计算方法引论课后答案.doc.pdf
数值计算方法马东升等第 版习题解答
第1章 数值计算引论1．1 内容提要一、误差的来源数值计算主要研究以下两类误差。
1． 截断误差数学模型的准确解与用数值方法求得的解的差称为截断误差，又称为方法误差。
这种误差常常是由用有限过程代替无穷过程时产生的误差。
例如，要计算级数∑∞==+++++1!1!1!31!211k k n的值，当用计算机计算时，用前n 项（有限项）的和∑==+++++nk k n 1!1!1!31!211来代替无穷项之和，即舍弃了n 项后边的无穷多项，因而产生了截断误差∑∞+=1!1n k k2． 舍入误差由于计算机字长为有限位，原始数据和四则运算过程中进行舍入所产生的误差称为舍入误差。
例如，用3.141 59表示圆周率π时产生的误差0.000 002 6…,用0.333 33表示1÷3的运算结果时所产生的误差1÷3-0.333 33 = 0.000 003 3…都是舍入误差。
二．近似数的误差表示1． 绝对误差设x *是准值x 的一个近似值，称**)(x x x e -=为近似值x *的绝对误差，简称误差。
令|)(|*x e 的一个上界为*ε，即***|||)(|ε≤-=x x x e把*ε称为近似数*x 的绝对误差限，简称误差限。
2． 相对误差设*x 是精确值x 的一个近似值，称xx x xx e **)(-=为近似值x *的相对误差。
在实际应用中常取***)(xx x x e r -=为*x 的相对误差。
令相对误差绝对值 |)(|*x e r 的一个上界为ε*r，即 ****|||||)(|r r x x x x e ε≤-=把ε*r称为近似数*x 的相对误差限。
3． 有效数字对有多位数字的准确值四舍五入原则得到其前若干位的近似值时，该近似值的绝对误差不超过末位的半个单位。
设数x 的近似值m n x x x x 10.021*⨯±= ，其中，i x 是0~9之间的任一个数，但i x ≠0，n i ,2,1=是正整数，m 是整数，若nm x x -⨯≤-1021||*则称*x 为x 的具有n 位有效数字的近似值，*x 准确到第n 位，n x x x ,,,21 是*x 的有效数字。
计算方法-刘师少版第一章课后习题完整答案
分， 试给出此递推公式误差的传播规律， 计算 I 10 时误差被放大了多少倍？这个算法是数值稳定的 吗？ 解： I =
∫x
0 1 0
1
n
e x −1 dx ， n = 0,1,2,L,10 ，由分部积分法有
1 0
n −1 x −1 I n = ∫ x n e x −1 dx = x n e x −1 1 e dx 0 − n∫ x
er ( x n ) =
e( x n ) nx n −1 ( x − x * ) x − x* = = n = n ⋅ er ( x) = αn% x xn xn
x n 的相对误差为 an%
1.10 设 x＞0，x 的相对误差为 δ ，求 ln x 的误差。 解： e(ln x) ≈
1 ( x − x * ) = er ( x) = δ x
N +1
N
1 dx = arctan( N + 1) − arctan N 1+ x2 1 = arctan 1 + N ( N + 1) 1 2 gt ，假定 g 是准确的，而对 t 的测量有±0.1s 的误差，证明当 t 增加时，s 的绝对误差 2
1.12 设 s =
增加，而相对误差减少。 解：由题意知， e( s ) = s − s = gt (t − t ) = gt ⋅ e(t ) = 0.1gt
5
计算方法
于是
* * * * e( I 10 ) = −10e( I 9 ) = 10 ⋅ 9e( I 8 ) = L = 10!e( I 0 )
计算 I 10 时的误差被扩大了 10 倍，显然算法是数值不稳定的 1.14 设 f ( x) = 8 x − 0.4 x + 4 x − 9 x + 1 ，用秦九韶算法求 f (3)
计算方法——第一章——课后习题答案_刘师少
