λ
435000156400010000001,,,,,()
e e λλ
λ
=+?采用某种方法解方程，求得01010..
≈λ1564000435000101010
,,,.t νλ===(1), 求得
12187939N (),,.
=即第二年末该社区的人口为2,187,939人．
其中每一个区间的长度都是前一个长度的一半, 从而k ,b k ]的长度为
2k k k
b a b a ??=
当x 0∈[a,b ]时，x k+1=?(x k ) ∈[a,b ]
a ≤ ?(x) ≤
b （1）
(2) （唯一性）︱?’(x)︱≤L<1 (2)
设p,q 均为?(x )在[a ,b]中的不动点p= ?(p)，q= ?(q) 。
内有唯一不动点。
-1≤ ?(x) ≤1（1）
︱?’(x)︱≤L<1 (2)
y=3
-x
■
■
?(0)=1>0, ?(1)-1=-2/3<0)
数学计算方法与软件的工程应用 第一章 MATLAB 软件基础介绍 MATLAB 是Matrix Laboratory （矩阵实验室）的缩写，最初是专门用于处理矩阵计算的软件。目前，它是集计算、可视化及编程等功能于一身的一个最流行的数学软件。其特点是： 1、功能强大 它不仅具有强大的数值计算功能，可以处理如：矩阵计算、微积分运算、各种方程的求 解、插值和拟合计算、完成各种统计和优化问题，最新的版本甚至可以进行数字图象处理、小波分析等；同时它还有方便的画图功能和完善的图形可视化功能。 2、使用方便 MATLAB 语言灵活，它将编译、连接和执行融为一体，是一种演算式语言。与其他语言不同，在MATLAB 中各种变量不需先说明变量的数据类型或定义向量或矩阵变量的维数。此外，MATLAB 的帮助系统使用也十分方便，用户可以通过演示和示例学习如何使用该软件。 3、编程容易效率高 MATLAB 具有结构化的控制语句，又具有面向对象的编程特性。它允许用户以数学形式的语言编程，比其他语言更接近书写计算公式的思维方式。MATLAB 程序文件是文本文件，它的编写和修改可以用任何字处理软件进行，程序调试也非常方便。 4、扩充能力强 MATLAB 软件是一个开放的系统，除内部函数外它的其他函数的源程序都是可以修改的；同时，用户自行编写的程序和开发的工具箱可以象库函数一样任意调用。MATLAB 也可以方便地与FORTRAN 、C 等语言进行对接，实现不同语言编写的程序、子程序之间的相互调用。 本章主要介绍MATLAB 的基础应用，在后面的各个部分中，我们将详细介绍MATLAB 在这一部分的调用，编程或计算。 一、数据和变量 1、表达式 在命令窗口做一些简单的计算，就如同使用一个功能强大的计算器，使用变量无须预先 定义类型。如 设球的半径为2=r ，求球的体积3 3 4r V π= ，则在命令窗口中输入：
几种定积分的数值计算方法 摘要:本文归纳了定积分近似计算中的几种常用方法,并着重分析了各种数值方法的计 算思想,结合实例,对其优劣性作了简要说明. 关键词:数值方法;矩形法;梯形法;抛物线法;类矩形;类梯形 Several Numerical Methods for Solving Definite Integrals Abstract:Several common methods for solving definite integrals are summarized in this paper. Meantime, the idea for each method is emphatically analyzed. Afterwards, a numerical example is illustrated to show that the advantages and disadvantages of these methods. Keywords:Numerical methods, Rectangle method, Trapezoidal method, Parabolic method, Class rectangle, Class trapezoid
