数值分析23道试题
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数值分析复习题一、选择题1. 3.142和3.141分别作为π的近似数具有〔 〕和〔 〕位有效数字.A .4和3B .3和2C .3和4D .4和42. 求积公式()()211211()(2)636f x dx f Af f ≈++⎰,那么A =〔 〕A . 16B .13C .12D .233. 通过点()()0011,,,x y x y 的拉格朗日插值基函数()()01,l x l x 满足〔 〕A .()00l x =0,()110l x = B .()00l x =0,()111l x = C .()00l x =1,()111l x = D . ()00l x =1,()111l x =4. 设求方程()0f x =的根的牛顿法收敛,那么它具有〔 〕敛速。
A .超线性B .平方C .线性D .三次5. 用列主元消元法解线性方程组1231231220223332x x x x x x x x ++=⎧⎪++=⎨⎪--=⎩ 作第一次消元后得到的第3个方程〔 〕.A .232x x -+= B .232 1.5 3.5x x -+= C .2323x x -+= D .230.5 1.5x x -=-二、填空1. 设2.3149541...x *=,取5位有效数字,那么所得的近似值x=.2.设一阶差商()()()21122114,321f x f x f x x x x --===---,()()()322332615,422f x f x f x x x x --===-- 那么二阶差商()123,,______f x x x =3. 设(2,3,1)TX =--, 那么2||||X = ,=∞||||X 。
4.求方程 21.250x x --= 的近似根,用迭代公式x =01x =, 那么 1______x =。
5.解初始值问题 00'(,)()y f x y y x y =⎧⎨=⎩近似解的梯形公式是 1______k y +≈。
数值分析试题一、 填空题(2 0×2′)1.⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=32,1223X A 设x =0.231是精确值x *=0.229的近似值,则x 有 2 位有效数字。
2. 若f (x )=x 7-x 3+1,则f [20,21,22,23,24,25,26,27]= 1 ,f [20,21,22,23,24,25,26,27,28]= 0 。
3. 设,‖A ‖∞=___5 ____,‖X ‖∞=__ 3_____,‖AX ‖∞≤_15_ __。
4. 非线性方程f (x )=0的迭代函数x =?(x )在有解区间满足 |?’(x )| <1 ,则使用该迭代函数的迭代解法一定是局部收敛的。
5. 区间[a ,b ]上的三次样条插值函数S (x )在[a ,b ]上具有直到 2 阶的连续导数。
6. 当插值节点为等距分布时,若所求节点靠近首节点,应该选用等距节点下牛顿差商公式的 前插公式 ,若所求节点靠近尾节点,应该选用等距节点下牛顿差商公式的 后插公式 ;如果要估计结果的舍入误差,应该选用插值公式中的 拉格朗日插值公式 。
7. 拉格朗日插值公式中f (x i )的系数a i (x )的特点是:=∑=ni i x a 0)( 1 ;所以当系数a i (x )满足 a i (x )>1 ,计算时不会放大f (x i )的误差。
8. 要使20的近似值的相对误差小于0.1%,至少要取 4 位有效数字。
9. 对任意初始向量X (0)及任意向量g ,线性方程组的迭代公式x (k +1)=Bx (k )+g (k =0,1,…)收敛于方程组的精确解x *的充分必要条件是?(B)<1 。
10. 由下列数据所确定的插值多项式的次数最高是 5 。
11. 牛顿下山法的下山条件为 |f(xn+1)|<|f(xn)| 。
12. 线性方程组的松弛迭代法是通过逐渐减少残差r i (i =0,1,…,n )来实现的,其中的残差r i=(b i-a i1x1-a i2x2-…-a in x n)/a ii,(i=0,1,…,n)。
数值分析期末试题及答案试题一:1. 简答题(共10分)a) 什么是数值分析?它的主要应用领域是什么?b) 请简要解释迭代法和直接法在数值计算中的区别。
2. 填空题(共10分)a) 欧拉方法是一种______型的数值解法。
b) 二分法是一种______法则。
c) 梯形法则是一种______型的数值积分方法。
3. 计算题(共80分)将以下函数进行数值求解:a) 通过使用二分法求解方程 f(x) = x^3 - 4x - 9 = 0 的近似解。
b) 利用欧拉方法求解微分方程 dy/dx = x^2 + 2x + 1, y(0) = 1 在 x = 1 处的解。
c) 使用梯形法则计算积分∫[0, π/4] sin(x) dx 的近似值。
试题二:1. 简答题(共10分)a) 请解释什么是舍入误差,并描述它在数值计算中的影响。
b) 请解释牛顿插值多项式的概念及其应用。
2. 填空题(共10分)a) 数值稳定性通过______号检查。
b) 龙格-库塔法是一种______计算方法。
c) 零点的迭代法在本质上是将方程______转化为______方程。
