ln *ln *ln **e x x x e x =-≈ 进而有(ln *)x εδ≈2．设x 的相对误差为2%，求nx 的相对误差。
解：设()nf 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∴≈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：*1 1.1021x =,*20.031x =, *3385.6x =, *456.430x =,*57 1.0.x =⨯ 解：*1 1.1021x =是五位有效数字； *20.031x =是二位有效数字； *3385.6x =是四位有效数字； *456.430x =是五位有效数字；*57 1.0.x =⨯是二位有效数字。
4．利用公式(2.3)求下列各近似值的误差限：(1) ***124x x x ++,(2) ***123x x x ,(3) **24/x x . 其中****1234,,,x x x x 均为第3题所给的数。
解：*41*32*13*34*151()1021()1021()1021()1021()102x x x x x εεεεε-----=⨯=⨯=⨯=⨯=⨯***124***1244333(1)()()()()1111010102221.0510x x x x x x εεεε----++=++=⨯+⨯+⨯=⨯ ***123*********123231132143(2)()()()()1111.10210.031100.031385.610 1.1021385.6102220.215x x x x x x x x x x x x εεεε---=++=⨯⨯⨯+⨯⨯⨯+⨯⨯⨯≈**24****2442*4335(3)(/)()()110.0311056.430102256.43056.43010x x x x x x xεεε---+≈⨯⨯+⨯⨯=⨯=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343V R π=则何种函数的条件数为23'4343p 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(*)10.333r R ε=⨯≈6．设028Y =，按递推公式1n n Y Y -= （n=1,2,…）计算到100Y 27.982≈（5位有效数字），试问计算100Y 将有多大误差？解：1n n Y Y -=-10099Y Y ∴=9998Y Y =-9897Y Y =……10Y Y =-依次代入后，有1000100Y Y =-即1000Y Y =，27.982≈, 100027.982Y Y ∴=-*310001()()(27.982)102Y Y εεε-∴=+=⨯100Y ∴的误差限为31102-⨯。
数值分析第一章PPT
1.1.2 计算数学与科学计算 现代科学的三个组成部分: 科学理论, 科学实验, 科学计算 科学计算 的核心内容是以现代化的计算机及数学软件 （Matlab, Mathematica, Maple, MathCAD etc. ）为工具，以数学 模型为基础进行模拟研究。
一些边缘学科的相继出现：
计算数学,计算物理学,计算力学,计算化学,计算生物学, 计算地质学,计算经济学,等等
取 0 e
1
x2
dx S4 ,
S4
R4
/* Remainder */
1 1 1 1 由留下部分 称为截断误差 /* Truncation Error */ 4! 9 5! 11 /* included terms */ 1 1 这里 R4 引起.005 0 由截去部分 4! 9 /* excluded terms */ 1 1 1 S4 1 1 0 .333 0 .1 0 .024 0 .743 引起 3 10 42 | 舍入误差 /* Roundoff Error */ | 0.0005 2 0.001
数值分析
第1章
数值分析与科学计算引论
§1.1 数值分析的对象、作用与特点
1.1.1 什么是数值分析 数值分析是计算数学的主要部分,计算数学是数学 科学的一个分支,它研究用计算机求解各种数学问题的 数值计算方法及其理论与软件实现.这门课程又称为(数 值)计算方法、科学与工程计算等。
•
在电子计算机成为数值计算的主要工具的今天， 需要研究适合计算机使用的数值计算方法。使用计 算机解决科学计算问题时大致要经历如下几个过程:
造成这种情况的是不稳定的算法 /* unstable algorithm */ 我们有责任改变。
数值分析课件 第一章 绪论
1 e 0 1 x n e 0 d I n x 1 e 0 1 x n e 1 d x e 1 1 ( ) I n n n 1 1
公式一：I n 1 e [ x n e x 1 0 n 0 1 x n 1 e x d x ] 1 n I n 1
I01 e 01exdx11 e0.63212 记为0I5 0* 6 此公式精确成
初始的小扰动 |E 0|0.51 0 8迅速积累，误差呈递增趋势。 造成这种情况的是不稳定的算法 /* unstable algorithm */ 我们有责任改变。
公式二： I n 1 n I n 1 I n 1 n 1 ( 1 I n )
方法：先估计一个IN ,再反推要求的In ( n << N )。 注 意在e此理(N 公论1 式上1)与等公价IN 式。一N 1 1
)
0 .0 6 6 8 7 0 2 2 0
I
12
1 (1 13
I
13
)
0 .0 7 1 7 7 9 2 1 4
I
11
1 (1 12
I
12
)
0 .0 7 7 3 5 1 7 3 2
I
10
1 11
(1
I
11
)
0 .0 8 3 8 7 7 1 1 5
I
1
1 2
(1
I
2
)
0 .3 6 7 8 7 9 4 4
0
2! 3! 4!