1.1 设3.14, 3.1415, 3.1416分别作为π的近似值时所具有的有效数字位数解 近似值x =3.14＝0.314×101,即m =1，它的绝对误差是 －0.001 592 6…，有31105.06592001.0-*⨯≤=- x x . 即n =3，故x =3.14有3位有效数字. x =3.14准确到小数点后第2位. 又近似值x =3.1416，它的绝对误差是0.0000074…，有 5-1*10⨯50≤00000740=-.. x x即m =1,n ＝5，x =3.1416有5位有效数字. 而近似值x =3.1415，它的绝对误差是0.0000926…，有 4-1*10⨯50≤00009260=-.. x x即m =1,n ＝4，x =3.1415有4位有效数字.这就是说某数有s 位数，若末位数字是四舍五入得到的，那么该数有s 位有效数字1.2 指出下列各数具有几位有效数字，及其绝对误差限和相对误差限：2.0004 －0.00200 9000 9000.00解 （1）∵ 2.0004＝0.20004×101, m=1 绝对误差限：4105.0000049.020004.0-*⨯≤≤-=-x x xm -n =-4,m =1则n =5,故x =2.0004有5位有效数字1x =2，相对误差限000025.010221102151)1(1=⨯⨯=⨯⨯=---n r x ε （2）∵ －0.00200= -0.2×10-2, m =-2 5105.00000049.0)00200.0(-*⨯≤≤--=-x x xm -n =-5, m =-2则n =3,故x =-0.00200有3位有效数字1x =2，相对误差限3110221-⨯⨯=r ε=0.0025 (3) ∵ 9000=0.9000×104, m =4， 0105.049.09000⨯<≤-=-*x x xm -n =0, m =4则n =4,故x =9000有4位有效数字4110921-⨯⨯=r ε＝0.000056 (4) ∵9000.00=0.900000×104, m =4，2105.00049.000.9000-*⨯<≤-=-x x xm -n =-2, m =4则n =6,故x =9000.00有6位有效数字 相对误差限为6110921-⨯⨯=rε＝0.000 00056由(3)与(4)可以看到小数点之后的0，不是可有可无的，它是有实际意义的.10-的近似值是多少？1.3 ln2=0.69314718…，精确到310-＝0.001，即绝对误差限是ε＝0.0005,解精确到3故至少要保留小数点后三位才可以.ln2≈0.6931.1 设3.14, 3.1415, 3.1416分别作为π的近似值时所具有的有效数字位数解近似值x=3.14＝0.314×101,即m=1，它的绝对误差是－0.001 592 6…，有.即n=3，故x=3.14有3位有效数字.x=3.14准确到小数点后第2位.又近似值x=3.1416，它的绝对误差是0.0000074…，有即m=1,n＝5，x=3.1416有5位有效数字.而近似值x=3.1415，它的绝对误差是0.0000926…，有即m=1,n＝4，x=3.1415有4位有效数字.这就是说某数有s位数，若末位数字是四舍五入得到的，那么该数有s位有效数字1.2指出下列各数具有几位有效数字，及其绝对误差限和相对误差限：2.0004 －0.00200 9000 9000.00 解（1）∵ 2.0004＝0.20004×101, m=1绝对误差限：m-n=-4,m=1则n=5,故x=2.0004有5位有效数字=2，相对误差限（2）∵ －0.00200= -0.2×10-2, m=-2m-n=-5,m=-2则n=3,故x=-0.00200有3位有效数字=2，相对误差限 =0.0025(3)∵ 9000=0.9000×104, m=4，m-n=0,m=4则n=4,故x=9000有4位有效数字＝0.000056(4) ∵9000.00=0.900000×104, m=4，m-n=-2,m=4则n=6,故x=9000.00有6位有效数字相对误差限为＝0.000 00056由(3)与(4)可以看到小数点之后的0，不是可有可无的，它是有实际意义的.1.3 ln2=0.69314718…，精确到的近似值是多少？解精确到＝0.001，即绝对误差限是e＝0.0005,故至少要保留小数点后三位才可以.ln2»0.6932.1 用二分法求方程在[1, 2]的近似根，要求误差不超过至少要二分多少？解：给定误差限e＝0.5×10－3，使用二分法时，误差限为只要取k满足即可，亦即只要取n＝10.2.3 证明方程1 -x–sin x＝0 在区间[0, 1]内有一个根，使用二分法求误差不超过0.5×10-4的根要二分多少次？证明令f(x)＝1－x－sin x，∵f(0)=1>0，f(1)=－sin1<0∴f(x)=1－x－sin x=0在[0，1]有根.又f¢(x)=-1－c os x<0 (xÎ[0.1]),故f(x) 在[0，1]单调减少，所以f(x) 在区间[0，1]内有唯一实根.给定误差限e＝0.5×10－4，使用二分法时，误差限为只要取k满足即可，亦即只要取n＝14.。
