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数值分析第四章习题第四章习题1. 采用数值计算方法，画出dt t t x y x ?=0sin )(在]10 ,0[区间曲线，并计算)5.4(y 。
〖答案〗1.65412. 求函数x e x f 3sin )(=的数值积分?=π 0 )(dx x f s ，并请采用符号计算尝试复算。
〖答案〗s = 5.1354Warning: Explicit integral could not be found. > In sym.int at 58s =int(exp(sin(x)^3),x = 0 .. pi)3. 用quad 求取dx x e x sin 7.15?--ππ的数值积分，并保证积分的绝对精度为910-。
〖答案〗1.087849437547794. 求函数5.08.12cos 5.1)5(sin )(206.02++-=t t t et t f t 在区间]5,5[-中的最小值点。
〖答案〗最小值点是-1.28498111480531 相应目标值是-0.186048010065455. 设0)0(,1)0(,1)(2)(3)(22===+-dt dy y t y dt t dy dt t y d ，用数值法和符号法求5.0)(=t t y 。
〖答案〗数值解y_05 = 0.78958020790127符号解ys =1/2-1/2*exp(2*t)+exp(t)ys_05 =.789580356470605529168507052137806. 求矩阵b Ax =的解，A 为3阶魔方阵，b 是)13(?的全1列向量。
〖答案〗x =0.06670.06670.06677. 求矩阵b Ax =的解，A 为4阶魔方阵，b 是)14(?的全1列向量。
〖答案〗解不唯一x =-0.0074 -0.0809 0.1397 0.0662 0.0588 0.1176 -0.0588。
习题41. 给定x x f =)(在144,121,100=x 3点处的值，试以这3点建立)(x f 的2次(抛物)插值公式，利用插值公式115求的近似值并估计误差。
再给13169=建立3次插值公式，给出相应的结果。
解：x x f =)( 2121)(-='x x f ，2341)(--=''x x f ,2583)(-='''x x f ,27)4(1615)(--=x x f，72380529.10)115(=f1000=x ， 1211=x ， 1442=x ， 1693=x 100=y ， 111=y ， 122=y ， 133=y))(())(())(())(())(())(()(1202102210120*********x x x x x x x x y x x x x x x x x y x x x x x x x x y x L ----+----+----= )121144)(100144()121115)(100115(12)144121)(100121()144115)(100115(11)144100)(121100()144115)(121115(10)115(2----⨯+----⨯+----⨯=L=2344)6(1512)23(21)29(1511)44)(21()29)(6(10⨯-⨯⨯+-⨯-⨯⨯+----⨯72276.1006719.190683.988312.1=-+=))()((!3)()()(2102x x x x x x f x L x f ---'''=-ξ ，144100<<ξ )44115()121115()100115()(max 61)115()115(1441002-⨯-⨯-⋅'''≤-≤≤x f L f x 296151083615⨯⨯⨯⨯⨯≤-001631.0101631.02=⨯=- 实际误差 22101045.0)115()115(-⨯=-L f))()(())()(())()(())()(()(312101320130201032103x x x x x x x x x x x x y x x x x x x x x x x x x y x L ------+------= ))()(())()(())()(())()((23130321033212023102x x x x x x x x x x x x y x x x x x x x x x x x x y ------+------+ )169100()144100()121100()169115()144115()121115(10)115(3-⨯-⨯--⨯-⨯-⨯=L )169121()144121()100121()169115()144115()100115(11-⨯-⨯--⨯-⨯-⨯+)169144()121144()100144()169115()121115()100115(12-⨯-⨯--⨯-⨯-⨯+)144169()121169()100169()144115()121115()100115(13-⨯-⨯--⨯-⨯-⨯+)48()23(21)54()29(1511)69()44()21()54()29()6(10-⨯-⨯-⨯-⨯⨯+-⨯-⨯--⨯-⨯-⨯= 