1. 引言 在科学研究和实际生产中,经常遇到求积分的计算问题,由积分学知识可知,若函数 )(x f 在区间],[b a 连续且原函数为)(x F ,则可用牛顿-莱布尼茨公式 ?-=b a a F b F x f ) ()()( 求得积分.这个公式不论在理论上还是在解决实际问题中都起到了很大的作用. 在科学研究和实际生产中,经常遇到求积分的计算问题,由积分学知识可知,若函数)(x f 在区间],[b a 连续且原函数为)(x F ,则可用牛顿-莱布尼茨公式 ?-=b a a F b F x f ) ()()( 求得积分.这个公式不论在理论上还是在解决实际问题中都起到了很大的作用.另外,对于求导数也有一系列的求导公式和求导法则.但是,在实际问题中遇到求积分的计算,经常会有这样的情况: (1)函数)(x f 的原函数无法用初等函数给出.例如积分 dx e x ?-1 02 , ? 1 sin dx x x 等,从而无法用牛顿-莱布尼茨公式计算出积分。 (2)函数)(x f 使用表格形式或图形给出,因而无法直接用积分公式或导数公式。 (3)函数)(x f 的原函数或导数值虽然能够求出,但形式过于复杂,不便使用. 由此可见,利用原函数求积分或利用求导法则求导数有它的局限性,所以就有了求解数值积分的很多方法,目前有牛顿—柯特斯公式法,矩形法,梯形法,抛物线法,随机投点法,平均值法,高斯型求积法,龙贝格积分法,李查逊外推算法等等,本文对其中部分方法作一个比较． 2.几何意义上的数值算法 s 在几何上表示以],[b a 为底,以曲线)(x f y =为曲边的曲边梯形的面积A ,因此,计 算s 的近似值也就是A 的近似值,如图1所示.沿着积分区间],[b a ,可以把大的曲边梯形分割成许多小的曲边梯形面积之和.常采用均匀分割,假设],[b a 上等分n 的小区间 ,x 1-i h x i +=b x a x n ==,0,其中n a b h -= 表示小区间的长度. 2.1矩形法
非线性方程求根 问题：在相距100m的两座建筑物（高度相等的点）之间悬挂一根电缆，仅允许电缆在中间最多下垂1m，试计算所需电缆的长度。 设空中电缆的曲线（悬链线）方程为 ] , [ , ) ( 50 50 2 - ∈ + = - x e e a y a x a x （1） 由题设知曲线的最低点)) ( , (0 0y与最高点)) ( , (50 50y之间的高度差为1m，所以有 1 2 50 50 + = +- a e e a a a) ( （2） 由上述方程解出a后，电缆长度可用下式计算： ) ( ) (a a a x a x L e e a dx e e dx x y ds L 50 50 50 50 50 2 1- - - - = ? ? ? ? ? ? + = ' + = =? ? ?（3） 相关Matlab命令： 1、描绘函数] , [ , ) ( ) (1500 500 1 2 50 50 ∈ - - + = - a a e e a a y a a 的图形；
2、用fzero 命令求方程在1250=a 附近的根的近似值x ，并计算)(x y 的函数值； 3、编写二分法程序，用二分法求0=)(a y 在],[13001200内的根，误差不超过310-，并给出对分次数； 4、编写Newton 迭代法程序，并求0=)(a y 在],[13001200内的根，误差不超过310-，并给出迭代次数。 5、编写Newton 割线法程序，并求0=)(a y 在],[13001200内的根，误差不超过310-，并给出迭代次数。
线性方程组求解应用实例 问题：投入产出分析 国民经济各个部门之间存在相互依存的关系，每个部门在运转中将其他部门的产品或半成品（称为投入）经过加工变为自己的产品（称为产出），如何根据各部门间的投入产出关系，确定各部门的产出水平，以满足社会需求，是投入产出分析中研究的课题。考虑下面的例子： 设国民经济由农业、制造业和服务业三个部门构成，已知某年它们之间的投入产出关系、外部需求、初始投入等如表1所示（数字表示产值）。 表1 国民经济三个部门间的关系单位：亿元 假定总投入等于总产出，并且每个部门的产出与它的投入成正比，由上表可以确定三个部门的投入产出表：如表2所示。 表2 三个部门的投入产出表
数值计算（一） 主讲：张森 2011-7-9 一、矩阵的数值计算相关MATLAB函数提示： 二、插值法 1、插值有关的MATLAB函数：
2、拉格朗日和牛顿插值法 （1） 拉格朗日多项式和基函数的MATLAB 程序 求拉格朗日插值多项式和基函数的MATLAB 主程序 function [C, L,L1,l]=lagran1(X,Y) m=length(X); L=ones(m,m); for k=1: m V=1; for i=1:m if k~=i V=conv(V,poly(X(i)))/(X(k)-X(i)); end end L1(k,:)=V; l(k,:)=poly2sym (V) end C=Y*L1;L=Y*l 例1 给出节点数据03.17)15.2(=-f ，24.7)00.1(=-f ，05.1)01.0(=f ， 03.2)02.1(=f ， 06.17)03.2(=f ，05.23)25.3(=f ，作五次拉格朗日插值多项式和基函数，并写出估计其误差的公式. 