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MATLAB 数值分析 第二次 50页第二章计算实习题2

MATLAB 数值分析 第二次 50页第二章计算实习题2
MATLAB 数值分析 第二次 50页第二章计算实习题2

第二次 50页第二章计算实习题2

clear all

clc

x=-1:.1:1;

y=1./(1+25*x.^2);

plot(x,y)

for n=10:10:20

x1=linspace(-1,1,n)

y1=interp1(x,y,x1)

hold on

plot(x1,y1,'r')

x2=linspace(-1,1,n);

a=polyfit(x,y,3);%polyfit:给定n+1个点将可以唯一确定一个n 阶多项式。利用命令polyfit 可容易确定多项式的系数

y2=polyval(a,x2)%polyval:用命令polyval 计算多项式的值

hold on

plot(x2,y2,'g')

end

图像:

-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81

-0.20

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

对于给定的函数2

1()125f x x =

+在区间[1,1]-上取值,试求三次曲线拟合并画出拟合曲线方程。

8次拟合曲线;

程序:clear all

clc

x=-1:0.01:1;

f=1./(1+25*x.^2);

plot(x,f,'*')

i=0:10;

x1=-1+0.2.*i;

f1=1./(1+25*x1.^2);

a=polyfit(x1,f1,8)

f2=polyval(a,x1);

hold on

plot(x1,f2,'r') 曲线系数(从高到低):20.4662 0.0000 -43.6006 -0.0000 30.8171 0.0000 -8.5318 -0.0000 0.8880

-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81

3次拟合曲线; clear all

clc

x=-1:0.01:1;

f=1./(1+25*x.^2);

plot(x,f,'*')

i=0:10;

x1=-1+0.2.*i;

f1=1./(1+25*x1.^2);

a=polyfit(x1,f1,3)

f2=polyval(a,x1);

hold on

plot(x1,f2,'r')

曲线系数(从高到低):0.0000 -0.5752 -0.0000 0.4841

3次拟合曲线

-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81 clear all

clc

x=-1:.01:1;

y=1./(1+25*x.^2);

plot(x,y,'*')

for n=10:10:20

x1=linspace(-1,1,n)

y1=interp1(x,y,x1,'cubic')

hold on

plot(x1,y1,'r')

x2=linspace(-1,1,n);

a=polyfit(x,y,3);

y2=polyval(a,x2)

hold on

plot(x2,y2,'g')

y3=interp1(x,y,x1,'spline');

hold on

plot(x1,y3,'y')

hold off

end

-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81

数值分析思考题1

% 数值分析思考题1 1、讨论绝对误差(限)、相对误差(限)与有效数字之间的关系。 答:(1)绝对误差(限)与有效数字:将x 的近似值x * 表示成 x *=±10m ×(a 1×10﹣1+a 2×10﹣2+ …a n ×10﹣n +…+a k ×10﹣k +…),其中m 是整数,a 1≠0,a 1,a 2,…,a k 是0到9中的一个数字。若绝对误差,那么x *至少有n 个有效数字,即a 1,a 2,…,a n 为有效数字,而a n+1,…,a k ,…不一定是有效数字。因此,从有效数字可以算出近似数的绝对误差限;有效数字位数越多,其绝对误差限也越小。 (2)相对误差(限)与有效数字:将x 的近似值x * 表示成 x *=±10m ×(a 1×10﹣1+a 2×10﹣2+ …a n ×10﹣n +…+a k ×10﹣k +…),其中m 是整数,a 1≠0,a 1,a 2,…,a k 是0到9中的一个数字。若a k 是有效数字,那么相对误差不超过 ;反之,如果已知相对误差r ,且有 ,那么a k 必为有效数字。 2、相对误差在什么情况下可以用下式代替 ' 答:在实际计算时,由于真值常常是未知的,当较小时, r e x x e x x *****-==