254869)29()6(1513)25(2344)54()6(1512⨯⨯-⨯-⨯⨯+-⨯⨯-⨯-⨯⨯+ 723571.10409783.0305138.2145186.11473744.1=+-+= ))()()((!4)()()(3210)4(3x x x x x x x x f x L x f ----=-ξ，169100<<ξ)169115)(144115)(121115)(10115(101615241)115()115(73----⨯⨯⨯≤--L f )54()29()6(151016152417-⨯-⨯-⨯⨯⨯⨯=- 0005505.0105505.03=⨯=-实际误差 321023429.0)115()115(-⨯=-L f 2. 设j x 为互异节点),,1,0(n j =求证： (1)k nj j k j x x l x =∑=)(0),,1,0(n k =;(2)0)()(0=-∑=x l x x j knj j ),,1(n k =。
第一章 绪论（12） 第二章 插值法（40-42）2、当2,1,1-=x 时，4,3,0)(-=x f ，求)(x f 的二次插值多项式。
[解]372365)1(34)23(21)12)(12()1)(1(4)21)(11()2)(1()3()21)(11()2)(1(0))(())(())(())(())(())(()(2221202102210120120102102-+=-++--=+-+-⨯+------⨯-+-+-+⨯=----+----+----=x x x x x x x x x x x x x x x x x x x y x x x x x x x x y x x x x x x x x y x L 。
3、给出x x f ln )(=的数值表用线性插值及二次插值计算54.0ln 的近似值。
X 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 x ln -0.916291 -0.693147 -0.510826 -0.357765 -0.223144[解]若取5.00=x ，6.01=x ，则693147.0)5.0()(00-===f x f y ，510826.0)6.0()(11-===f x f y ，则604752.182321.1)5.0(10826.5)6.0(93147.65.06.05.0510826.06.05.06.0693147.0)(010110101-=---=--⨯---⨯-=--+--=x x x x x x x x x y x x x x y x L ，从而6202186.0604752.19845334.0604752.154.082321.1)54.0(1-=-=-⨯=L 。
若取4.00=x ，5.01=x ，6.02=x ，则916291.0)4.0()(00-===f x f y ，693147.0)5.0()(11-===f x f y ，510826.0)6.0()(22-===f x f y ，则 217097.2068475.404115.2)2.09.0(5413.25)24.0(3147.69)3.01.1(81455.45)5.06.0)(4.06.0()5.0)(4.0()510826.0()6.05.0)(4.05.0()6.0)(4.0()693147.0()6.04.0)(5.04.0()6.0)(5.0(916291.0))(())(())(())(())(())(()(22221202102210120120102102-+-=+--+-⨯++-⨯-=----⨯-+----⨯-+----⨯-=----+----+----=x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x y x x x x x x x x y x x x x x x x x y x L ，从而61531984.0217097.21969765.259519934.0217097.254.0068475.454.004115.2)54.0(22-=-+-=-⨯+⨯-=L补充题：1、令00=x ，11=x ，写出x e x y -=)(的一次插值多项式)(1x L ，并估计插值余项。
第一章测试1.在数值计算中因四舍五入产生的误差称为（）A:观测误差B:舍入误差C:模型误差D:方法误差答案:B2.当今科学活动的三大方法为（）。
A:实验B:数学建模C:科学计算D:理论答案:ACD3.计算过程中如果不注意误差分析，可能引起计算严重失真。
A:对B:错答案:A4.算法设计时应注意算法的稳定性分析。