3. 计算题(共80分)使用牛顿插值多项式进行以下计算:a) 已知插值节点 (-2, 1), (-1, 1), (0, 2), (1, 4),求在 x = 0.5 处的插值多项式值。
b) 已知插值节点 (0, 1), (1, 2), (3, 7),求插值多项式,并计算在 x = 2 处的值。
c) 使用 4 阶龙格-库塔法求解微分方程 dy/dx = x^2 + 1, y(0) = 1。
答案:试题一:1. a) 数值分析是研究使用数值方法解决数学问题的一门学科。
它的主要应用领域包括数值微积分、数值代数、插值和逼近、求解非线性方程、数值积分和数值解微分方程等。
b) 迭代法和直接法是数值计算中常用的两种方法。
迭代法通过反复迭代逼近解,直到满足所需精度为止;而直接法则通过一系列代数运算直接得到解。
数值分析期末试题及答案一、选择题(每题5分,共20分)1. 在数值分析中,下列哪个算法不是用于求解线性方程组的?A. 高斯消元法B. 牛顿法C. 雅可比法D. 追赶法答案:B2. 插值法中,拉格朗日插值法属于:A. 多项式插值B. 样条插值C. 线性插值D. 非线性插值答案:A3. 以下哪个选项不是数值分析中的误差来源?A. 截断误差B. 舍入误差C. 计算误差D. 测量误差答案:C4. 在数值积分中,梯形法则的误差项是:A. O(h^2)B. O(h^3)C. O(h)D. O(1)答案:A二、填空题(每题5分,共20分)1. 牛顿插值法中,插值多项式的一般形式为:______。
答案:f(x) = a_0 + a_1(x-x_0) + a_2(x-x_0)(x-x_1) + ...2. 牛顿迭代法求解方程的根时,迭代公式为:x_{n+1} = x_n -f(x_n) / __________。
答案:f'(x_n)3. 在数值分析中,______ 用于衡量函数在区间上的近似积分值与真实积分值之间的差异。
答案:误差4. 线性方程组的解法中,______ 法是利用矩阵的LU分解来求解。
答案:克兰特三、解答题(每题10分,共60分)1. 给定函数f(x) = e^(-x),使用拉格朗日插值法,求x = 0.5时的插值值。
解答:首先选取插值节点x_0 = 0, x_1 = 0.5, x_2 = 1,对应的函数值分别为f(0) = 1, f(0.5) = e^(-0.5), f(1) = e^(-1)。
拉格朗日插值多项式为:L(x) = f(0) * (x-0.5)(x-1) / (0-0.5)(0-1) + f(0.5) * (x-0)(x-1) / (0.5-0)(0.5-1) + f(1) * (x-0)(x-0.5) / (1-0)(1-0.5)将x = 0.5代入得:L(0.5) = 1 * (0.5-0.5)(0.5-1) / (0-0.5)(0-1) + e^(-0.5) * (0.5-0)(0.5-1) / (0.5-0)(0.5-1) + e^(-1) * (0.5-0)(0.5-0.5) / (1-0)(1-0.5)计算得L(0.5) = e^(-0.5)。
数值分析试卷及答案数值分析试卷一、选择题(共10题,每题2分,共计20分)1. 数值分析的研究内容主要包括以下哪几个方面?A. 数值计算方法B. 数值误差C. 数值软件D. 数学分析答:A、B、C2. 下列哪种方法不属于数值积分的基本方法?A. 插值法B. 微积分基本公式C. 数值微积分D. 数值积分公式答:A3. 数值积分的目的是求解什么?A. 函数的导数B. 函数的原函数C. 函数的极值D. 函数的积分答:D4. 数值微分的目的是求解什么?A. 函数的导数B. 函数的原函数C. 函数的极值D. 函数的积分答:A5. 数值微分的基本方法有哪几种?A. 前向差分B. 后向差分C. 中心差分D. 插值法答:A、B、C6. 用数值方法求解方程的基本方法有哪几种?A. 迭代法B. 曲线拟合法C. 插值法D. 数值积分法答:A、B、C7. 用迭代法求方程的根时,当迭代结果满足何条件时可停止迭代?A. 当迭代结果开始发散B. 当迭代结果接近真实解C. 当迭代次数超过一定阈值D. 当迭代结果在一定范围内波动答:B8. 下列哪种插值方法能够确保经过所有给定数据点?A. 拉格朗日插值B. 牛顿插值C. 三次样条插值D. 二次插值答:A、B、C9. 数值解线性方程组的基本方法有哪几种?A. 直接法B. 迭代法C. 插值法D. 拟合法答:A、B10. 下列哪种方程求解方法适用于非线性方程?A. 直接法B. 迭代法C. 插值法D. 曲线拟合法答:B二、填空题(共5题,每题4分,共计20分)1. 数值积分的基本公式是_________。
答:牛顿-科特斯公式2. 数值微分的基本公式是_________。
答:中心差分公式3. 数值积分的误差分为_________误差和_________误差。
答:截断、舍入4. 用插值法求解函数值时,通常采用_________插值。
答:拉格朗日5. 数值解线性方程组的常用迭代法有_________方法和_________方法。
模拟试题一一、填空(每小题3分,共30分)1. 设2.40315x *=是真值 2.40194x =的近似值,则x *有 位有效数字。
2. 牛顿—柯特斯求积公式的系数和()0nn k k c =∑ 。
3 已知 12,()_________01A A ∞⎛⎫== ⎪⎝⎭则条件数cond 。