解 在MATLAB 工作窗口输入程序 >> X=[-2.15 -1.00 0.01 1.02 2.03 3.25]; Y=[17.03 7.24 1.05 2.03 17.06 23.05]; [C, L ,L1,l]= lagran1(X,Y) 运行后输出五次拉格朗日插值多项式L 及其系数向量C ，基函数l 及其系数矩阵L 1如下 C = -0.2169 0.0648 2.1076 3.3960 -4.5745 1.0954 L = 1.0954-4.5745*x+3.3960*x^2+ 2.1076*x^3+0.0648*x^4-0.2169*x^5 L1 = -0.0056 0.0299 -0.0323 -0.0292 0.0382 -0.0004 0.0331 -0.1377 -0.0503 0.6305 -0.4852 0.0048 -0.0693 0.2184 0.3961 -1.2116 -0.3166 1.0033 0.0687 -0.1469 -0.5398 0.6528 0.9673 -0.0097 -0.0317 0.0358 0.2530 -0.0426 -0.2257 0.0023 0.0049 0.0004 -0.0266 0.0001 0.0220 -0.0002 l = [ -0.0056*x^5+0.0299*x^4-0.0323*x^3-0.0292*x^2+0.0382*x-0.0004] [ 0.0331*x^5-0.1377*x^4-0.0503*x^3+0.6305*x^2-0.4852*x+0.0048] [ -0.0693*x^5+0.2184*x^4+0.3961*x^3-1.2116*x^2-0.3166*x+1.0033] [ 0.0687*x^5-0.1469*x^4-0.5398*x^3+0.6528*x^2+0.9673*x-0.0097] [ -0.0317*x^5+0.0358*x^4+0.2530*x^3-0.0426*x^2-0.2257*x+0.0023] [ 0.0049*x^5+0.0004 *x^4-0.0266*x^3+0.0001*x^2+0.0220*x-0.0002] 估计其误差的公式为 )(5x R )25.3)(03.2)(02.1)(01.0()00.1)(15.2(! 6) () 6(----++= x x x x x x f ξ，)3.25,-2.15(∈ξ.
《计算方法》教案 课程名称：计算方法 适用专业：医学信息技术 适用年级：二年级 任课教师：张利萍 编写时间：2011年 8月 新疆医科大学工程学院张利萍
教案目录 《计算方法》教学大纲 (4) 一、课程的性质与任务 (4) 二、课程的教学内容、基本要求及学时分配 (4) 三、课程改革与特色 (5) 四、推荐教材及参考书 (5) 《计算方法》教学日历.................................. 错误！未定义书签。第一章绪论 .. (6) 第1讲绪论有效数字 (6) 第2讲误差……………………………………………………………………………… 第二章线性方程组的直接法 (14) 第3讲直接法、高斯消去法 (14) 第4讲高斯列主元消去法 (22) 第5讲平方根法、追赶法 (29) 第三章插值法与最小二乘法 (31) 第6讲机械求积、插值型求积公式 (32) 第7讲牛顿柯特斯公式、复化求积公式 (37) 第8讲高斯公式、数值微分 (42) 第9讲 第10讲 第12讲 第四章数值积分与数值微分 (48) 第11讲欧拉公式、改进的欧拉公式 (48) 第12讲龙格库塔方法、亚当姆斯方法 (52) 第13讲收敛性与稳定性、方程组与高阶方程 (56) 第14讲 第15讲 第五章微分常微分方程的差分方法 (59) 第16讲迭代收敛性与迭代加速 (60) 第17讲牛顿法、弦截法 (64) 第18讲 第19讲 第20讲 第六章线性方程组的迭代法 (67) 第21讲迭代公式的建立 (68)
第22讲 第23讲 第24讲向量范数、迭代收敛性 (71) 第25讲
第八章 最优化问题 最优化分支：线性规划，整数规划，几何规划，非线性规划，动态规划。又称规划论。 应用最优化方法解决问题时一般有以下几个特点： 1. 实用性强 2. 采用定量分析的科学手段 3. 计算量大，必须借助于计算机 4. 理论涉及面广 应用领域：工业，农业，交通运输，能源开发，经济计划，企业 管理，军事作战……。 §8.1 最优化问题实例 最优化问题：追求最优目标的数学问题。 经典最优化理论： （1） 无约束极值问题：),,,(opt 21n x x x f （),,,(min 21n x x x f 或),,,(max 21n x x x f ） 其中，),,,(21n x x x f 是定义在n 维空间上的可微函数。 解法（求极值点）：求驻点，即满足 ????? ? ?='='='0 ),,(0),,(0 ),,(1 1121n x n x n x x x f x x f x x f n 并验证这些驻点是否极值点。