A:错B:对答案:B5.在进行数值计算时，每一步计算所产生的误差都是可以准确追踪的。
A:错B:对答案:A第二章测试1.A:B:C:D:答案:C2.某函数过(0,1)，(1,2)两点，则其关于这两点的一阶差商为A:0B:1C:2D:3答案:B3.A:B:C:D:答案:B4.下列说法不正确的是A:分段线性插值的导数一般不连续B:高次多项式插值不具有病态性质C:分段线性插值逼近效果依赖于小区间的长度D:分段线性插值的几何图形就是将插值点用折线段依次连接起来答案:D5.下列关于分段线性插值函数的说法，正确的是A:二次函数的分段线性插值函数是该二次函数本身B:一次函数的分段线性插值函数是该一次函数本身C:对于光滑性不好的函数优先用分段线性插值D:对于光滑性较好的函数优先用分段线性插值答案:BC6.A:B:C:D:答案:BCD7.同一个函数基于同一组插值节点的牛顿插值函数和拉格朗日插值函数等价。
A:对B:错答案:A第三章测试1.A:B:C:D:答案:B2.以下哪项是最佳平方逼近函数的平方误差A:B:C:D:答案:C3.当区间为[-1,1],Legendre多项式族带权 ( ) 正交。
A:B:C:D:答案:A4.n次Chebyshev多项式在 (-1,1) 内互异实根的个数为A:n-1B:nC:n+1D:n+2答案:B5.用正交函数族做最小二乘法有什么优点A:每当逼近次数增加1时，系数需要重新计算B:得到的法方程非病态C:每当逼近次数增加1时，之前得到的系数不需要重新计算D:不用解线性方程组，系数可简单算出答案:BCD6.用正交多项式作基求最佳平方逼近多项式，当n较大时，系数矩阵高度病态，舍入误差很大。
7、计算的近似值，取。
利用以下四种计算格式，试问哪一种算法误差最小。
〔1〕〔2〕〔3〕〔4〕解：计算各项的条件数由计算知，第一种算法误差最小。
解：在计算机上计算该级数的是一个收敛的级数。
因为随着的增大，会出现大数吃小数的现象。
9、通过分析浮点数集合F=〔10，3，-2，2〕在数轴上的分布讨论一般浮点数集的分布情况。
10、试导出计算积分的递推计算公式，用此递推公式计算积分的近似值并分析计算误差，计算取三位有效数字。
解：此算法是数值稳定的。
第二章习题解答1.〔1〕 R n×n中的子集“上三角阵〞和“正交矩阵〞对矩阵乘法是封闭的。
〔2〕R n×n中的子集“正交矩阵〞，“非奇异的对称阵〞和“单位上〔下〕三角阵〞对矩阵求逆是封闭的。
设A是ｎ×ｎ的正交矩阵。
证明A-1也是ｎ×ｎ的正交矩阵。
证明：〔2〕A是ｎ×ｎ的正交矩阵∴A A-1 =A-1A=E 故〔A-1〕-1=A∴A-1〔A-1〕-1=〔A-1〕-1A-1 =E 故A-1也是ｎ×ｎ的正交矩阵。
设A是非奇异的对称阵，证A-1也是非奇异的对称阵。
A非奇异∴A可逆且A-1非奇异又A T=A ∴〔A-1〕T=〔A T〕-1=A-1故A-1也是非奇异的对称阵设A是单位上〔下〕三角阵。
证A-1也是单位上〔下〕三角阵。
证明：A是单位上三角阵，故|A|=1，∴A可逆，即A-1存在，记为〔b ij〕n×n由A A-1 =E，那么〔其中 j＞i时，〕故b nn=1, b ni=0 (n≠j)类似可得，b ii=1 (j=1…n) b jk=0 (k＞j)即A-1是单位上三角阵综上所述可得。
R n×n中的子集“正交矩阵〞，“非奇异的对称阵〞和“单位上〔下〕三角阵〞对矩阵求逆是封闭的。
2、试求齐次线行方程组Ax=0的根底解系。
A=解：A=～～～故齐次线行方程组Ax=0的根底解系为，3.求以下矩阵的特征值和特征向量。
第四章 数值积分与数值微分1.确定下列求积公式中的特定参数，使其代数精度尽量高，并指明所构造出的求积公式所具有的代数精度：10121012112120(1)()()(0)();(2)()()(0)();(3)()[(1)2()3()]/3;(4)()[(0)()]/2[(0)()];hhhh hf x dx A f h A f A f h f x dx A f h A f A f h f x dx f f x f x f x dx h f f h ah f f h -----≈-++≈-++≈-++''≈++-⎰⎰⎰⎰解：求解求积公式的代数精度时，应根据代数精度的定义，即求积公式对于次数不超过m 的多项式均能准确地成立，但对于m+1次多项式就不准确成立，进行验证性求解。
（1）若101(1)()()(0)()hhf x dx A f h A f A f h --≈-++⎰令()1f x =，则1012h A A A -=++令()f x x =，则110A h A h -=-+令2()f x x =，则3221123h h A h A -=+ 从而解得011431313A h A h A h -⎧=⎪⎪⎪=⎨⎪⎪=⎪⎩令3()f x x =，则3()0hhhhf x dx x dx --==⎰⎰101()(0)()0A f h A f A f h --++=故101()()(0)()hhf x dx A f h A f A f h --=-++⎰成立。