计算方法-刘师少版第三章课后习题完整答案
⎡2 1 − 1⎤ ⎡ 1 ⎢4 − 1 3 ⎥ = ⎢l ⎢ ⎥ ⎢ 21 ⎢ ⎥ − 6 9 1 ⎣ ⎦ ⎢ ⎣l 31
1 l32
⎤ ⎡u11 ⎥⎢ ⎥⎢ 1⎥ ⎦⎢ ⎣
u12 u 22
u13 ⎤ u 23 ⎥ ⎥ u 33 ⎥ ⎦
将右端两矩阵相乘后比较两端，可得
l 2 = b2 − a 2 u1 = 4 −
1 15 = 4 4
u 2 = c2 / l2 = −
由
4 , 15
l3 = b3 − a3u 2 = 4 −
4 56 = 15 15
⎤ ⎡ ⎢4 0 0 ⎥ ⎡ y1 ⎤ ⎡ 2 ⎤ ⎥ ⎢ 15 y2 ⎥ =⎢ 0 ⎥⎢ 4⎥ ⎢− 1 ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ 4 ⎥ ⎢ y ⎥ ⎢10⎥ ⎢ 56 ⎥⎣ 3 ⎦ ⎣ ⎦ ⎢ −1 ⎢ 15 ⎥ ⎦ ⎣
−1
消元
0 .5 1 .5 2 .5 0 .5 2 .5 1 .5 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 3 2
1 2 3 0 0 1 0 0 1 1
0 1 0
0 .5
− 0 .5 − 0 .5
0.5
0 ⎤ 0 ⎥ ⎥ 1 ⎥ ⎦ 0 ⎤ 1 ⎥ ⎥ 0 ⎥ ⎦
列选主
− 0.5 − 0.5
6
消元
0 .4 1 .2 0 .2
⎡ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣
得
3 2 3 3
0 2 3 − 6
0 ⎤ ⎡ y ⎤ ⎡5⎤ ⎥ 1 0 ⎥⎢ 3⎥ y2 ⎥ =⎢ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎥ ⎢ ⎢ ⎥ 7 y ⎦ ⎣ 3⎦ ⎣ ⎥ 3⎥ ⎦ 1 6 1 3
y1 =
再由
5 3
,
《计算机算法-设计与分析导论》课后习题答案共39页word资料
4.1：在我们所了解的早期排序算法之中有一种叫做Maxsort 的算法。
它的工作流程如下：首先在未排序序列（初始时为整个序列）中选择其中最大的元素max ，然后将该元素同未排序序列中的最后一个元素交换。
这时，max 元素就包含在由每次的最大元素组成的已排序序列之中了，也就说这时的max 已经不在未排序序列之中了。
重复上述过程直到完成整个序列的排序。
(a) 写出Maxsort 算法。
其中待排序序列为E ，含有n 个元素，脚标为范围为0,,1n -K 。
void Maxsort(Element[] E) { int maxID = 0;for (int i=E.length; i>1; i--) { for (int j=0; j<i; j++) {if (E[j] > E[maxID]) maxID = k; E[i] <--> E[maxID];(b) 说明在最坏情况下和平均情况下上述算法的比较次数。
最坏情况同平均情况是相同的都是11(1)()2n i n n C n i -=-==∑。
4.2：在以下的几个练习中我们研究一种叫做“冒泡排序”的排序算法。
该算法通过连续几遍浏览序列实现。
排序策略是顺序比较相邻元素，如果这两个元素未排序则交换这两个元素的位置。
也就说，首先比较第一个元素和第二个元素，如果第一个元素大于第二个元素，这交换这两个元素的位置；然后比较第二个元素与第三个元素，按照需要交换两个元素的位置；以此类推。
(a)起泡排序的最坏情况为逆序输入，比较次数为11(1)()2n i n n C n i -=-==∑。
(b) 最好情况为已排序，需要(n-1)次比较。