（2） 约束极值问题：),,,(opt 21n x x x f s.t. )(,,2,1,0),,,(21n l l j x x x h n j <== 解法：采用Lagrange 乘子法，即将问题转化为求Lagrange 函数 ) ,,(),,,(),,;,,,(11 21121n j j l j n l n x x h x x x f x x x L λλλ∑=+=的无约束极值问题。 近代最优化理论的实例： 例1 (生产计划问题) 设某工厂有3种资源B 1，B 2，B 3，数量各为b 1，b 2，b 3，要生产10种产品A 1，…，A 10 。每生产一个单位的A j 需要消耗B i 的量为a ij ，根据合同规定，产品A j 的量不少于d j ，再设A j 的单价为c j 。问如何安排生产计划，才能既完成合同，又使总收入最多？（线性规划问题） 数学模型：设A j 的计划产量为 j x ，z 为总收入。 目标函数： max 10 1 j j j x c z ∑== 约束条件： ?????=≥=≤∑=10 ,,2,1,3 ,2,1,10 1 j d x i b x a j j j i j ij 线性规划问题通常采用单纯形法来求解。 例2 (工厂设址问题) 要在m 个不同地点计划修建m 个规模不完全相同的工厂，他们的生产能力分别是m a a a ,,21 （为简便起见，假设生产同一种产品），第i 个工厂的建设费用m i f i ,,2,1, =。又有n 个零售商店销售这种产品，对这种产品的需求量分别为
第一章 误差 §1.误差的来源 实际问题——?建立数学模型—?确定数值计算方法——?编制程序上机算出结果 模型误差 截断误差或方法误差 舍入误差 §2. 绝对误差、相对误差与有效数字 (1) 绝对误差与绝对误差限 定义： 绝对误差 x x x e e ?==***)( . 近似值------↑ ↑------精确值 通常，由于x 不知道，所以无法得*e ，故估计*e 的上界*ε，即 ***||||ε≤?=x x e 或 **ε±=x x . ↑------称为近似值*x 的绝对误差限，简称误差限。 (2) 相对误差与相对误差限 110 ,210021±=±=x x 定义： 相对误差 .)(**** x x x x e x e e r r ?=== 由于x 未知，所以** * x e e r ≈； Q **2*****1)(x e x e x e x e ?=?，当||**x e 较小时，***x e x e ?是**x e 的平方级，可以忽略不计，∴ 取** *x e e r =. 与绝对误差类似，只能估计相对误差绝对值的某个上界*r ε，即 **||r r e ε≤ ↑------近似值*x 的相对误差限， 得（差）。（好），%1010 1|)(| %21002|)(|2*1*=≤=≤x e x e r r .
(3) 有效数字 若近似值*x 的误差不超过某位数字的半个单位，而从该位数字到*x 最左边的那个非零数字（即自左向右看，第一个出现的非零数字）共有n 位，那么这n 位数字都称有效数字，并称*x 具有n 位有效数字。 X XX x L L =* 自左向右看，第一个非零数----↑ ↑-----误差不超过该位数的半个单位 例：L 14159.3==πx ，若取近似值14.3*≈x ，则01.0210015.0|)(|*×≤=L x e ，故*x 具有三位有效数字。 (4) 有效数字、绝对误差、相对误差之间关系如何呢？ 一般(*) )1010(10)1(121*???×++×+×±=n n m a a a x L 01≠a ，即n a a a ~ ;9~1:21是.9~0 且1)1(*102 1101021||+???×=××≤?n m n m x x m m a x a 10)1(||101*1×+≤≤×Q 111121***10211010| |||||+?+?×=××≤?=∴n m n m r a a x x x e 定理1：若用） （*式表示的近似值*x 具有n 位有效数字，则其相对误差满足不等式 11 *1021||+?×≤n r a e 其中1a 为*x 的第一个非零数字。 反之，有 定理2：若近似值*x 的相对误差满足不等式 11*10) 1(21||+?×+≤n r a e 其中1a 为*x 的第一个非零数字， 则它至少具有n 位有效数字。 证明： ,102 110)1(10)1(21||||||1111***+?+?×=×+?×+≤?=?n m m n r a a x e x x 所以*x 至少具有n 位有效数字。
数值计算方法讲义-第一章预篇