令4()f x x =，则4551012()52()(0)()3hhhhf x dx x dx h A f h A f A f h h ---==-++=⎰⎰故此时，101()()(0)()hhf x dx A f h A f A f h --≠-++⎰故101()()(0)()h hf x dx A f h A f A f h --≈-++⎰具有3次代数精度。
（2）若21012()()(0)()hhf x dx A f h A f A f h --≈-++⎰令()1f x =，则1014h A A A -=++令()f x x =，则110A h A h -=-+令2()f x x =，则32211163h h A h A -=+ 从而解得11438383A h A h A h -⎧=-⎪⎪⎪=⎨⎪⎪=⎪⎩令3()f x x =，则22322()0hhhhf x dx x dx --==⎰⎰101()(0)()0A f h A f A f h --++=故21012()()(0)()hhf x dx A f h A f A f h --=-++⎰成立。
令4()f x x =，则22452264()5hhhhf x dx x dx h --==⎰⎰510116()(0)()3A f h A f A f h h --++=故此时，21012()()(0)()hhf x dx A f h A f A f h --≠-++⎰因此，21012()()(0)()h hf x dx A f h A f A f h --≈-++⎰具有3次代数精度。
（3）若1121()[(1)2()3()]/3f x dx f f x f x -≈-++⎰令()1f x =，则1121()2[(1)2()3()]/3f x dx f f x f x -==-++⎰令()f x x =，则120123x x =-++令2()f x x =，则22122123x x =++从而解得120.28990.5266x x =-⎧⎨=⎩或120.68990.1266x x =⎧⎨=⎩ 令3()f x x =，则11311()0f x dx x dx --==⎰⎰12[(1)2()3()]/30f f x f x -++≠故1121()[(1)2()3()]/3f x dx f f x f x -=-++⎰不成立。
因此，原求积公式具有2次代数精度。
（4）若20()[(0)()]/2[(0)()]hf x dx h f f h ah f f h ''≈++-⎰令()1f x =，则(),hf x dx h =⎰2[(0)()]/2[(0)()]h f f h ah f f h h ''++-=令()f x x =，则20221()21[(0)()]/2[(0)()]2hh f x dx xdx h h f f h ah f f h h ==''++-=⎰⎰令2()f x x =，则2302321()31[(0)()]/2[(0)()]22hhf x dx x dx h h f f h ah f f h h ah ==''++-=-⎰⎰故有33211232112h h ah a =-=令3()f x x =，则340024441()41111[(0)()]/2[(0)()]12244hh f x dx x dx h h f f h h f f h h h h==''++-=-=⎰⎰令4()f x x =，则450025551()51111[(0)()]/2[(0)()]12236hhf x dx x dx h h f f h h f f h h h h==''++-=-=⎰⎰故此时，21()[(0)()]/2[(0)()],12hf x dx h f f h h f f h ''≠++-⎰因此，201()[(0)()]/2[(0)()]12hf x dx h f f h h f f h ''≈++-⎰具有3次代数精度。
2.分别用梯形公式和辛普森公式计算下列积分：12012101(1),8;4(1)(2),10;(3),4;(4),6;x xdx n x e dx n xn n ϕ-=+-===⎰⎰⎰解：21(1)8,0,1,,()84xn a b h f x x=====+ 复化梯形公式为781[()2()()]0.111402k k hT f a f x f b ==++=∑复化辛普森公式为7781012[()4()2()()]0.111576k k k k hS f a f x f x f b +===+++=∑∑121(1)(2)10,0,1,,()10x e n a b h f x x--===== 复化梯形公式为9101[()2()()] 1.391482k k hT f a f x f b ==++=∑复化辛普森公式为99101012[()4()2()()] 1.454716k