通常用代替。 3、查阅何谓问题的“病态性”,并区分与“数值稳定性”的不同点。 答:(1)病态问题:对于数学问题本身,如果输入数据有微小变化,就会引起输出数据(即问题真解)的很大变化,这就是病态问题。 (2)不同点:数值稳定性是相对于算法而言的,算法的不同直接影响结果的不同;而病态性是数学问题本身性质所决定的,与算法无关,也就是说对病态问题,用任何算法(或方法)直接计算都将产生不稳定性。 4、 取 ,计算 ,下列方法中哪种最好为什么 (1)(3322-,(2)(2752-,(3)()31 322+,(4)()61 21,(5) 99702-答:(1)( 332-==; (2)(2752-==; , (3) ()31322+=; (4)()6121=; (5)99702-=; 由上面的计算可以看出,方法(3)最好,因为计算的误差最小。 2141.≈)6 21

数值分析参考答案(第二章)doc资料

数值分析参考答案(第 二章)

第二章 插值法 1.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)23537623l 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ln0.54的近似值。 解:由表格知, 01234012340.4,0.5,0.6,0.7,0.8;()0.916291,()0.693147()0.510826,()0.356675()0.223144 x x x x x f x f x f x f x f x ======-=-=-=-=- 若采用线性插值法计算ln0.54即(0.54)f , 则0.50.540.6<<

2 112 1 221 11122()10(0.6)()10(0.5)()()()()() x x l x x x x x x l x x x x L x f x l x f x l x -==----= =---=+ 6.93147(0.6) 5.10826(0.5)x x =--- 1(0.54)0.62021860.620219L ∴=-≈- 若采用二次插值法计算ln0.54时, 1200102021101201220212001122()() ()50(0.5)(0.6) ()() ()() ()100(0.4)(0.6) ()()()() ()50(0.4)(0.5) ()() ()()()()()()() 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 L x f x l x f x l x f x l x --==------==-------= =----=++ 500.916291(0.5)(0.6)69.3147(0.4)(0.6)0.51082650(0.4)(0.5) x x x x x x =-?--+---?--2(0.54)0.615319840.615320L ∴=-≈- 3.给全cos ,090x x ≤≤的函数表,步长1(1/60),h '==若函数表具有5位有效数字,研究用线性插值求cos x 近似值时的总误差界。 解:求解cos x 近似值时,误差可以分为两个部分,一方面,x 是近似值,具有5位有效数字,在此后的计算过程中产生一定的误差传播;另一方面,利用插值法求函数cos x 的近似值时,采用的线性插值法插值余项不为0,也会有一定的误差。因此,总误差界的计算应综合以上两方面的因素。 当090x ≤≤时, 令()cos f x x = 取0110,( )606018010800 x h ππ ===?=

数值分析课后题答案

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)0 ()()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 插值余项为1011 ()()()()()()2 R x f x L x f x x x x x ''=-= -- 011 ()()()()2 f x f x x x x x ''∴= --

数值分析-第一章-学习小结

数值分析 第1章绪论 --------学习小结 一、本章学习体会 通过本章的学习,让我初窥数学的又一个新领域。数值分析这门课,与我之前所学联系紧密,区别却也很大。在本章中,我学到的是对数据误差计算,对误差的分析,以及关于向量和矩阵的范数的相关内容。 误差的计算方法很多,对于不同的数据需要使用不同的方法,或直接计算,或用泰勒公式。而对于二元函数的误差计算亦有其独自的方法。无论是什么方法,其目的都是为了能够通过误差的计算,发现有效数字、计算方法等对误差的影响。 而对误差的分析,则是通过对大量数据进行分析,从而选择出相对适合的算法,尽可能减少误差。如果能够找到一个好的算法,不仅能够减少计算误差,同时也可以减少计算次数,提高计算效率。 对于向量和矩阵的范数,我是第一次接触,而且其概念略微抽象。因此学起来较为吃力,仅仅知道它是向量与矩阵“大小”的度量。故对这部分内容的困惑也相对较多。 本章的困惑主要有两方面。一方面是如何能够寻找一个可靠而高效的算法。虽然知道算法选择的原则,但对于很多未接触的问题,真正寻找一个好的算法还是很困难。另一方面困惑来源于范数,不明白范数的意义和用途究竟算什么。希望通过以后的学习能够渐渐解开自己的疑惑。 二、本章知识梳理