4.3： (a)归纳法：当n=1时显然成立，当n=2时经过一次起泡后，也显然最大元素位于末尾；现假设当n=k-1是，命题也成立，则当n=k 时，对前k-1个元素经过一次起泡后，根据假设显然第k-1个元素是前k-1个元素中最大的，现在根据起泡定义它要同第k 个元素进行比较，当k 元素大于k-1元素时，它为k 个元素中最大的，命题成立；当k 元素小于k-1元素时，它要同k-1交换，这时处于队列末尾的显然时队列中最大的元素。
计算方法-刘师少版课后习题答案
31 32.1 用二分法求方程 x3x 1 0在1, 2 的近似根，要求误差不超过 10 3至少要二分多少？2解：给定误差限 ＝0.5×10－3，使用二分法时，误差限为x *x k 1k 1 (b a) 只要取 k 满足 k 11 (b a) 即可，亦即 lg(b a) lg lg0.5 3lg10 k 1 1 9.96678lg 2 lg2只要取 n ＝ 10.2.3 证明方程 1 - x –sin x ＝0 在区间[0, 1] 内有一个根，使用二分法求误差不超过0.5 ×10-4的根要二分多少次？ 证明 令 f(x)＝ 1－x －sinx ，∵ f(0)=1>0 ， f(1)= － sin1<0∴ f(x)=1－x －sin x=0在[0，1]有根.又f ( x)=-1 － cosx< 0 ( x [0.1]), 故 f(x) 在[0 ，1]单调减少，所以 f(x) 在区间 [0 ，1] 内有唯一实根 .给定误差限 ＝ 0.5×10－4，使用二分法时，误差限为 x * x k 1k 1 (b a) 只要取k 满足k 1 1 (b a) 即可，亦即lg(b a) lg lg 0.5 4lg10 k 1 1 13.287 7lg 2 lg2只要取 n ＝ 14.322.4 方程 x3x 21 0在 x =1.5 附近有根，把方程写成四种不同的等价形式，并建立相应的迭代 公式：(1)x 1 12 ，迭代公式 x k 1 1 12 (2)x3 1 x 2 ，迭代公式 x k 1 31 x k 2x2 k 1x k2(3) x21，迭代公式 xk 1 1(4) xx 31 ，迭代公式 x k 1 x k 31x 1 k 1xk 1试分析每种迭代公式的收敛性，并选取一种收敛迭代公式求出具有四位有效数字的近似根。
12解：( 1)令f (x) 1 2 ，则 f (x) 23 ，由于x 2 x 321f (x) 3 3 0.59 1 ，因而迭代收敛。
数值计算方法习题答案(第二版)(绪论)
数值分析（p11页）4 试证：对任给初值x 0,0)a >的牛顿迭代公式112(),0,1,2,......k ak k x x x k +=+= 恒成立下列关系式：2112(1)(,0,1,2,....(2)1,2,......kk k x k x x k x k +-=-=≥=证明：（1）(21122k k k k k kx a x x x x +-⎫⎛-=+==⎪ ⎝⎭（2） 取初值00>x ，显然有0>k x ，对任意0≥k ，a a x a x x a x x k k k k k ≥+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=+2121216 证明：若k x 有n 位有效数字，则n k x -⨯≤-110218， 而()k k k k k x x x x x 288821821-=-⎪⎪⎭⎫⎝⎛+=-+ nnk k x x 2122110215.22104185.28--+⨯=⨯⨯<-∴>≥ 1k x +∴必有2n 位有效数字。
8 解：此题的相对误差限通常有两种解法. ①根据本章中所给出的定理：（设x 的近似数*x 可表示为m n a a a x 10......021*⨯±=，如果*x 具有l 位有效数字，则其相对误差限为()11**1021--⨯≤-l a x x x ，其中1a 为*x 中第一个非零数）则7.21=x ，有两位有效数字，相对误差限为025.010221111=⨯⨯≤--x x e 71.22=x ，有两位有效数字，相对误差限为025.010221122=⨯⨯≤--x x e 3 2.718x =，有两位有效数字，其相对误差限为：00025.010221333=⨯⨯≤--x e x ②第二种方法直接根据相对误差限的定义式求解 对于7.21=x ，0183.01<-e x∴其相对误差限为00678.07.20183.011≈<-x e x 同理对于71.22=x ，有003063.071.20083.022≈<-x e x 对于718.23=x ，有00012.0718.20003.033≈<-x e x备注：（1）两种方法均可得出相对误差限，但第一种是对于所有具有n 位有效数字的近似数都成立的正确结论，故他对误差限的估计偏大，但计算略简单些；而第二种方法给出较好的误差限估计，但计算稍复杂。