4 若332x -1x 1S(x)=1(x -1)+a(x -1)+b(x -1)+c 1x 220⎧≤≤⎪⎨≤≤⎪⎩是三次样条函数,则a =_______, b =______, c =______.5 以n + 1个 整 数 点k ( k =0,1,2,…,n ) 为 节 点 的 Lagrange 插 值 基函 数 为()k l x ( k =0,1,2,…,n ),则 nk k=0kl (x)=_____.∑6 序列{}n n=0y ∞满足递推关系:n n-1y =10y -1,(n =1,2,...),若0y 有误差, 这个计算过程____________稳定.7 若42f(x)=2x +x -3, 则f[1,2,3,4,5,6]=_____. 8 数值求积公式10311f(x)dx f()+f(1)434=⎰的代数精度是____________. 9.当x很大时,为防止损失有效数字,应该使= .10.已知A =⎢⎢⎢⎣⎡761 852 ⎥⎥⎥⎦⎤943,x =⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡111,则=1Ax . 二、(10分) 用最小二乘法确定一条经过原点的二次曲线,使之拟合下列数据x 0 1.0 2.0 3.0 y 0.2 0.5 1.0 1.2三、(10分)2011A =050,b =3,203-1⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭用迭代公式(1)()()()(0,1,2,)k k k x x Ax b k α+=+-=求解,Ax b =问取什么实数α可使迭代收敛,什么α可使迭代收敛最快。
四、(10)设()f x 四阶连续可导,0,0,1,2,,i x x ih i =+=试建立如下数值微分公式''01212()2()()()f x f x f x f x h -+≈并推导该公式的截断误差。
例1、 已知函数表求()f x 的Lagrange 二次插值多项式和Newton 二次插值多项式. 解:(1)插值基函数分别为()()()()()()()()()()1200102121()1211126x x x x x x l x x x x x x x ----===--------()()()()()()()()()()021*******()1211122x x x x x x l x x x x x x x --+-===-+---+-()()()()()()()()()()0122021111()1121213x x x x x x l x x x x x x x --+-===-+--+-故所求二次拉格朗日插值多项式为()()()()()()()()()()()2202()11131201241162314121123537623k k k L x y l x x x x x x x x x x x x x ==⎡⎤=-⨯--+⨯-+-+⨯+-⎢⎥⎣⎦=---++-=+-∑(2)一阶均差、二阶均差分别为[]()()[]()()[][][]010*********011201202303,11204,41234,,52,,126f x f x f x x x x f x f x f x x x x f x x f x x f x x x x x ---===-----===----===---故所求Newton 二次插值多项式为()()[]()[]()()()()()20010012012,,,35311126537623P x f x f x x x x f x x x x x x x x x x x x =+-+--=-++++-=+-例2、 设2()32f x xx =++,[0,1]x ∈,试求()f x 在[0, 1]上关于()1x ρ=,{}span 1,x Φ=的最佳平方逼近多项式.解:若{}span 1,x Φ=,则0()1x ϕ=,1()x x ϕ=,且()1x ρ=,这样,有()()()()()()()()1120011011201100012101,11,,3123,,,,32269,324dx x dx xdx f x x dx f x x x dx ϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕ========++==++=⎰⎰⎰⎰⎰ 所以,法方程为01123126119234a a ⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎡⎤=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦,经过消元得01231162110123a a ⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎡⎤=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦再回代解该方程,得到14a =,0116a =故,所求最佳平方逼近多项式为*111()46S x x =+ 例3、 设()xf x e =,[0,1]x ∈,试求()f x 在[0, 1]上关于()1x ρ=,{}span 1,x Φ=的最佳平方逼近多项式. 