2.1 数值分析的研究对象 方法的构造 研究对象 求解过程的理论分析 数值分析是计算数学的一个重要分支,研究各种数学问题的数值解法,包括方法的构造和求解过程的理论分析。它致力于研究如何用数值计算的方法求解各种基本数学问题以及在求解过程中出现的收敛性,数值稳定性和误差估计等内容。 2.2误差知识与算法知识 2.2.1误差来源 误差按来源分为模型误差、观测误差、截断误差、舍入误差与传播误差五种。其中模型误差与观测误差属于建模过程中产生的误差,而截断误差、舍入误差与传播误差属于研究数值方法过程中产生的误差。 2.2.2绝对误差、相对误差与有效数字 1.(1)绝对误差e指的是精确值与近似值的差值。 绝对误差:

数值分析第二章复习与思考题

第二章复习与思考题 1.什么是拉格朗日插值基函数?它们是如何构造的?有何重要性质? 答:若n 次多项式()),,1,0(n j x l j =在1+n 个节点n x x x <<< 10上满足条件 (),,,1,0,, ,0, ,1n k j j k j k x l k j =?? ?≠== 则称这1+n 个n 次多项式()()()x l x l x l n ,,,10 为节点n x x x ,,,10 上的n 次拉格朗日插值基函数. 以()x l k 为例,由()x l k 所满足的条件以及()x l k 为n 次多项式,可设 ()()()()()n k k k x x x x x x x x A x l ----=+- 110, 其中A 为常数,利用()1=k k x l 得 ()()()()n k k k k k k x x x x x x x x A ----=+- 1101, 故 ()()()() n k k k k k k x x x x x x x x A ----= +- 1101 , 即 ()()()()()()()()∏ ≠=+-+---=--------=n k j j j k j n k k k k k k n k k k x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x l 0110110)( . 对于()),,1,0(n i x l i =,有 ()n k x x l x n i k i k i ,,1,00 ==∑=,特别当0=k 时,有 ()∑==n i i x l 0 1. 2.什么是牛顿基函数?它与单项式基{ }n x x ,,,1 有何不同? 答:称()()()(){ }10100,,,,1------n x x x x x x x x x x 为节点n x x x ,,,10 上的牛顿基函数,利用牛顿基函数,节点n x x x ,,,10 上的n 次牛顿插值多项式()x P n 可以表示为 ()()()()10010---++-+=n n n x x x x a x x a a x P 其中[]n k x x x f a k k ,,1,0,,,,10 ==.与拉格朗日插值多项式不同,牛顿插值基函数在增加节点时可以通过递推逐步得到高次的插值多项式,例如 ()()()()k k k k x x x x a x P x P --+=++ 011,

数值分析第一章思考题

《数值分析》第一章思考题 1.算法这一概念,数学上是如何描述的? 答:算法的概念:算法是指解题方案的准确而完整的描述,是一系列解决问题的清晰指令,算法代表着用系统的方法描述解决问题的策略机制。也就是说,能够对一定规范的输入,在有限时间内获得所要求的输出。 算法在数学上的主要描述方式有:自然语言、结构化流程图、伪代码和PAD图 2.数值分析中计算误差有哪些?举列说明截断误差来源。 答:在数值分析中的计算误差主要有: (1)模型误差(2)观测误差(3)截断误差(4)舍入误差 求解数学模型所用的数值方法通常是一种近似方法,因近似方法产生的误差称为截断误差或者方法误差。例如在函数的泰勒展开式,我们在实际的计算时只能截取有限项代数和计算。 3.浮点数由哪两部分组成?指出各部分重点。 答:浮点数主要由:尾数+阶数两部分组成的。 在机器中表示一个浮点数时,一是要给出尾数,用定点小数形式表示,尾数部分给出有效数字的位数,决定了浮点数的表示精度。二是要给出阶码,用整数形式表示,阶码指明小数点在数据中的位置,决定了浮点数的表示范围。 4.有效数字的概念是如何抽象而来的,简单给予叙述。 答:有效数字是一个数据在保证最小误差的情况下,取的一个能够在计算中发挥其有效作用的近似值。有效数字的作用在于,最大精度地去发挥这个数值在计算中的作用,而又不会对计算结果造成太大影响,使计算过程简化。 5.何谓秦九韶算法,秦九韶算法有何优点? 答:秦九韶算法是一种多项式简化算法,将一元n次多项式的求值问题转化为n 个一次式的算法,大大简化了计算过程,对于一个n次多项式,至多做n次乘法和n次加法。。 6.在数值计算中,会发生大数吃小数现象,试对这一现象做解释 答:一个绝对值很大的数和一个绝对值很小的数直接相加时,很可能发生所谓“大数吃小数”的现象,从而影响计算结果的可靠性,这主要是计算机表示的数的位数是有限的这一客观事实引起的。 例如在12位浮点数计算机中进行浮点数相加,系统只保留前12位作为有效数字,小的那个数化成浮点数中的有效数字被舍去,出现大数吃小数的现象,对计算结果造成了影响。