11/1e111 e1 x 2d1x11 1 3 2! 50 3! 7 4! 9
取 01ex2dxS4 ,
S4
R4 /* Remainder */
则 R 44 1 !1 9 由 留5 1 !下1 部1 分1 称为截断误差 /* Truncation Error */
数值分析-第一章ppt课件
数及其图形作出判断. 整理版课件
6
由分部积分法可得:
Ine101xndex
n=1,2,4,6, 8,10,15
e 1 x n ex|1 0 e 1 0 1 nn 1 x ex dx
1 nn 1 I (n 1 ,2 , ).
如果取 I0 = 1–e–1 = 0.63212056 (八位有效数字).
x1,2b
b24ac 2a
直接进行计算则得: x1=109, x2=0. 其中的x2=0明பைடு நூலகம்失真, 这也是由于舍入误差造成的.
整理版课件
8
§1 误差的来源
实际 问题
建立数 学模型
确定计 算方法
编程 上机
由抽象简 化产生的 模型误差 及参数的 观测误差
由计算方 法本身产 生的截断 误差或称 方法误差
er(x* )e(x x* )x xx*
同样, 由于精确值 x 经常是未知的, 所以, 需要另
外的近似表达形式. 我们注意如下公式的推导,
当
|
e ( x*) x*
|
较小时,
有
e(x* )e(x* )e(x*x )* (x)
x x*
xx*
[x*[ee((xx**))2]x] *1[e(exx(**x*)]2)
整理版课件
18
乘法相关的误差公式： 设 f (x1, x2)= x1 x2 . e ( x 1 x 2 ) x 2 e ( x 1 ) x 1 e ( x 2 ) e r ( x 1 x 2 ) e r ( x 1 ) e r ( x 2 ) |e ( x 1 x 2 ) | |e ( x 1 ) | |e ( x 2 ) | |e r ( x 1 x 2 ) | |e r ( x 1 ) | |e r ( x 2 ) |
《数值分析》杨大地-答案(第一章)精选全文完整版
可编辑修改精选全文完整版数值分析-第1章1．填空题(1)为便于算法在计算机上实现，必须将一个数学问题分解为有限次的四则运算；(2)在数值计算中为避免损失有效数字，尽量避免两个相近数作减法运算；为避免误差的扩大，也尽量避免分母的绝对值远小于分子的绝对值；(3)误差有四大来源,数值分析主要处理其中的截断误差和舍入误差；(4)有效数字越多,相对误差越小；2. 用例1.4的算法计算10,迭代3次,计算结果保留4位有效数字。
//见P4解题思路：假定x0是√a的一个近似值，x0>0，则ax0也是√a的一个近似值,且x0和ax0两个近似值必有一个大于√a，另一个小于√a，设想它们的平均值应为√a的更好的近似值，于是x k+1=1 2(x k+ax k)，k=0，1，2，……解：取x0=3，按算法x k+1=12(x k+ax k)，k=0，1，2，……迭代3次有：x1=12(x0+10x0)=(3+103)≈3.167x2=12(x1+10x1)=(3.167+103.167)≈3.162x3=12(x2+10x2)=(3.162+103.162)≈3.1623. 推导开平方运算的误差限公式,并说明什么情况下结果误差不大于自变量误差。
