数值代数习题参考解答
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数值计算方法试题一一、 填空题(每空1分,共17分)1、如果用二分法求方程043=-+x x 在区间]2,1[内的根精确到三位小数,需对分( )次。
2、迭代格式)2(21-+=+k k k x x x α局部收敛的充分条件是α取值在( )。
3、已知⎪⎩⎪⎨⎧≤≤+-+-+-≤≤=31)1()1()1(2110)(233x c x b x a x x x x S 是三次样条函数,则a =( ),b =( ),c =( )。
4、)(,),(),(10x l x l x l n 是以整数点n x x x ,,,10 为节点的Lagrange 插值基函数,则∑==nk kx l0)(( ),∑==nk k jk x lx 0)((),当2≥n 时=++∑=)()3(204x l x xk k n k k( )。
5、设1326)(247+++=x x x x f 和节点,,2,1,0,2/ ==k k x k 则=],,,[10n x x x f 和=∆07f 。
6、5个节点的牛顿-柯特斯求积公式的代数精度为 ,5个节点的求积公式最高代数精度为 。
7、{}∞=0)(k k x ϕ是区间]1,0[上权函数x x =)(ρ的最高项系数为1的正交多项式族,其中1)(0=x ϕ,则⎰=14)(dx x x ϕ 。
8、给定方程组⎩⎨⎧=+-=-221121b x ax b ax x ,a 为实数,当a 满足 ,且20<<ω时,SOR 迭代法收敛。
9、解初值问题00(,)()y f x y y x y '=⎧⎨=⎩的改进欧拉法⎪⎩⎪⎨⎧++=+=++++)],(),([2),(]0[111]0[1n n n n n n n n n n y x f y x f h y y y x hf y y 是阶方法。
10、设⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=11001a a a a A ,当∈a ( )时,必有分解式T LL A =,其中L为下三角阵,当其对角线元素)3,2,1(=i l ii 满足( )条件时,这种分解是唯一的。
(完整版)数值线性代数答案习题11.求下三⾓阵的逆矩阵的详细算法。
[解] 设下三⾓矩阵L的逆矩阵为T我们可以使⽤待定法,求出矩阵T的各列向量。
为此我们将T按列分块如下:注意到我们只需运⽤算法1·1·1,逐⼀求解⽅程便可求得[注意]考虑到内存空间的节省,我们可以置结果矩阵T的初始状态为单位矩阵。
这样,我们便得到如下具体的算法:算法(求解下三⾓矩阵L的逆矩阵T,前代法)3.证明:如果是⼀个Gauss变换,则也是⼀个Gauss变换。
[解]按Gauss变换矩阵的定义,易知矩阵是Gauss变换。
下⾯我们只需证明它是Gauss 变换的逆矩阵。
事实上注意到,则显然有从⽽有4.确定⼀个Gauss变换L,使[解] ⽐较⽐较向量和可以发现Gauss变换L应具有功能:使向量的第⼆⾏加上第⼀⾏的2倍;使向量的第三⾏加上第⼀⾏的2倍。
于是Gauss变换如下5.证明:如果有三⾓分解,并且是⾮奇异的,那么定理1·1·2中的L和U都是唯⼀的。
[证明]设,其中都是单位下三⾓阵,都是上三⾓阵。
因为A⾮奇异的,于是注意到,单位下三⾓阵的逆仍是单位下三⾓阵,两个单位下三⾓阵的乘积仍是单位下三⾓阵;上三⾓阵的逆仍是上三⾓阵,两个上三⾓阵的乘积仍是上三⾓阵。
因此,上述等将是⼀个单位下三⾓阵与⼀个上三⾓阵相等,故此,它们都必是单位矩阵。
即,从⽽即A的LU分解是唯⼀的。
17.证明定理1·3·1中的下三⾓阵L是唯⼀的。
[证明] 因A是正定对称矩阵,故其各阶主⼦式均⾮零,因此A⾮奇异。
为证明L的唯⼀性,不妨设有和使那么注意到:和是下三⾓阵,和为上三⾓阵,故它们的逆矩阵也分别是下三⾓阵和上三⾓阵。
因此,只能是对⾓阵,即从⽽于是得知19.若是A的Cholesky分解,试证L的i阶顺序主⼦阵正好是A的i阶顺序主⼦阵的Cholesky因⼦。
[证明] 将A和L作如下分块其中:为矩阵A和L的i阶顺序主⼦阵。