第五章习题解答_数值分析

第五章习题解答 1、给出数据点:0134 19156 i i x y =?? =? (1)用012,,x x x 构造二次Lagrange 插值多项式2()L x ,并计算15.x =的近似值215(.)L 。 (2)用123,,x x x 构造二次Newton 插值多项式2()N x ,并计算15.x =的近似值215(.)N 。 (3)用事后误差估计方法估计215(.)L 、215(.)N 的误差。 解: (1)利用012013,,x x x ===,0121915,,y y y ===作Lagrange 插值函数 2 20 2 1303011915 01031013303152933 ()()()()()() ()()()()()()()() i i i x x x x x x L x l x y x x =------== ?+?+?-------++= ∑ 代入可得2151175(.).L =。 (2)利用 134,,x x x ===,9156,,y y y ===构造如下差商表: 229314134196()()()()()N x x x x x x =+-+---=-+- 代入可得215135(.).N =。 (3)用事后误差估计的方法可得误差为 ()()()02222 03-x 150 x x x -=117513506563-04.()()()(..).x f L R L x N x x x --≈= -≈- ()()()3222203-154 x x -=1175135-1.0938-04 .()()()(..)x x f N R x L x N x x x --≈=-≈- 2、设Lagrange 插值基函数是 0012()(,,,,)n j i j i j j i x x l x i n x x =≠-==-∏ 试证明:①对x ?,有 1()n i i l x ==∑ ②00110001211()()(,,,)()()n k i i i n n k l x k n x x x k n =?=?==??-=+? ∑ 其中01,,,n x x x 为互异的插值节点。 证明: ①由Lagrange 插值多项式的误差表达式10 1()()()()()!n n i i f R x x x n ξ+==-+∏知,对于函数1()f x =进行

数值分析习题集及答案

(适合课程《数值方法A 》和《数值方法B 》) 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 11783 100 n n Y Y -=- ( n=1,2,…) 计算到100Y .若取783≈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(783≈27.982). 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2 12S 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1101 n n y y -=-(n=1,2,…),若02 1.41y =≈(三位有效数字),计算到10 y 时误差有多大?这个计算过程稳定吗? 12. 计算6 (21)f =-,取 2 1.4≈,利用下列等式计算,哪一个得到的结果最好? 3 6 3 11,(322), ,9970 2. (21) (322) --++ 13. 2 ()ln(1)f x 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 2 2 ln(1)ln(1)x x x x - -=-+ + 计算,求对数时误差有多大? 14. 试用消元法解方程组{ 10 10 12121010; 2. x x x x +=+=假定只用三位数计算,问结果是否可靠? 15. 已知三角形面积 1sin , 2 s ab c = 其中c 为弧度, 02c π << ,且测量a ,b ,c 的误差分别为,,.a b c ???证 明面积的误差s ?满足 . s a b c s a b c ????≤ ++ 第二章 插值法 1. 根据( 2.2)定义的范德蒙行列式,令

郑州大学数值分析重点考察内容及各章习题

《数值分析》 重点考察内容及各章作业答案 学院: 学号: 姓名:

重点考察内容 基本概念(收敛阶,收敛条件,收敛区域等), 简单欧拉法。 第一章基础 掌握:误差的种类,截断误差,舍入误差的来源,有效数字的判断。 了解:误差限,算法及要注意的问题。 第二章插值 掌握:Hermite插值,牛顿插值,差商计算,插值误差估计。 了解:Lagrange插值 第三章数据拟合 掌握:给出几个点求线性拟合曲线。 了解:最小二乘原理 第四章数值积分微分 掌握:梯形公式,Simpson公式,代数精度,Gauss积分,带权Gauss积分公式推导,复化梯形公式推导及算法。 了解:数值微分,积分余项 第五章直接法 掌握:LU分解求线性方程组,运算量 了解:Gauss消去法,LDL,追赶法 第六章迭代法 掌握:Jacobi,Gauss-Seidel迭代格式构造,敛散性分析,向量、矩阵的范数、谱半径 了解:SOR迭代 第七章Nolinear迭代法 掌握:牛顿迭代格式构造,简单迭代法构造、敛散性分析,收敛阶。 了解:二分法,弦截法 第八章ODE解法 掌握:Euler公式构造、收敛阶。 了解:梯形Euler公式、收敛阶,改进Euler公式 题目类型:填空,计算,证明综合题

第一章 误差 1. 科学计算中的误差来源有4个,分别是________,________,________,________。 2. 用Taylor 展开近似计算函数000()()'()()f x f x f x x x ≈+-,这里产生是什么误差? 3. 0.7499作 3 4 的近似值,是______位有效数字,65.380是舍入得到的近似值,有____几位有效数字,相对误差限为_______. 0.0032581是四舍五入得到的近似值,有_______位有效数字. 4. 改变下列表达式,使计算结果比较精确: (1)11,||1121x x x x --++ (2 ||1x (3) 1cos ,0,|| 1.x x x x -≠ (4)sin sin ,αβαβ-≈ 5. 采用下列各式计算61)时,哪个计算效果最好?并说明理由。 (1) (2 )99-3 )6 (3-(4 6. 已知近似数*x 有4位有效数字,求其相对误差限。 上机实验题: 1、利用Taylor 展开公式计算0! k x k x e k ∞ ==∑,编一段小程序,上机用单精度计算x e 的函数 值. 分别取x =1,5,10,20,-1,-5,-10,-15,-20,观察所得结果是否合理,如不合理请分析原因并给出解决方法. 2、已知定积分1 ,0,1,2,,206 n n x I dx n x ==+? ,有如下的递推关系 111 110 0(6)61666 n n n n n x x x x I dx dx I x x n ---+-===++-? ? 可建立两种等价的计算公式 (1) 1016,0.154n n I I I n -= -=取; (2) 12011),0.6n n I nI I n -=-=(取

数值分析作业思考题汇总

¥ 数值分析思考题1 1、讨论绝对误差(限)、相对误差(限)与有效数字之间的关系。 2、相对误差在什么情况下可以用下式代替 3、查阅何谓问题的“病态性”,并区分与“数值稳定性”的不同点。 4、取 ,计算 ,下列方法中哪种最好为什么(1)(3 3-,(2)(2 7-,(3) ()3 1 3+ ,(4) ()6 1 1 ,(5)99- , 数值实验 数值实验综述:线性代数方程组的解法是一切科学计算的基础与核心问题。求解方法大致可分为直接法和迭代法两大类。直接法——指在没有舍入误差的情况下经过有限次运算可求得方程组的精确解的方法,因此也称为精确法。当系数矩阵是方的、稠密的、无任何特殊结构的中小规模线性方程组时,Gauss消去法是目前最基本和常用的方法。如若系数矩阵具有某种特殊形式,则为了尽可能地减少计算量与存储量,需采用其他专门的方法来求解。 Gauss消去等同于矩阵的三角分解,但它存在潜在的不稳定性,故需要选主元素。对正定对称矩阵,采用平方根方法无需选主元。方程组的性态与方程组的条件数有关,对于病态的方程组必须采用特殊的方法进行求解。 数值计算方法上机题目1 1、实验1. 病态问题 实验目的: 算法有“优”与“劣”之分,问题也有“好”和“坏”之别。所谓坏问题就是问题本身的解对数据变化的比较敏感,反之属于好问题。希望读者通过本实验对此有一个初步的体会。 数值分析的大部分研究课题中,如线性代数方程组、矩阵特征值问题、非线性方程及方程组等都存在病态的问题。病态问题要通过研究和构造特殊的算法来解决,当然一般要付出一些代价(如耗用更多的机器时间、占用更多的存储空间等)。 $ r e x x e x x ** * ** - == 141 . ≈)61

数值分析第四版习题及答案

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?