//见P8解：已知f(x)=√x，设x∗是准确值，令x是x∗的一个近似值,则相对误差e(f(x))=f(x)−f(x∗)，由Taylor公式f(x∗)=f(x)0！ +f′(x)1！(x∗−x)+f"(x)2！(x∗−x)2+⋯+f n(x)n！(x∗−x)n+R n(x)其中，R n(x)=f n+1(ξ)(n+1)！(x∗−x)n+1将f(x∗)展开分析有：f(x∗)=√x2√x x∗−x)+⋯+f n(ξ)n！(x∗−x)n+R n(x)∴e(f(x))=f(x)−f(x∗)=− (2√x x∗−x)+⋯+f n(ξ)n！(x∗−x)n+R n(x))∴|e(f(x))|≤ ε(f(x))≤|2√x |ε(x)+⋯+|f n(ξ)n！εn(x)|+|R n(x)|忽略二阶以上无穷小，可得f(x)的误差限公式为ε(f(x))≈2√x(x)。
数值分析教材
???????????????????????????????? 第一章绪论与误差第一节数值分析研究对象及特点一、数值分析课的地位:数值分析是计算数学的一个主要部分，计算数学是数学科学的一个分支。
它研究用计算机求解各种数学问题的数值计算方法及其理论与软件实现。
用计算机解决科学技术和工程问题的步骤:实际问题→建立数学模型→研究计算方法→程序设计→上机计算→求出结果。
例如:⑴ 某一地区的地形图,用空中航测方法,空中连续拍照。
⑵ 为形成三维地形图,建立了一个大型超定线性方程组。
⑶ 采用最小二乘方法求解该方程组的最小二乘解, 然后再整体平滑。
⑷ 编程序,形成一个大型程序,上机进行计算。
二、数值分析课的主要内容:计算机只能进行加减乘除四则运算和一些简单的函数计算(即使是函数也是通过数值分析方法处理,转化为四则运算而形成了的一个小型软件包)。
1.数值代数:求解线性和非线性方程的解法, 分直接方法和间接方法。
2.插值和数值逼近。
3.数值微分和数值积分。
4.常微分方程和偏微分方程数值解法。
三、数值分析具有的特点1. 面向计算机，要根据计算机的特点提供切实可行的有效算法,即算法只能包含加、减、乘、除和逻辑运算,这些运算是计算机能直接处理的运算。
2. 有可靠的理论分析，能任意逼近并达到精度要求，对近似算法要保证收敛性和数值稳定性，还要对误差进行分析。
3. 要有好的计算复杂性。
时间复杂性好是指节省时间，空间复杂性好是指节省存储量，这也是建立算法要研究的问题,它关系到算法能否在计算机上实现。
4. 要有数值试验，即任何一个算法除了从理论上要满足上述三点外还要通过数值试验证明是行之有效的。
四、对算法所要考虑的问题:1. 计算速度1 例如：求解一个20阶线性方程组,用加减消元法需3000次乘法运算,而用克莱姆法则要进行次运算,如用每秒1亿次乘法运算的计算机要30万年。
2. 存储量。
大型问题有必要考虑。
3. 数值稳定性。
在大量计算中,舍入误差是积累还是能控制,这与数值稳定性算法有关。
数值分析讲义
由于除数很小,将导致商很大,有可能出现“溢出”现 象另外. ,设x* ,y* 的近似值分别为x,y，则z=x÷y是z*=x*÷y*
的近似值.此时，z的绝对误差满足估计式
e(z) z* z (x* x) y x( y y* ) y e(x) x e( y)
yy*
y2
可见,若除数太小,则可能导致商的绝对误差很大。
n k, k 1,...2,1
类似地可得
Ik
I
* k
(1) nk
k!( n!