数值计算试题及答案一、单项选择题(每题3分,共30分)1. 在数值计算中,下列哪种方法用于求解线性方程组?A. 牛顿法B. 牛顿-拉弗森方法C. 高斯消元法D. 蒙特卡洛方法答案:C2. 以下哪个不是数值分析中常用的插值方法?A. 拉格朗日插值B. 牛顿插值C. 多项式插值D. 傅里叶变换答案:D3. 在数值积分中,梯形规则的误差项与下列哪个因素有关?A. 积分区间的长度B. 被积函数的二阶导数C. 被积函数的一阶导数D. 被积函数的三阶导数答案:B4. 下列哪种方法不是数值微分的方法?A. 前向差分法B. 中心差分法C. 牛顿迭代法D. 后向差分法答案:C5. 以下哪个算法不是用于求解非线性方程的?A. 牛顿法B. 弦截法C. 牛顿-拉弗森方法D. 欧拉法答案:D6. 在数值分析中,下列哪个概念与误差分析无关?A. 截断误差B. 舍入误差C. 条件数D. 插值多项式的阶答案:D7. 以下哪种方法不是数值解常微分方程的方法?A. 欧拉法B. 龙格-库塔法C. 牛顿法D. 亚当斯法答案:C8. 在数值分析中,下列哪个概念与病态问题无关?A. 条件数B. 误差放大C. 稳定性D. 收敛性答案:D9. 以下哪种情况不会导致数值解的不稳定?A. 步长过大B. 初始条件不精确C. 算法本身稳定D. 计算精度过高答案:C10. 在数值计算中,下列哪种方法用于求解特征值问题?A. 高斯消元法B. 幂法C. 牛顿法D. 蒙特卡洛方法答案:B二、填空题(每题3分,共30分)1. 在数值计算中,使用______方法可以提高插值的精度。
答案:牛顿插值2. 梯形规则的误差与被积函数的______阶导数有关。
答案:二阶3. 在数值微分中,使用______差分法可以提高微分的精度。
答案:中心4. 非线性方程的求解可以通过______法来实现。
答案:牛顿5. 常微分方程的数值解法中,______法是最基本的方法之一。
答案:欧拉6. 对于线性方程组的求解,______法是最基本的方法之一。
课后习题解答第一章绪论习题一1.设x>0,x*的相对误差为δ,求f(x)=ln x的误差限。
解:求lnx的误差极限就是求f(x)=lnx的误差限,由公式(已知x*的相对误差满足,而,故即2.下列各数都是经过四舍五入得到的近似值,试指出它们有几位有效数字,并给出其误差限与相对误差限。
解:直接根据定义和式(有5位有效数字,其误差限,相对误差限有2位有效数字,有5位有效数字,3.下列公式如何才比较准确?(1)(2)解:要使计算较准确,主要是避免两相近数相减,故应变换所给公式。
(1)(2)4.近似数x*=0.0310,是 3 位有数数字。
5.计算取,利用:式计算误差最小。
四个选项:第二、三章插值与函数逼近习题二、三1. 给定的数值表用线性插值与二次插值计算ln0.54的近似值并估计误差限. 解:仍可使用n=1及n=2的Lagrange插值或Newton插值,并应用误差估计(5.8)。
线性插值时,用0.5及0.6两点,用Newton插值误差限,因,故二次插值时,用0.5,0.6,0.7三点,作二次Newton插值误差限,故2. 在-4≤x≤4上给出的等距节点函数表,若用二次插值法求的近似值,要使误差不超过,函数表的步长h 应取多少?解:用误差估计式(5.8),令因得3. 若,求和.解:由均差与导数关系于是4. 若互异,求的值,这里p≤n+1.解:,由均差对称性可知当有而当P=n+1时于是得5. 求证.解:解:只要按差分定义直接展开得6. 已知的函数表求出三次Newton均差插值多项式,计算f(0.23)的近似值并用均差的余项表达式估计误差.解:根据给定函数表构造均差表由式(5.14)当n=3时得Newton均差插值多项式N3(x)=1.0067x+0.08367x(x-0.2)+0.17400x(x-0.2)(x-0.3) 由此可得f(0.23) N3(0.23)=0.23203由余项表达式(5.15)可得由于7. 给定f(x)=cosx的函数表用Newton等距插值公式计算cos 0.048及cos 0.566的近似值并估计误差解:先构造差分表计算,用n=4得Newton前插公式误差估计由公式(5.17)得其中计算时用Newton后插公式(5.18)误差估计由公式(5.19)得这里仍为0.5658.求一个次数不高于四次的多项式p(x),使它满足解:这种题目可以有很多方法去做,但应以简单为宜。
数值线性代数习题解答习题11.求下三角阵的逆矩阵的详细算法。
[解] 设下三角矩阵L的逆矩阵为T我们可以使用待定法,求出矩阵T的各列向量。
为此我们将T按列分块如下:注意到我们只需运用算法1·1·1,逐一求解方程便可求得[注意]考虑到内存空间的节省,我们可以置结果矩阵T的初始状态为单位矩阵。
这样,我们便得到如下具体的算法:算法(求解下三角矩阵L的逆矩阵T,前代法)2.设为两个上三角矩阵,而且线性方程组是非奇异的,试给出一种运算量为的算法,求解该方程组。
[解]因,故为求解线性方程组,可先求得上三角矩阵T的逆矩阵,依照上题的思想我们很容易得到计算的算法。
于是对该问题我们有如下解题的步骤:(1)计算上三角矩阵T的逆矩阵,算法如下:算法1(求解上三角矩阵的逆矩阵,回代法。
该算法的的运算量为)(2)计算上三角矩阵。
运算量大约为.(3)用回代法求解方程组:.运算量为;(4)用回代法求解方程组:运算量为。
算法总运算量大约为:3.证明:如果是一个Gauss变换,则也是一个Gauss变换。
[解]按Gauss变换矩阵的定义,易知矩阵是Gauss变换。
下面我们只需证明它是Gauss变换的逆矩阵。