数值分析思考题[综合]

1、讨论绝对误差(限)、相对误差(限)与有效数字之间的关系。 2、相对误差在什么情况下可以用下式代替? 3、查阅何谓问题的“病态性”,并区分与“数值稳定性”的不同点。 4、 取 ,计算 ,不用计算而直接判断下列式子中哪 种计算效果最好?为什么? (1)(3 3-,(2)(2 7-,(3) (3 1 3+,(4) ) 6 11 ,(5)99-5. 应用梯形公式 ))()((2b f a f a b T +-= 计算积分1 0x I e dx -=?的近似值,在整个计算过程中按四舍五入规则取五位小数。计算中产生的误差的主要原因是截断误差还是舍入误差?为什么? 6. 下列各数都是经过四舍五入得到的近似值,试指出他们有几位有效数字,并给出其绝对误差限与相对误差限。 (1) 1021.1*1=x ;(2) 031.0*2=x ;(3) 40.560*3=x 。 7. 下列公式如何计算才比较准确? (1) 212 x e -,1x <<;(2) 12 1 N N dx x ++? ,1>>N ;(3) ,1x >>。 8. 序列{}n y 满足递推关系1101n n y y -=-,12,,n =,若0141.y =≈,计算到10y 时误差有多大?这个计算过程数值稳定吗? r e x x e x x ***** -== 141.≈) 6 1

1、怎样确定一个隔根区间?如何求解一个方程的全部实根?如:已知方程:1020()x f x e x =+-=在(),-∞+∞有实数根,用二分法求它的全部实根,要求误差满足210*k x x --<?若要求6*10k x x --<,需二分区 间多少次? 2、求解一个非线性方程的迭代法有哪些充分条件可以保障迭代序列收敛于方程的根?对方程3210()f x x x =--=,试构造两种不同的迭代法,且均收敛于方程在[]12,中的唯一根。 3、设0a >,应用牛顿法于方程30x a -= 确定常数,p q 和r 使得迭代法 2 125k k k k qa ra x px x x +=++, 012,, , k = 4、对于不动点方程()x x ?=,()x ?满足映内性和压缩性是存在不动点的充分条件,他们也是必要条件吗?试证明:(1)函数21()x x ?=-在闭区间[]02,上不是映内的,但在其上有不动点;(2)函数 1()ln()x x e ?=+在任何区间[],a b 上都是压缩的,但没有不动点。 5、设*x 是方程0()f x =的根,且0*'()f x ≠,''()f x 在*x 的某个邻域上连续。试证明:Newton 迭代序列{}k x 满足 12122**()''() lim () '()k k k k k x x f x x x f x -→∞---=-- 6. 设有方程1 12 sin x x =+。对于迭代法1112 ()sin()k k k x x x ?+==+,试证:对 任何15.b ≥,迭代函数()x ?在闭区间[0.5,b]上满足映内性和压缩性。用所给方

第一章复习与思考题

第一章复习与思考题 1. 什么是数值分析?它与数学科学和计算机的关系如何? 答:数值分析也称计算数学,是数学科学的一个分支,主要研究的是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. 数值分析以数学问题为研究对象,但它并不像纯数学那样只研究数学本身的理论,而是把理论与计算紧密结合,着重研究数学问题的数值方法及其理论. 2. 何谓算法?如何判断数值算法的优劣? 答:一个数值问题的算法是指按规定顺序执行一个或多个完整的进程,通过算法将输入元变换成输出元. 一个面向计算机,有可靠理论分析且计算复杂性好的算法就是一个好算法. 因此判断一个算法的优劣应从算法的可靠性、准确性、时间复杂性和空间复杂性几个方面考虑. 3. 列出科学计算中误差的三个来源,并说出截断误差与舍入误差的区别. 答:用计算机解决实际问题首先要建立数学模型,它是对被描述的实际问题进行抽象、简化而得到的,因而是近似的,数学模型与实际问题之间出现的误差叫做模型误差. 在数学模型中往往还有一些根据观测得到的物理量,如温度、长度等,这些参量显然也包含误差,这种由观测产生的误差称为观测误差. 当数学模型不能得到精确解时,通常要用数值方法求它的近似解,其近似解和精确解之间的误差称为截断误差或方法误差.