I
n
I
* n
)
,
k n, n 1,...,1,0
可见，近似误差Ik-I*k是可控制的，算法是数值稳定的。
例如，由于
e 1 10
01 x9e1dx
I9
01 x9dx
1 10
取近似值 I9
1 (e1 1 ) 0.0684 2 10 10
§3 绝对误差、相对误差和有效数字
设x是精确值x*的一个近似值，记 e=x*-x
称e为近似值x的绝对误差，简称误差。如果满足 |e|≤
则称为近似值x的绝对误差限，简称误差限。 精确值x* 、近似值x和误差限之间满足： x-≤x*≤x+
通常记为 x*=x±
绝对误差有时并不能很好地反映近似程度的好坏，如
随着计算机的飞速发展，数值分析方法已深入到计算 物理、计算力学、计算化学、计算生物学、计算经济学等 各个领域。本课仅限介绍最常用的数学模型的最基本的数 值分析方法。
§2 误差的来源和分类
误 1.差模是型描误述差数值数计学算模之型中通近常似是值由的实精际确问程题度抽，象在得数到值的， 计一般算带中有十误分差重，要这，种误误差差按称来为源模可型分误为差模。型误差、观测误差、 截断误2.差观和测舍误入差误差数四学种模。型中包含的一些物理参数通常是 通过观测和实验得到的，难免带有误差，这种误差称为观 测误差。
数值分析
* * 1 2 * 1 * * 1 * * * * * * * * * * *
到x *的第一位非零数字共有 n位，就说x * 有n位有效数字.
即
x* 10m (a1 a2 101 an 10( n1) ) 1 x x * 10mn1 2
(2.1)
其中a1 0 . 并且 (2.2)
例1
• 按四舍五入写出下述各数具有5位有效数字的近似 数： 187.9325 0.037 855 51 8.000 033 2.718 281 8
加法和减法结果的误差
(x
* 1
x2 ) ( x1 x2 )
* 1
*
(x
x1 ) ( x2 x2 )
*
*
e( x ) e( x2 )
* 1
误差限： (x x ) (x ) (x )
* 1 * 2 * 1 * 2
乘法的结果误差
x x x1 x2 x x ( x x1 x )(x2 x2 x2 ) x1 x2 ( x1 e( x1 ))(x2 e( x2 )) x x x x x e( x2 ) x2 e( x ) e( x )e( x2 ) x e ( x2 ) x2 e ( x ) e ( x ) e ( x 2 )
例2 重力加速度
若以m/s2为单位, g≈9.80m/s2, 1 m n 1 1 * 10 g 9.80 102 , 2 2 * 1 按(2.1)， m 0, n 3. 绝对误差限 1 102. 2 若以km/s2为单位, g≈0.00980m/s2, 1 g 0.00980 105 , 2 * 1 按(2.1)， m 3, n 3. 绝对误差限 2 105. 2 而相对误差限相同：
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如果一个近似值是由精确值经四舍五入得 到的，那么，从这个近似值的末尾数向前数 起直到再无非零数字止，所数到的数字均为 有效数字
一般来说，绝对误差与小数位数有关， 相对误差与有效数字位数有关
定理 1.7
E
2 1.4142
就是舍入误差。
1.41421351.4142 0.0000135
模型和观测两种误差不在本课程的讨论范围 这里主要讨论算法的截断误差与舍入误差，而截 断误差将结合具体算法讨论
分析初始数据的误差通常也归结为舍入误差
研究计算结果的误差是否满足精度要求就是： 误差估计问题
x2
x2
x 2
截 断 误 差
0 1
3. 观测误差 初始数据大多数是由观测而得到的。由于观 测手段的限制，得到的数据必然有误差 4. 舍入误差 以计算机为工具进行数值运算时，由于计算 机的字长有限，原始数据在计算机上的表示往往会有误差，在 计算过程中也可能产生误差 产生的误差 例如， 用1.4142近似代替 2 ，