解:若{}span 1,x Φ=,则0()1x ϕ=,1()x x ϕ=,这样,有()()()()()()100012110101100100110,111,31,,2, 1.7183,1x x dx x dx xdx f e dx f xe dx ϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕ===========⎰⎰⎰⎰⎰所以,法方程为0111 1.7183211123a a ⎡⎤⎢⎥⎡⎤⎡⎤=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎢⎥⎣⎦⎢⎥⎣⎦解法方程,得到00.8732a =,1 1.6902a =, 故,所求最佳平方逼近多项式为*1()0.8732 1.6902S x x =+例4、 用4n =的复合梯形和复合辛普森公式计算积分1⎰。
数值分析期末考试题及答案一、选择题(每题2分,共20分)1. 在数值分析中,下列哪个算法用于求解线性方程组?A. 牛顿法B. 高斯消元法C. 插值法D. 傅里叶变换答案:B2. 以下哪个选项不是数值分析中的误差类型?A. 舍入误差B. 截断误差C. 测量误差D. 累积误差答案:C3. 多项式插值中,拉格朗日插值法的特点是:A. 插值点必须等距分布B. 插值多项式的次数与插值点的个数相同C. 插值多项式是唯一的D. 插值多项式在插值点处的值都为1答案:B4. 在数值分析中,下列哪个方法用于求解非线性方程?A. 辛普森法则B. 牛顿迭代法C. 欧拉法D. 龙格-库塔法答案:B5. 以下哪个是数值稳定性的指标?A. 收敛性B. 收敛速度C. 条件数D. 误差传播答案:C二、简答题(每题10分,共20分)1. 简述高斯消元法求解线性方程组的基本原理。
答案:高斯消元法是一种直接解法,通过行变换将增广矩阵转换为上三角形式,然后通过回代求解线性方程组。
它包括三个基本操作:行交换、行乘以非零常数、行相加。
2. 解释什么是数值稳定性,并举例说明。
答案:数值稳定性是指数值解对输入数据小的扰动不敏感的性质。
例如,某些数值方法在计算过程中可能会放大舍入误差,导致结果不可靠,这样的方法就被认为是数值不稳定的。
三、计算题(每题15分,共30分)1. 给定线性方程组:\[\begin{align*}x + 2y - z &= 4 \\3x - y + 2z &= 1 \\-x + y + z &= 2\end{align*}\]使用高斯消元法求解该方程组,并给出解。
答案:首先将增广矩阵转换为上三角形式,然后回代求解,得到\( x = 1, y = 2, z = 1 \)。
2. 给定函数 \( f(x) = x^2 - 3x + 2 \),使用拉格朗日插值法在\( x = 0, 1, 2 \) 处插值,并求出插值多项式。
数值分析试题及答案一、选择题(每题2分,共20分)1. 以下哪个算法是数值分析中用于求解线性方程组的直接方法?A. 牛顿法B. 高斯消元法C. 梯度下降法D. 蒙特卡洛方法答案:B2. 插值法中,拉格朗日插值法和牛顿插值法的共同点是:A. 都是多项式插值B. 都使用差商C. 都只适用于等距节点D. 都需要预先知道所有数据点答案:A3. 在数值积分中,辛普森(Simpson)公式比梯形公式的误差:A. 更大B. 更小C. 相同D. 无法比较答案:B4. 以下哪个是数值稳定性分析中常用的方法?A. 条件数B. 收敛性C. 收敛速度D. 误差分析答案:A5. 在求解常微分方程的数值解时,欧拉方法属于:A. 单步法B. 多步法C. 隐式方法D. 显式方法答案:A6. 以下哪个是数值分析中求解非线性方程的迭代方法?A. 高斯-约当消元法B. 牛顿-拉弗森方法C. 雅可比迭代法D. 高斯-赛德尔迭代法答案:B7. 线性插值公式中,如果给定两个点\( (x_0, y_0) \)和\( (x_1, y_1) \),插值多项式是:A. \( y = y_0 + \frac{y_1 - y_0}{x_1 - x_0}(x - x_0) \)B. \( y = y_0 + \frac{y_1 - y_0}{x_0 - x_1}(x - x_0) \)C. \( y = y_0 + \frac{x - x_0}{x_1 - x_0}(y_1 - y_0) \)D. \( y = y_1 + \frac{x_1 - x}{x_1 - x_0}(y_0 - y_1) \)答案:C8. 以下哪个是数值分析中用于求解特征值问题的算法?A. 幂法B. 共轭梯度法C. 牛顿法D. 欧拉法答案:A9. 在数值微分中,使用有限差分法来近似导数时,中心差分法的误差:A. 与步长成正比B. 与步长的平方成正比C. 与步长的立方成正比D. 与步长的四次方成正比答案:B10. 以下哪个是数值分析中用于求解线性最小二乘问题的算法?A. 梯度下降法B. 牛顿法C. 奇异值分解法D. 共轭梯度法答案:C二、简答题(每题10分,共30分)1. 简述数值分析中病态问题的特点及其对算法的影响。