事实上注意到,则显然有从而有4.确定一个Gauss变换L,使[解] 比较比较向量和可以发现Gauss变换L应具有功能:使向量的第二行加上第一行的2倍;使向量的第三行加上第一行的2倍。
于是Gauss变换如下5.证明:如果有三角分解,并且是非奇异的,那么定理1·1·2中的L和U都是唯一的。
[证明]设,其中都是单位下三角阵,都是上三角阵。
因为A非奇异的,于是注意到,单位下三角阵的逆仍是单位下三角阵,两个单位下三角阵的乘积仍是单位下三角阵;上三角阵的逆仍是上三角阵,两个上三角阵的乘积仍是上三角阵。
因此,上述等将是一个单位下三角阵与一个上三角阵相等,故此,它们都必是单位矩阵。
即,从而即A的LU分解是唯一的。
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解:S3显然有以下子群:本身;((1))={(1)};((12))={(12),(1)};((13))={(13),(1)};((23))={(23),(1)};((123))={(123),(132),(1)}若S3的一个子群H包含着两个循环置换,那么H含有(12),(13)这两个2-循环置换,那么H含有(12)(13)=(123),(123)(12)=(23),因而H=S3。
同理,若是S3的一个子群含有两个循环置换(21),(23)或(31),(32)。
这个子群也必然是S3。
用完全类似的方法,可以算出,若是S3的一个子群含有一个2-循环置换和一个3-循环置换,那么这个子群也必然是S3。
7.试求高斯整环的单位。
解设 () 为的单位, 则存在 , 使得 , 于是因为 , 所以 . 从而 , , 或 . 因此可能的单位只有显然它们都是的单位. 所以恰有四个单位:5.在中, 解下列线性方程组:解: 即 , .12. 试求的所有理想.解设为的任意理想, 则为的子环,则 , , 且 .对任意的 , , 有 ,从而由理想的定义知, 为的理想. 由此知, 的全部理想为且 .13、数域上的多项式环的理想是怎样的一个主理想。
解由于,所以,于是得。
14、在中, 求的全部根. 解共有16个元素: , , , , 将它们分别代入 ,可知共有下列4个元素, , , 为的根.20.设R为偶数环.证明:问:是否成立?N是由哪个偶数生成的主理想?解::故另外故总之有另方面,由于且而且实际上N是偶数环中由8生成的主理想,即,但是因此,.实际上是22、设,求关于的所有左陪集以及右陪集.解 , 的所有左陪集为:;;.的所有右陪集为:;;.1.在群中, 对任意 , 方程与都有唯一解.证明令 , 那么 , 故为方程的解。
数值计算方法试题一一、 填空题(每空1分,共17分)1、如果用二分法求方程043=-+x x 在区间]2,1[内的根精确到三位小数,需对分( )次。
2、迭代格式)2(21-+=+k k k x x x α局部收敛的充分条件是α取值在( )。
3、已知⎪⎩⎪⎨⎧≤≤+-+-+-≤≤=31)1()1()1(2110)(233x c x b x a x x x x S 是三次样条函数,则a =( ),b =( ),c =( )。
4、)(,),(),(10x l x l x l n Λ是以整数点n x x x ,,,10Λ为节点的Lagrange 插值基函数,则∑==nk kx l0)(( ),∑==nk k jk x lx 0)(( ),当2≥n 时=++∑=)()3(204x l x xk k n k k( )。
5、设1326)(247+++=x x x x f 和节点,,2,1,0,2/Λ==k k x k 则=],,,[10n x x x f Λ 和=∆07f。
6、5个节点的牛顿-柯特斯求积公式的代数精度为 ,5个节点的求积公式最高代数精度为 。
7、{}∞=0)(k kx ϕ是区间]1,0[上权函数x x =)(ρ的最高项系数为1的正交多项式族,其中1)(0=x ϕ,则⎰=14)(dx x x ϕ 。
8、给定方程组⎩⎨⎧=+-=-221121b x ax b ax x ,a 为实数,当a 满足 ,且20<<ω时,SOR 迭代法收敛。
9、解初值问题00(,)()y f x y y x y '=⎧⎨=⎩的改进欧拉法⎪⎩⎪⎨⎧++=+=++++)],(),([2),(]0[111]0[1n n n n n n n n n n y x f y x f h y y y x hf y y 是阶方法。
10、设⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=11001a a a a A ,当∈a ( )时,必有分解式T LL A =,其中L 为下三角阵,当其对角线元素)3,2,1(=i l ii 满足( )条件时,这种分解是唯一的。