a 10 k 0. a1a2 an
（1-14）
其中 ai(i=1,2,…,n)是0到9中的 可以是有限或无限小数形式， 一个数字，a1 0, k为整数，n为正整数，如果其绝对误差界
1 x a 10 k n 2
则称a为x的具有n位有效数字的近似值。
（1-15）
有 对于 e 2.71828182，下面的各个值的有效数字的位数。 效 1 取 a 2.718 10 0.2718，其绝对误差界为 数 1 3 k n 3 n 4, 10 ， 字 e a 0.0003 2 位 a 是 e 的具有4位有效字的近似值。 数 1 与 取 a1 2.7182 10 0.27182 , 其绝对误差界为 小 1 3 10 ， e a1 0.00009 数 2 点 故 a1是 e 的具有4位有效数字的近似值。 的 取 a 0.02718 10 1 0.2718 作为 x 0.0271828182 位 的近似值， 1 臵 x a 0.000002 10 5 k n 5 n 4 。 2 无 也具有4位有效数字。 关
a1 0.00159265 取5位： a2 3.1416, a2 0.00000735
取3位： a1 3.14, 那么，它们的误差界的取法应为：
1 π 3.14 10 2 , 2
1 π 3.1416 10 4. 2
定义1.6 设 x 为精确值， a为x 的一个近似值，表示为：
数值逼近（数值微分积分）
A
k k 0
A
k 0
k
f A e A、 sinA
dAt dt
b
a
A(t ) dt
解决实际问题： 一、构造计算机可行的有效算法 二、给出可靠的理论分析，即对任意逼近并达到精度要求，保 证数值算法的收敛性和数值稳定性，并可进行误差分析。
三、有好的计算复杂性，既要时间复杂性好，是指节省时
计 算 机 科 学 计 算 的 流 程 图
实际问题 数学模型 数值计算方法
模型误差
方法误差或称为 截断误差 观测误差
编程实现算法
计算机数值结果 舍入误差
1．模型误差 由实际问题抽象出数学模型，要简化许多 条件，这就不可避免地要产生误差．实际问题的解与数学模 型的解之间的误差
2. 截断误差 从数学问题转化为数值问题的算法时所产 生的误差，如用有限代替无限的过程所产生的误差
an1 x1 an 2 x2 ann xn bn
Cramer求解法则(18世纪)
xi
Di i 1 , 2 , , n ,（D≠0） D
D det A
第
a11 a21 an1
a12
a1n
Laplace展开定理
a22 a2 n an 2 ann
间，又要空间复杂性好，是指节省存储量，这也是建立算法要 研究的问题，它关系到算法能否在计算机上实现。 四、数值实验，即任何一个算法除了从理论上要满足上述 三点外，还要通过数值试验证明是行之有效的。
什么是有效算法？
考察线性方程组的解法
a11x1 a12x2 a1n xn b1
a21x1 a22x2 a2n xn b2
其绝对误差界为：
相对误差界为：
ea a
e a 0.0003
0.0003 0.0001110375 0.0002。 2.718
绝对误差界和相对误差界并不是唯一的
误差界的取法 当准确值x位数比较多时，人们常常按四舍五入的原则得 到x的前几位近似值a，例如
x π 3.14159265
计算n+1个n阶行列式 Laplace展开定理
设计算 k 阶行列式所需要的乘法运算的次数为 mk ，则
mk k k mk 1
于是，我们有
mn n n mn 1 n n n 1 n 1 mn 2
n n n 1 n n 1 n 2 n n 13 2
矩阵与数值分析
大连理工大学工科硕士研究生数学公共基础课程
大连理工大学研究生教育大楼
授课教师基本信息
• • • •