目录一、绪论------------------------------------------------------------------------------------- 2-2二、线性方程组直接解法列主元高斯LU LDL T GG T-------------------- 3-6二、线性方程组迭代法----------------------------------------------------------------- 7-10 三、四、非线性方程组数值解法二分法不动点迭代---------------------- 11-13五、非线性方程组数值解法牛顿迭代下山弦截法----------------- 14-15六、插值线性插值抛物线插值------------------------------------------------ 16-18七、插值Hermite插值分段线性插值-----------------------------------------19-22八、拟合------------------------------------------------------------------------------------ 23-24九、数值积分----------------------------------------------------------------------------- 25-29十、常微分方程数值解法梯形欧拉改进----------------------------------- 30-32 十一、常微分方程数值解法龙格库塔------------------------------------------ 33-35绪论1-1 下列各数都是经过四舍五入得到的近似值 ,试分别指出它们的绝对误差限,相对误差限和有效数字的位数.X 1 =5.420, X 2 =0.5420, X 3 =0.00542, X 4 =6000, X 5 =0.6×105注:将近似值改写为标准形式X 1 =(5*10-1+4*10-2+2*10-3+0*10-4)*101 即n=4,m=1 绝对误差限|△X 1|=|X *1-X 1|≤ 12×10m-n =12×10-3 相对误差限|△r X 1|= |X∗1−X1||X∗1|≤|X∗1−X1||X1|= 12×10-3/5.4201-2 为了使101/2 的相对误差小于0.01%, 试问应取几位有效数字?1-3 求方程x 2 -56x+1=0的两个根, 使它们至少具有4位有效数字( √783≈27.982)注:原方程可改写为(x-28)2=783线性方程组解法(直接法)2-1用列主元Gauss消元法解方程组解:回代得解:X1=0 X2=-1 X3=12-2对矩阵A进行LU分解,并求解方程组Ax=b,其中解:(注:详细分解请看课本P25)A=(211132122)→(211(1/2)5/23/2(1/2)3/23/2)→(2111/25/23/21/2(3/5)3/5)即A=L×U=(11/211/23/51)×(2115/23/23/5)先用前代法解L y=P b 其中P为单位阵(原因是A矩阵未进行行变换)即L y=P b 等价为(11/211/23/51)(y1y2y3)=(111)(465)解得 y 1=4 y 2=4 y 3=35再用回代解Ux =y ,得到结果x即Ux =y 等价为(2115/23/23/5)(x 1x 2x 3)=(y 1y 2y 3)=(443/5) 解得 x 1=1 x 2=1 x 3=1即方程组Ax=b 的解为x =(111)2-3 对矩阵A 进行LDL T 分解和GG T 分解,求解方程组Ax=b,其中A=(164845−48−422) , b =(123)解:(注:课本 P 26 P 27 根平方法)设L=(l i j ),D=diag(d i ),对k=1,2,…,n,其中d k =a kk -∑l kj 2k−1j=1d jl ik =(a ik −∑l ij l kj k−1j=1d j )/ d k 即d 1=a 11-∑l 1j 20j=1d j =16-0=16因为 l 21=(a 21−∑l 2j l 1j 0j=1d j )/ d 1=a 21/ d 1=416=14 所以d 2=a 22-∑l 2j 21j=1d j =5-(14)2d 1=4同理可得d 3=9 即得 D=(1649)同理l 11=(a 11−∑l ij l 1j 0j=1d j )/ d 1=1616=1=l 22=l 33 l 21=(a 21−∑l 2j l 1j 0j=1d j )/ d 1=416=14 l 31=(a 31−∑l 3j l 1j 0j=1d j )/ d 1=816=12 l 32=(a 32−∑l 3j l 2j 1j=1d j )/ d 2=−4−12×14×164=−64=-32即L=(114112−321) L T=(114121−321) 即LDL T分解为A=(114112−321)(1649)(114121−321)解解:A=(164845−48−422)→(41212−32−33)故得GG T分解:A=(4122−33)(4122−33) LDL T分解为A=(114112−321)(1649)(114121−321) 由(114112−321)(y 1y 2y 3)=(123) ,得(y 1y 2y 3)=(0.250.8751.7083)再由(4122−33)(x 1x 2x 3)=(0.250.8751.7083) ,得(x 1x 2x 3)=(−0.54511.29160.5694)2-4 