计算方法课后习题答案 之习题一
习题一1. 在3位十进制计算机上分别从左到右及从右到左计算：34.53+0.035 24+0.046 219+0.048 9+0.032 7，说明那个结果较为准确。
解：（1）从左到右计算：34.53+0.035 24+0.046 219+0.048 9+0.032 7=0.345×102+0.35 2×10-1+0.46 2×10-1+0.48 9×10-1+0.32 7×10-1 =0.345×102+0.000×102+0.46 2×10-1+0.48 9×10-1+0.32 7×10-1 =0.345×102+0.46 2×10-1+0.48 9×10-1+0.32 7×10-1 =0.345×102+0.000×102+0.48 9×10-1+0.32 7×10-1 =0.345×102+0.48 9×10-1+0.32 7×10-1 ……=0.345×102 =34.5（2）从右到左计算：34.53+0.035 24+0.046 219+0.048 9+0.032 7=0.345×102+0.35 2×10-1+0.46 2×10-1+0.48 9×10-1+0.32 7×10-1 =0.345×102+0.000×102+0.46 2×10-1+0.81 6×10-1 =0.345×102+0.46 2×10-1+1.27 8×10-1 =0.345×102+0.46 2×10-1+0.127 8×100 =0.345×102+0.46 2×10-1+0.128×100 =0.345×102+0.046 ×100+0.128×100 =0.345×102+0.174 ×100 =0.345×102+0.00174 ×102 =0.345×102+0.002 ×102 =0.347×102 =34.7----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------2. 用秦九韶算法计算4532)(23-+-=x x x x p 在x =2处的值。
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3
R
dr V dV dlnV d ln R3 3 d ln R 3 d ln R 3dr R 3a 1% ,则 a 1 1% .
V
3
第二章 插值法与数值微分
1. 设 y x ,在 x 100,121,144 三处的值是很容易求得的,试以这三个点建立 y x 的
二次插值多项式,并用此多项式计算 115 的近似值,且给出误差估计.用其中的任意两点,构
L2
x
x 144 100 144
10
x 100 144 100
12
所以 115 L1 115 10.6818 .
解: 已知 dx ,所以 ln x 的绝对误差 d ln x dx .
x
x
11. 设 x 的相对误差为 % ,求 xn 的相对误差.
解:
dxn xn
nxn1dx xn
nd x x
n % .
12. 计算球的体积,为了使相对误差限为 1%,问度量半径 R 时允许的相对误差限如何?
解: 已知V 4 R3 ,设 dr R dR a ,则要使得
解: 已知 da 1 104 , db 1 103 ,
2
2
又 a b 0.2053210 ,
d a b da db da db 1 104 1 103 0.55103 1 102 ,
2
2
2
所以 a b 有三位有效数字;
因为 a b 0.1047571410 ,
d a b b da a db 0.947 1 104 1.1062 1 103 0.60045103 1 102
10
x 121
100 100
x 144 121 144
11
x 121 x 100 144 121144 10012
所以 115 L2 115 10.7228 .