姓 名：董波 工作单位：数学科学学院 办公地点：创新园大厦（大黑楼）B1113室 EMAIL: dongbodlut@
创业园大厦
主 讲 教 材
参考书目 (Reference)
1.2 误差分析与数值方法的稳定性
1.2.1 误差来源与分类
1.2.2 误差的基本概念和有效数字
1.2.3 函数计算的误差估计 1.2.4 数值方法的稳定性和避免误差危害的基本原则
1.2.1 误差来源与分类
用计算机解决科学计算问题时经常采用的处理方式是将连 续的问题离散化、用有限代替无限等，并且用数值分析所处理 的一些数据，不论是原始数据，还是最终结果，绝大多数都是 近似的，因此在此过程中，误差无处不在。
26 4.0329 10
3.1536 10 1.2788 10 13(亿年)
17
9
它远远超出目前所了解的人类文明历史！
Cramer 算法是“实际计算不了”的。 而著名的 Gauss消元法，它的计算过程已作根本改进， 成为有效算法，使得可在不到一秒钟之内即可完成上述计算 任务。 随着科学技术的发展，出现的数学问题也越来越多样化， 有些问题用消去法求解达不到精度，甚至算不出结果，从而 促使人们对消去法进行改进，又出现了主元消去法，大大提 高了消去法的计算精度。 这就是研究数值方法的必要性
例如，给定
x 求e
x2
的值的运算，我们可用无穷级数：
e
x2
4 6 2n 2 n 1 x x x x = 1 x2 2! 3! n! n 1!
我们可用它的前 n 1 项和
sx
近似代替函数 e ， 则数值方法的误差是
e 2 n 1 x , Rn x e sx n 1!
x a 0.1102 ,
其相对误差为： x a 0.110 2 1 0 . 333 10 4 0 . 3 10 x
绝对误差
相 对 误 差
作为精确值的度量，绝对误差可能会引 起误会，而相对误差由于考虑到准确值 本身的大小而更有意义。
例1 已知 e 2.71828182 其近似值 a 2.718 ,求a 的绝对误差界和相对误差界。 解： e a 0.00028182
定义
若 x 0， 则将近似值的误差与准确值的比值
xa x
相对误差（误差）
称为近似值a 的相对误差。 相对误差也可正可负。 实际计算中，如果真值 x 未知时， 通常取
xa xa x a
作为a的相对误差， 条件是
xa 较小。 x
相对误差的绝对值上界叫做相对误差界（限）， 记为：
xa a
n!
利用Cramer法和Laplace展开定理来求解一个n阶线性方程组，所 需的乘法运算次数就大于
(n 1)n ! (n 1)!
求解25阶线性方程组
总的的乘法运算次数将达：
26！=4.0329×1026（次）
若使用每秒百亿次的串行计算机计算, 一年可进行的运算应为： 365(天) × 24(小时) × 3600(秒) × 1010 ≈ 3.1536 × 1017 （次） 共需要耗费时间为：
ea a
相对误差界（限）
例
有两个量 x=3.000， a=3.100， 则其绝对误差： x a 0.1 绝对误差 其相对误差为： x a 0 .1 0.333 101 , x 3.00
相 对 误 差
a 310 .0, 则其绝对误差： 又有两个量 x 300.0 ，
本课程主要研究现代、行之有效数值方法
本课程主要研究用计算机求解各种数学问题 的数值计算方法及其理论与软件实现 主要内容包括：
Ax b
f x 0
f x
b a
f x
数值代数
微分方程数值解法 矩阵分析简介
x f x dx
u f t , u, ut0 u0
对于 x 0.0271828182
同理，由 b 0.312 101 ,
1 x b 10 2 2
即b有1位有效数字； 由 c 0.86 104 ,
1 n 2 n 1
1 x c 10 2 2
即c无有效数字。
4 n 2 n 2
det A ai1 Ai1 ain Ain