k k k hS f a f x f x f b +===+++=∑∑(3)4,1,9,2,()n a b h f x =====复化梯形公式为341[()2()()]17.227742k k hT f a f x f b ==++=∑复化辛普森公式为3341012[()4()2()()]17.322226(4)6,0,,,()636k k k k hS f a f x f x f b n a b h f x ππ+===+++======∑∑复化梯形公式为561[()2()()] 1.035622k k hT f a f x f b ==++=∑复化辛普森公式为5561012[()4()2()()] 1.035776k k k k hS f a f x f x f b +===+++=∑∑3。
直接验证柯特斯教材公式（2。
4）具有5交代数精度。
证明：柯特斯公式为01234()[7()32()12()32()7()]90bab af x dx f x f x f x f x f x -=++++⎰令()1f x =，则01234()90[7()32()12()32()7()]90bab a f x dx b af x f x f x f x f x b a -=-++++=-⎰令()f x x =，则2222012341()()21[7()32()12()32()7()]()902bb a af x dx xdx b a b a f x f x f x f x f x b a ==--++++=-⎰⎰令2()f x x =，则23333012341()()31[7()32()12()32()7()]()903bb a af x dx x dx b a b a f x f x f x f x f x b a ==--++++=-⎰⎰令3()f x x =，则34444012341()()41[7()32()12()32()7()]()904bb a af x dx x dx b a b a f x f x f x f x f x b a ==--++++=-⎰⎰令4()f x x =，则45555012341()()51[7()32()12()32()7()]()905bb a af x dx x dx b a b a f x f x f x f x f x b a ==--++++=-⎰⎰令5()f x x =，则56666012341()()61[7()32()12()32()7()]()906bb a af x dx x dx b a b a f x f x f x f x f x b a ==--++++=-⎰⎰令6()f x x =，则012340()[7()32()12()32()7()]90hb af x dx f x f x f x f x f x -≠++++⎰因此，该柯特斯公式具有5次代数精度。
4。
用辛普森公式求积分1x e dx -⎰并估计误差。
解：辛普森公式为[()4()()]62b a a bS f a f f b -+=++ 此时，0,1,(),x a b f x e -===从而有1121(14)0.632336S e e --=++=误差为4(4)04()()()1802110.00035,(0,1)1802b a b a R f f e ηη--=-≤⨯⨯=∈5。
推导下列三种矩形求积公式：223()()()()();2()()()()();2()()()()();224ba ba baf f x dx b a f a b a f f x dx b a f b b a a b f f x dx b a f b a ηηη'=-+-'=---''+=-+-⎰⎰⎰证明：(1)()()()(),(,)f x f a f x a a b ηη'=+-∈两边同时在[,]a b 上积分，得()()()()()bbaaf x dx b a f a f x a dx η'=-+-⎰⎰即2()()()()()2(2)()()()(),(,)baf f x dx b a f a b a f x f b f b x a b ηηη'=-+-'=--∈⎰两边同时在[,]a b 上积分，得()()()()()bbaaf x dx b a f a f b x dx η'=---⎰⎰即22()()()()()2()(3)()()()()(),(,)22222baf f x dx b a f b b a a b a b a b f a b f x f f x x a b ηηη'=---''++++'=+-+-∈⎰两连边同时在[,]a b 上积分，得2()()()()()()()22222bb b aa a ab a b a b f a b f x dx b a f f x dx x dx η''++++'=-+-+-⎰⎰⎰ 即3()()()()();224b aa b f f x dx b a f b a η''+=-+-⎰6。