前言 由于计算机的普及，科学计算已成为各学科领域的一项重要工作。学习和掌握数值计算方法的基本原理及应用已成为现代科学工作者不可缺少的一个环节。 用计算机解决科学计算问题需经历几个过程：由实际问题建立数学模型，根据数学模型提出求解的数值计算方法，编出程序、上机求出结果。通过以上过程，可以看出，数值计算方法是计算机、数学和应用科学之间的桥梁，是程序设计和对数值结果进行分析的依据，是用计算机进行科学计算全过程的一个重要环节。目前，数值计算方法已经成为理工科院校（非数学专业）硕士学位研究生的学位课。在农业科学研究中，数值计算方法已经成为不可缺少的有力工具。 学生通过本课程的学习，能掌握科学计算中常用的算法，能独立地用学过的算法编程，测试。并能解决工作中遇到的实际问题。 本教材同时也适当增加一些只供阅读，而不在课堂教授的内容，这样在规定的课时内可完成基本内容的讲授，又可以作为今后科研的参考书。 各章节要点及授课时数
2.4 弦截法 第三章解线性方程组的直接法 3.1 Gauss 消去法 3.2 矩阵的三角分解及其在解方程组中的应用 3.3 解对称正定矩阵方程组的平方根解法 3.4 解三对角方程组的追赶法 3.5 向量和矩阵的范数 3.6 方程组的性态、条件数 第四章解线性方程组的迭代法 4.1 Jacobi 迭代法 4.2 Gauss-Seidel 4.3 SQR 方法 4.4 迭代法的收敛性 4.5 共轭梯度法 4.6 最小二乘法 第五章矩阵特征值问题的计算方法 5.1 矩阵特征值问题 5.2 乘幂法和反幂法 5.3 Household方法 5.4 QR方法 第六章函数插值 6.1 Lagrange 插值 6.2 Newton 插值 6.3 等距节点的插值 6.4 Hermite 插值 6.5分段低次多项式插值 6.6 三次样条插值 第七章最佳平方逼近 7.1 正交多项式 7.2 切比雪夫多项式 7.3 曲线拟合的最小二乘法
第一章 绪论 数值分析－研究各种数学问题求解的数值计算方法及其理论也称计算方法。 数值计算——对已知数据进行有限次四则运算得到所需的数值结果。 一般算法设计：对已知数据进行有限次四则运算和初等函数运算得到所需的数值结果。 数值—用有限位小数表示的数。 特点 以数学问题位研究对象，具有高度抽象性与严密的科学性，又有应用的广泛性与实际试验的高度技术性。 用计算机解决实际问题的过程大致是： 数值计算古已有之，例如 1。初等函数函数值的计算，e.g. 357 sin 3!5!7! x x x x x =-+- 2。数学模型通常表现为函数，这个函数本身需要用数值分析的方法来确定 e.g.弹性力学问题 在垂直方向分布载荷为(,)q x y 作用下，周边固定的弹性平板弯曲问题可以表示为 4444224(2)(,)(,)0,0(,)u u u D q x y x y G x x y y u u x y G n ???++=∈?????==∈?的边界 可以证明，存在唯一的函数(,)u x y 满足上述方程，(,)z u x y =就是弹性平板曲
面的方程。但是(,)?u x y = 二、误差 误差的来源： 模型误差（“理想化”产生的误差） 观测误差（对模型中某些观测得来的物理量） 方法误差—数学模型精确解与数值近似解之间的差 舍入误差 初值误差 在本课程中，我们要研究如何控制和减小方法误差，对于其他的几类误差，一般不能控制，但要考虑它们的影响。第一 误差的类型： 设x 为精确值，* x 为x 的一个近似值，则称 **e x x =- 为近似值的绝对误差 ** r e e x = 为近似值的相对误差，通常也可认为* **r e e x = *e 的一个上界*ε 称为绝对误差限，*r e 的一个上界*r ε 称为相对误差限。 *x 的误差限为某一位的半个单位， 该位到*x 的第一位非0数字共有n 位，则称*x 有n 位有效数字。 数值方法的评价标准： 收敛性：一个方法当计算步骤充分多时，近似解是否能够任意接近精确解？能：收敛；不能：发散。只有收敛的方法才有意义。e.g. Taylor 展式的收敛半径 稳定性：舍入误差是否会积累？等价地，初始值有小的误差，当计算步骤充分多时，所有的计算结果是否也只有小的误差？ 不稳定的例 误差估计的理论分析、概率估计、后验估计、数值实验。 算法设计的几条原则： 1. 除数不能太小（与被除数相比而言） 2. 防止“大吃小”
第一章 误差 1 问，，7 22分别作为π的近似值各具有几位有效数字？ 分析 利用有效数字的概念可直接得出。 解 π= 592 65… 记x 1=，x 2=，x 3=7 22. 由π- x 1= 59…= 40…知 34111 10||1022 x π--?<-≤? 因而x 1具有4位有效数字。 由π- x 2= 59…= 59…知 223102 1||1021--?≤-