用追赶法求解方程组:解:(4−1−14−1−14−1−14−1−14)→(4−14−1154−415−15615−1556−120956−56209−1780209)由(4−1154−15615−120956−1780209)(y1y2y3y4y5)=(100200),得(y1y2y3y4y5)=(256.66671.785700.4784753.718)再由(1−141−4151−15561−562091)(x1x2x3x4x5)=(256.66671.785700.4784753.718),得(x1x2x3x4x5)=(27.0518.20525.769314.87253.718)线性方程组解法(迭代法)2-1 设线性方程组{4x 1−x 2+2x 3=1−x 1−5x 2+x 3=22x 1+x 2+6x 3=3(1) 写出Jacobi 法和SOR 法的迭代格式(分量形式) (2) 讨论这两种迭代法的收敛性(3) 取初值x (0)=(0,0,0)T ,若用Jacobi 迭代法计算时,预估误差 ||x*-x (10)||∞ (取三位有效数字)解:(1)Jacobi 法和SOR 法的迭代格式分别为Jacobi 法迭代格式SOR(2)因为A 是严格对角占优矩阵,但不是正定矩阵,故Jacobi 法收敛,SOR 法当0<ω≤1时收敛.⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧+--=-+-=+-=+++216131525151412141)(2)(1)1(3)(3)(1)1(2)(3)(2)1(1k k k k k k k k k x x x x x x xx x ⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧-++-=+-+-=+-+-+=++++++)216131()525151()412141()(3)1(2)1(1)(3)1(3)(3)(2)1(1)(2)1(2)(3)(2)(1)(1)1(1k k k k k k k k k k k k k k k x x x x x x x x x x x x x x x ωωω(3)由(1)可见||B ||∞=3/4,且取x (0)=(0,0,0)T ,经计算可得x (1)=(1/4,-2/5,1/2)T ,于是||x (1)-x (0)||∞=1/2,所以有2-2 设方程组为{5x 1+2x 2+x 3=−12−x 1+4x 2+2x 3=202x 1−3x 2+10x 3=3试写出其Jacobi 分量迭代格式以及相应的迭代矩阵,并求解。
1、 对于积分⎰-=11dx e x E x n n (n=0,1,2…)为何用递推公式n n nE E -=1,计算不稳定,应如何改进?(计算过程保留六位有效数字)解:利用分部积分111111111------=-==⎰⎰n x n x nx nn nE dx e x n ex dx exE容易算出eE 11=,取六位有效数字0.367879推出: 264242.02=E …… 0684800.09-=E101<<-x n e x 故09<E 绝对错误,现分析误差传播: ε+='11E Eεεε2221)(2121'2'1'112-=--=+-=-=E E E E E εεε322321)2(3131'3'2'223⋅+=⋅+-=--=-=E E E E E依此类推ε!999+=*E E ,误差急剧放大。
改进算法:)1(11n n E n E -=-,若任取020=E 为出发值,误差可变为原来的!20!9倍,计算结果如下:020=E050000.019=E … *==990916123.0E E2、 对很大的正数N ,如何构造算法,使⎰++1211N Ndx x的计算过程稳定 解:⎰+-+=+12arctan )1arctan(11N NN N dx x βαβαβαtan tan 1tan tan )tan(+-=- βαβαβαt a n t a n 1t a n t a n a r c t a n +-=-令αtan =x ,βtan =y ,则xyyx y x +-=-1arctanarctan arctan 221211arctan )1(11arctan 11NN N N dx x N N≈≈++=+∴⎰+3、 构造两种递推公式计算⎰+=15dx x x I nn (n=0,1,2…)并说明两种方法的优劣 解:n dx x dx x x x I I n n n n n 1555111011==++=+⎰⎰---,从而得出两种递推公式:算法1:151--=n n I nI ,取2.1ln 0=I ,有误差ε,到n I 误差放大了n )5(-倍,算法不好算法2:)1(511n n I n I -=-,任取n I 2,即使有误差ε,到n I 的时候,缩小到了原来的n)51(-,算法很好4、 用平方根法解方程组⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--25.15.065.375.2175.225.41114321x x x解:⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=5.375.2175.225.41114A 041>=∆,01625.41142>=--=∆ 016det 3>==∆A ,故A 对称正定 ()211111a l =,⎪⎭⎫ ⎝⎛=112121l a l ,()212212222l a l -=,()113131l a l =()2221313232l l l a l -=,()212322313333l la l --=由Cholesky 分解求得⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=15.15.025.02L由b Ly =解得()Ty 15.03-=,再由y x L T =解得()Tx 112=5、 为什么在用Gauss 消去法解线性方程组时,选主元法稳定,试举例说明。