有了求解数学问题的计算公式以后,用计算机做数值计算时,由于计算机字长有限,原始数据在计算机上表示时会产生误差,计算过程又可能产生新的误差,这种误差称为舍入误差. 截断误差和舍入误差是两个不同的概念,截断误差是由所采用的数值方法而产生的,因而也称方法误差,舍入误差是由数值计算而产生的. 4. 什么是绝对误差与相对误差?什么是近似数的有效数字?它与绝对误差和相对误差有何关系? 答:设 为准确值, 为 的一个近似值,称 为近似值 的绝对误差,简称误差. 近似值的误差 与准确值 的比值 称为近似值 的相对误差,记作 . 通常我们无法知道误差的准确值,只能根据测量工具或计算情况估计出误差绝对值的一个上界 ,

数值分析第四版习题和答案解析

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,求的误差. 2.设x的相对误差为2%,求的相对误差. 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: 4.利用公式求下列各近似值的误差限: 其中均为第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.设按递推公式 ( n=1,2,…) 计算到.若取≈(五位有效数字),试问计算将有多大误差 7.求方程的两个根,使它至少具有四位有效数字(≈. 8.当N充分大时,怎样求 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㎝ 10.设假定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,哪一个得到的结果最好 13.,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 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,问结果是否可靠 15.已知三角形面积其中c为弧度,,且测量a ,b ,c的误差分别为证明面积的误差满足 第二章插值法 1.根据定义的范德蒙行列式,令 证明是n次多项式,它的根是,且 . 2.当x= 1 , -1 , 2 时, f(x)= 0 , -3 , 4 ,求f(x)的二次插值多项式. 3.

4.给出cos x,0°≤x ≤90°的函数表,步长h =1′=(1/60)°,若函数表具有5位有效数 字,研究用线性插值求cos x 近似值时的总误差界. 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.在上给出的等距节点函数表,若用二次插值求的近似值,要使截断误差不超过,问使用函 数表的步长应取多少 9.若,求及. 10.如果是次多项式,记,证明的阶差分是次多项式,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是 并由此求出分段三次埃尔米特插值的误差限. 18.求一个次数不高于4次的多项式,使它满足并由此求出分段三次埃尔米特插值的误差限. 19.试求出一个最高次数不高于4次的函数多项式,以便使它能够满足以下边界条件,,. 20.设,把分为等分,试构造一个台阶形的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的与的值,并估计误 差. 22.求在上的分段线性插值函数,并估计误差. 23.求在上的分段埃尔米特插值,并估计误差. i) ii) 25.若,是三次样条函数,证明 i); ii)若,式中为插值节点,且,则. 26.编出计算三次样条函数系数及其在插值节点中点的值的程序框图(可用式的表达式). 第三章函数逼近与计算 1.(a)利用区间变换推出区间为的伯恩斯坦多项式. (b)对在上求1次和三次伯恩斯坦多项式并画出图形,并与相应的马克劳林级数部分和误 差做比较. 2.求证: (a)当时,. (b)当时,. 3.在次数不超过6的多项式中,求在的最佳一致逼近多项式.

数值分析第二章思考题

第二章思考题 1.画出残差校正法的程序框图 2.查阅目前解决病态线性方程组的方法有哪些,并计较其优劣。 答:对病态线性方程组的求解可采用一下方法求解: (1)采用高精度的算术运算。采用双精度,可改善和减轻病态矩阵的影响。 (2)平衡方法。当A 的元素的数量级差别很大时,采用行平衡或列平衡的方法可降低A 的条件数。 (3)残差矫正法。设A 非奇异且Cond (A )不特别大,方程组Ax=b 病态但不特别严重,这时可用残差矫正法求解Ax=b 。 (4)残量迭代法。残量迭代法是在用Gauss 消去法求出方程组AX b =的近似解后,进行以下的计算: PA LU =. 然后,重复迭代: b AX γ=- LY P γ= UZ Y = X X Z =+