误差 R2 x
f
3!
x
x0
x
x1
x
x2
,
x0
,
x1,
x2
,
,所以
0.0006555 R2 115 0.001631
利用前两个节点建立线性插值函数可得:
造线性插值函数,用得到的三个线性插值函数,计算 115 的近似值,并分析其结果不同的原
因.
解: 已知 x0 100, x1 121, x2 144; y0 10, y1 11, y2 12 ,
建立二次 Lagrange 插值函数可得:
L2
x
x 100
121 121
x 144 100 144
2
2
2
所以 a b 有三位有效数字.
6.
设 y1
0.9863, y2
0.0062 ,是经过舍入后作为 x1, x2 的近似值.求
1, y1
1 y2
的 计算值 与真
值的相对误差限及 y1 y2 与真值的相对误差限.
解:
已知 x1
y1 dx1, x2
y2
dx2
,
dx1 =
1 2
10-4
,dx2
3.141587725... 这个去掉 的无穷乘积公式中第 9 项后的部分产生的误差就是方法误差,也成为截断误差.
2. 按照四舍五入的原则,将下列各数舍成五位有效数字: 816.956 7 6.000 015 17.322 50 1.235 651 93.182 13 0.015 236 23 解: 816.96 6.000 0 17.323 1.235 7 93.182 0.015 236
2a 200
8. 用观测恒星的方法求得某地维度为 45 02 (读到秒),试问:计算 sin 将有多大误差?
解:
d sin cos d cos
45 0 2
1 2
.
9 . 真空中自由落体运动距离 s 与时间的关系由公式 s 1 gt2 确定,g 是重力加速度.现在假 2
设 g 是准确的,而对 t 的测量有 0.1s 的误差,证明 t 增加时,距离的绝对误差增加而相对误差
7. 正方形的边长约为 100cm,应该怎样测量,才能使其面积的误差不超过 1cm2.
解 : 设 正 方 形 面 积 为 S, 边 长 为 a, 则 S=a2. 所 以 要 使 : ds da2 2ada 1 , 则 要 求 da 1 1 0.5102 .所以边长的误差不能超过 0.5102 cm.
3. 下列各数是按照四舍五入原则得到的近似数,它们各有几位有效数字? 81.897 0.008 13 6.320 05 0.180 0 解: 五位 三位 六位 四位
4. 若 1/4 用 0.25 表示,问有多少位有效数字? 解: 两位
5. 若 a 1.1062, b 0.947 ,是经过舍入后得到的近似值,问: a b, a b 各有几位有效数字?
却减小.
证明:
因为:
ds
d
1 2
gt
2
gtdt; ds s
gtdt s
gtdt 1 gt2
2 dt . t
ds 与 t 成正比,
ds
与 t 成反比,
s
2
所以当 dt 固定的时候, t 增加时,距离的绝对误差增加而相对误差却减小.
10. 设 x 0 , x 的相对误差为 ,求 ln x 的绝对误差.
第一章 误差
1. 试举例,说明什么是模型误差,什么是方法误差.
解: 例如,把地球近似看为一个标准球体,利用公式 A 4 r 2 计算其表面积,这个近似看为球体的过程产生
的误差即为模型误差.
在计算过程中,要用到 ,我们利用无穷乘积公式计算 的值:
2 2 2 ... q1 q2
其中
q1 2, qn1 2 qn , n 2,3,... 我们取前 9 项的乘积作为 的近似值,得
L1
x
Байду номын сангаас
x 121 100 121
10
x 100 121 100
11
所以 115 L1 115 10.7143 .
利用后两个节点建立线性插值可得:
L1
x
x 144 121 144
11
x 121 144 121
12
所以 115 L1 115 10.7391.
利用前后两个节点建立线性插值可得:
1 10-4 , 2
dr
1 x1
dr
x1
dx1 x1
dx1 y1
1 104 2 0.9863
0.50104 ;
dr
1 x2
dr
x2
dx2 x2
dx2 y2
1 104 2
0.0062
0.81102 ;
dr x1 x2 dr x1 dr x2 0.50104 0.81102 0.82102 .