部分习题参考答案习题一1. 分别有3位、5位与4位有效数字2. 分别有5位、3位、4位与3位有效数字3. 有3位有效数字; 绝对误差为 -0、0012;相对误差-0、0005570514. (1) (2)(3)6、提示:注意字长为8位得计算机上得机器数系得特点与计算机对数得接收与运算处理。
7、提示:通过证明进行说明,这里 8、,不稳定 9、最好10、采用j 从10000到2得顺序相加,或通过进行化简计算。
11、本题有递推公式得出得就就就是。
算法1、2、For k=n-1,n-2,…,1,0 做12、提示:仿照例1、9做之。
习题二 2、提示:3、取迭代函数讨论之。
4、由确定k,迭代次数59、5、迭代公式及区间为,数列得极限值。
6、x 3=0、567143 7、,用New to n迭代公式及定理6做,根1、030 8、两个根: ;9、取,当时,取区间,用定理6做,当时,由做转换讨论。
极限为 11提示:由可得,或由用定理2、4 12、()()()()()()()()()()()()()()()()()222******1*22*****1*2***2*3(),()2'()2!()'()'()2'()'()'()2()'()2k k kk k k k k k k k k k k k kk k k k k k f f y x x x f y f x f x y x y x f x f x f f y x x y x y x y x y x f x f x f x y x f f x f x y x f x y x f x x f f x ξξξξξξ+'''''-=-=+-+-'''∴-=--=------''⎛⎫'=--- ⎪⎝⎭-''''=-+()()()()()2*13*121*32()2'()()()()4'()2'()k k kk k k f x x f x x xf f f f x x f x f x ξξξξξ⎛⎫''⨯- ⎪⎝⎭''-''''⎛⎫''=+- ⎪⎝⎭13、提示:借助代入中约化。
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0.003400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*≤≤π3 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。
第一章 绪论(12)1、设0>x ,x 的相对误差为δ,求x ln 的误差。
[解]设0*>x 为x 的近似值,则有相对误差为δε=)(*x r ,绝对误差为**)(x x δε=,从而x ln 的误差为δδεε=='=*****1)()(ln )(ln x x x x x , 相对误差为****ln ln )(ln )(ln x x x x rδεε==。
2、设x 的相对误差为2%,求n x 的相对误差。
[解]设*x 为x 的近似值,则有相对误差为%2)(*=x r ε,绝对误差为**%2)(x x =ε,从而nx 的误差为nn x x nxn x x n x x x **1***%2%2)()()()(ln *⋅=='=-=εε,相对误差为%2)()(ln )(ln ***n x x x nr==εε。
3、下列各数都是经过四舍五入得到的近似数,即误差不超过最后一位的半个单位,试指出它们是几位有效数字:1021.1*1=x ,031.0*2=x ,6.385*3=x ,430.56*4=x ,0.17*5⨯=x 。
[解]1021.1*1=x 有5位有效数字;0031.0*2=x 有2位有效数字;6.385*3=x 有4位有效数字;430.56*4=x 有5位有效数字;0.17*5⨯=x 有2位有效数字。
4、利用公式(3.3)求下列各近似值的误差限,其中*4*3*2*1,,,x x x x 均为第3题所给的数。
(1)*4*2*1x x x ++; [解]3334*4*2*11***4*2*1*1005.1102110211021)()()()()(----=⨯=⨯+⨯+⨯=++=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂=++∑x x x x x f x x x e nk k k εεεε;(2)*3*2*1x x x ;[解]52130996425.010********.2131001708255.01048488.2121059768.01021)031.01021.1(1021)6.3851021.1(1021)6.385031.0()()()()()()()()(3333334*3*2*1*2*3*1*1*3*21***3*2*1*=⨯=⨯+⨯+⨯=⨯⨯+⨯⨯+⨯⨯=++=⎪⎪⎭⎫⎝⎛∂∂=-------=∑x x x x x x x x x x x f x x x e n k k kεεεε;(3)*4*2/x x 。