其中,PA LU =,X ,Y 和Z 用t 位有效数字计算,b AX -用2t 位有效数字生成。 残量迭代法的计算量比较少,在机器上非常容易执行,而且计算精度也比较高,但是它不是对所有的病态方程组都适用,当()10t Cond A ≥时,其计算结果就不够准确。 (5)加权迭代改善法。 加权迭代改善法是对方程组AX b =构造一个迭代过程:()()()1k k A I X b X λλ++=+ ,其中0λ≠为一常数,I 为与A 同阶的单位方阵,0,1,2,k = 为迭代次数,()0X 为解的初始值,()k X 是第k 次迭代后求得的近似解。只要λ取得合适,A I λ+的逆矩阵()1 A I λ-+便存在。 加权迭代改善法不必选主元且保持原系数矩阵的稀疏性,通过加权因子λ的选取来改善矩阵的条件数,得到了比较好的计算结果,但是由于加权因子λ的选取也使得加权迭代改善法的应用受到了限制。 (6)误差转移法。误差转移法是基于即使方程组的计算解的精度不高,也可获得相对较小的余量这一特点而设计的。 设方程组AX b =的计算解为x τ,既然b Ax τ=对误差很大的解x τ也能比较准确的成立,因而,如果求解r x cy *=其中,c 为n n ?阶非奇异矩阵,则即使计算解r y 的误差比较大,得到比较准确的x *。, 在这种解法中,问题的病态性固然会导致解的巨大误差,但这种误差直接反映在r y 上,对x *的影响则小得多,因为主要的误差已经从原来的x *转移到中间量r y 上了。 误差转移法的原理及实现都十分简捷,仅运用了常规的行列均衡

数值分析最佳习题(含答案)

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-?,那么近似数有几位有效数字(有效数字的计算) 解:2*103400.0-?=x ,325*102 1102 1---?=?≤-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*102 1 -?≤-ππ,3*3102 1102 1--?+≤≤?-πππ,即14209.314109.3*≤≤π 3 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 -?≤-a a ,2*102 1-?≤-b b ,而1811.2=+b a ,1766.1=?b a 2123****102 1 10211021)()(---?≤?+?≤ -+-≤+-+b b a a b a b a 故b a +至少具有2位有效数字。 2123*****102 1 0065.01022031.1102978.0)()(---?≤=?+?≤ -+-≤-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=-* *x x x ,则误差为 δ=-= -* **ln ln x x x x x 则相对误差为 * * ** * * ln ln 1ln ln ln x x x x x x x 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 v 2π=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 %420 1 20525) 5,20() 5,20(),(2 ==??≤ -ππv v r h v 6 设x 的相对误差为%a ,求n x y =的相对误差。(函数误差的计算) 解:%* *a x x x =-, )%(* **** *na x x x n x x x y y y n n n =-≤-= - 7计算球的体积,为了使体积的相对误差限为%1,问度量半径r 时允许的相对误差限为多大(函数误差的计算)

数值分析课后习题答案

第一章 题12 给定节点01x =-,11x =,23x =,34x =,试分别对下列函数导出拉格朗日插值余项: (1) (1) 3 ()432f x x x =-+ (2) (2) 4 3 ()2f x x x =- 解 (1)(4) ()0f x =, 由拉格朗日插值余项得(4)0123() ()()()()()()0 4!f f x p x x x x x x x x x ξ-=----=; (2)(4) ()4!f x = 由拉格朗日插值余项得 01234! ()()()()()() 4! f x p x x x x x x x x x -= ----(1)(1)(3)(4)x x x x =+---. 题15 证明:对于()f x 以0x ,1x 为节点的一次插值多项式()p x ,插值误差 012 10()()()max () 8x x x x x f x p x f x ≤≤-''-≤. 证 由拉格朗日插值余项得 01() ()()()()2!f f x p x x x x x ξ''-= --,其中01x x ξ≤≤, 01 0101max ()()()()()()()() 2!2!x x x f x f f x p x x x x x x x x x ξ≤≤''''-=--≤-- 01210()max () 8x x x x x f x ≤≤-''≤. 题22 采用下列方法构造满足条件(0)(0)0p p '==,(1)(1)1p p '==的插值多项式 ()p x : (1) (1) 用待定系数法; (2) (2) 利用承袭性,先考察插值条件(0)(0)0p p '==,(1)1p =的插值多项式 ()p x . 解 (1)有四个插值条件,故设230123()p x a a x a x a x =+++,2 123()23p x a a x a x '=++, 代入得方程组001231123010231 a a a a a a a a a =? ?+++=?? =? ?++=? 解之,得01230 021 a a a a =??=?? =??=-?

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