解:主元是Gauss 消去法消元与回代过程中的分母,分母过小会放大误差,故应选绝对值最大者为主元。
现举例说明:计算过程保留两位有效数字 解⎩⎨⎧=+-=-59.024.010.024.012.00010.02121x x x x增广矩阵为()⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=59.024.010.024.012.00010.0~,b A回代1.212252==x ,1210.01.212.024.01=⨯+-=x 与准确解 07.11=x , 00.22=x 相差很远 现改为选主元的方法:⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=⎥⎦⎤⎢⎣⎡--25.012.0059.024.010.024.012.00010.059.024.010.0 回代1.212.025.02≈--=x ,90.010.050.059.010.01.22.059.01≈-=⨯-=x可得到比较接近准确的解。
8、设⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛--=212120203A ,若用Gauss-Seidel 方法解方程b Ax =时,是否收敛?解:对Gauss-Seidel 方法迭代矩阵⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=-121100210032000001002002120200031G01211)det(23=-=-λλλG I 02,1=λ,12113=λ121)(=G ρ,故Gauss-Seidel 法收敛。
9、设方程组⎪⎩⎪⎨⎧=++=++=++38.04.028.04.014.04.0321321321x x x x x x x x x ,试考察用Jacobi 法求解的收敛性解:U L D A --=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=18.04.08.014.04.04.01 其中[]111diag D = , ⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=111E⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=08.04.0004.0000L ⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=0008.0004.04.00UJacobi 法迭代矩阵⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛------=+=-08.04.08.004.04.04.00)(1U L D B 0)32.08.0)(8.0(8.04.08.04.04.04.0)det(2=-+-==-λλλλλλλB I故8.01=λ,48.04.03,2±-=λ 109.148.04.0)(>≥+=B ρ 故用Jacobi 法解此方程组不收敛。
10、用追赶法求解线性方程组⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=+=++=++=+142242342444343232121x x x x x x x x x x (过程可用分数计算)解:⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡433221143211114214214214u c u c u c u l l l⎪⎩⎪⎨⎧===142111c b a 11b u = , 1-=i ii u a l , 4,3,2=i 1--=i i i i c l b u , 4,3,2=i 计算出后回代⎩⎨⎧-==-111i i i i y l f y f y 4,3,2=i ⎪⎩⎪⎨⎧-==+i i i ii u x c y x u y x )(14441,2,3=i11、已知函数的观测数据为右表:利用Newton 均差求解插值多项式)(3x N解:[][]))((,,)(,)()(1021001003x x x x x x x f x x x x f x f x N --+-+=[]))()((,,,2103210x x x x x x x x x x f ---+其中[]101010)()(,x x x f x f x x f --=, []202020)()(,x x x f x f x x f --=[]303030)()(,x x x f x f x x f --=[][][]212010210,,,,x x x x f x x f x x x f --=, [][][]313010310,,,,x x x x f x x f x x x f --=[][][]323102103210,,,,,,,x x x x x f x x x f x x x x f --=13、已知函数的观测数据为右表:求解Lagrange 插值多项式)(3x L 解:)())()(())()(()(03020103213x f x x x x x x x x x x x x x L ------=)())()(())()((1312101320x f x x x x x x x x x x x x ------+)())()(())()((2321202310x f x x x x x x x x x x x x ------+)())()(())()((3231303210x f x x x x x x x x x x x x ------+14、设已知函数)(x f 的数值如下:x 0 1 2 3 y5-9-535x 0 1 2 3 y5-9-5352)1(-=-f , 1)0(-=f , 0)1(=f , 0)0('=f求不超过3次的多项式)(3x P ,使得满足插值条件。
解:)1()1(3-=-f P , )0()0(3f P = , )1()1(3f P = , )0()0(''f P = 10-=x ,01=x ,12=x 现构造[][]))((,,)(,)()(1021001003x x x x x x x f x x x x f x f x P --+-+= ))()((210x x x x x x ---+α 求出[]1,10=x x f , []0,,210=x x x f 从而)1()1(2)(23-+++-=x x x x P α由0)0('3=P 得:1=α 故此有1)(33-=x x P15、设x 与y 之间的经验公式为bax xy +=,试根据下列的数据确定其中的常数a 和b (计算过程保留3位有效数字)x 2 3 4 7 10 15 y6810111011解:x b a y 11+=,令y Y 1=,xX 1=,重新转换表格数据xX 1=? ? ? ? ? ? yY 1=? ? ? ? ? ?计算下表:i xi yi i y x2i x1 2 3 4 5 ∑由⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=+=+∑∑∑∑∑=====51512515151)()()(5i ii i i i i i i i i Y X b X a X Y b X a 得⎩⎨⎧==b a19、据三节点的Lagrange 插值多项式或牛顿前差多项式推导Simpson 求积公式⎰+++-=bab f ba f a f ab dx x f )]()2(4)([6)(,并写出其余项。
解:在[a, b]内取三个插值节点b x b a x a x =+==310,2,,则有)(),2(),(b f ba f a f + 满足此插值条件的二次Lagrange 插值公式为:)())(())(()2())(())(()())(())(()(1202102101202010212b f x x x x x x x x ba f x x x x x x x x a f x x x x x x x x x L ----++----+----=用)()(2x f x L ≈代入积分⎰badx x f )(式有(要有积分过程)⎰⎰+++-==babab f ba f a f ab dx x L dx x f )]()2(4)([6)()(2 另法:二阶Newton 前插公式为:sh x x +=0 , ih x x i +=0 , h i s x x i )(-=- , 2ab h -= )(!2)1()()()(02000x f s s x f s x f sh x f ∆-+∆+=+hds x f s s x f s x f dx x f ba⎰⎰∆-+∆+=20200))(!2)1()()(()((要求有积分过程) ))()2(4)((6))()(4)((310b f b a f a f a b x f x f x f h +++-=++= Simpson 公式余项:)()(28801)(901)4(545ξξf A B f h R --=-=,),(b a ∈ξ20、对求积公式)0()1()0()('0101f B f A f A dx x f ++≈⎰试确定系数010,,B A A 及余项解:分别令2,,1)(x x x f =且分别代入求积公式,有:1)(=x f ,110=+A A ; x x f =)(,2101=+B A ; 2)(x x f =,311=A求得:320=A , 311=A , 610=B 则有:)0(61)1(31)0(32)('1f f f dx x f ++≈⎰本题代数精度至少为2,能否达到更高,需继续验证: 令3)(x x f =,分别代入公式的左右两边,左=41,右=31,左≠右 不准确成立,故该公式只有二次代数精确度。