中北大学研究生数值分析试题(2009年8月)参考答案与评分标准
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《数值分析》考试卷B适用专业:计信081考试日期:2011年6月试卷所需时间:2小时 闭卷 试卷总分 100一、 填空题: (6小题共10空每空2分,共20分)1、近似数231.0=*x 关于真值229.0=x 有2位有效数字.2、设1)(3-+=x x x f ,则差商(均差)________]4,3,2,1,0[,__________]3,2,1,0[f f =.( 1,0)4、求方程)(x f x =根的牛顿迭代格式是.()('1)(1n n nn n x f x f x x x ---=+) 5、设矩阵⎪⎪⎭⎫⎝⎛--=4321A ,计算矩阵A 的各种范数,________,1==∞AA,____________,2==AAF.(6; 7; 5.477; 5.46)6、解线性方程组Ax=b 的雅可比迭代法收敛的充要条件是,其中迭代矩阵为 .(U L D A U L D J J --=+=<-),(,1)(1ρ)二、判断题:(对的打“√”,错的打“Ⅹ”,每题2分,共20分)1、解对数据的微小变化高度敏感是病态的( √ ).2、高精度运算可以改善问题的病态性( Ⅹ ).3、两个相近数相减必然会使有效数字损失( Ⅹ ).4、对给定的数据作插值,插值函数的个数可以有许多( √ ).5、高次拉格朗日插值是常用的( Ⅹ ).6、如果被积函数在区间[a,b]上连续,则它的黎曼积分一定存在( √7、n+1个点的插值型求积公式的代数精度至少是n 次,最多可达到√ ). 8、范数为零的矩阵一定是零矩阵( √ ).9、奇异矩阵的范数一定是零( Ⅹ ).10、雅可比迭代也高斯—塞德尔迭代同时收敛且后者比前者收敛快( Ⅹ ).三、(10分)已给sin0.32=0.314567,sin0.34=0.333 487,sin0.36=0.352 274,用线性插值 及抛物插值计算sin0.3367的值并估计截断误差. 解:用线性插值计算:330365.00167.002.001892.0314567.0)3367.0()3367.0(3367.0sin 0010101=⨯+=---+=≈x x x y y y L 3分截断误差:5111092.0)3367.0(3367.0sin )3367.0(-⨯≤-≤L R . 5分 用抛物插值计算:Sin0.3367=0.330 374; 8分误差:62100132.20233.0033.00167.09493.061)3367.0(-⨯<⨯⨯⨯⨯≤R 10分 四、(10分)求次数小于等于3的多项式P(x),使其满足条件P(0)=0,P ’(0)=1,P(1)=1,P ’(1)=2.解:本题是标准的埃尔米特插值问题,可直接套用公式,利用两点的埃尔米特插值公式,五、(10分)确定求积公式)()0()()(101h f A f A h f A dx x f hh ++-≈--⎰中的待定参数,使其代数精度尽量高,并指明说构造出的求积公式具有的代数精度.解:)(3)0(34)(3)(h f hf h h f hdx x f hh++-≈⎰- 8分 具有3次代数精度. 10分六、(10分)用直接三角分解(Doolittle 分解)求线性方程组解:七、(10分)设线性方程组⎪⎩⎪⎨⎧=++=++=++38.04.028.04.014.04.0321321321x x x x x x x x x , 考察解此线性方程组的雅可比迭代及高斯—塞德尔迭代法的收敛性. 解:(1)雅可比迭代法的迭代矩阵10928203.1)()32.08.0)(8.0(08.04.08.004.04.04.00)(21>=-+-=-⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡------=+=-J J JB B I U L D B ρλλλλ 3分 所以,雅可比迭代法不收敛. 5分 (2)高斯—塞德尔迭代法的迭代矩阵18.0)(672.0032.0064.016.004.04.00)(1<=≤⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡----=-=∞-BB U L D B s sρ 8分 所以 ,高斯—赛德尔迭代法收敛. 10分八、(10分)求方程0123=--x x 在5.10=x 附近的一个根,设将方程改写成下列等价形式,并建立相应的迭代公式. (1)211x x +=,迭代公式2111kk x x +=+;(2)123+=x x ,迭代公式3211+=+k k x x ;(3)112-=x x ,迭代公式111-=+k k x x ;试分析每种迭代公式的收敛性.解:考虑5.10=x 的邻域[1.3,1.6].(1)当]6.1,3.1[∈x 时,],6.1,3.1[11)(2∈+=xx ϕ,1910.03.122)('23<=≈≤-=L x x ϕ,故迭代2111k k x x +=+在[1.3,1.6]上整体收敛. 3分(2)当]6.1,3.1[∈x 时,],6.1,3.1[)1()(312∈+=x x ϕ,1522.0)3.11(36.12)1(32)('32322<=≈+⨯≤+=L x xx ϕ,故迭代3211+=+k k x x 在[1.3,1.6]上整体收敛. 6分(3)当]6.1,3.1[∈x 时,],6.1,3.1[11)(∈-=x x ϕ,1)16.1(21)1(21)('23>->--=x x ϕ,故迭代111-=+k k x x 在[1.3,1.6]上整体发散. 10分。
注:1、教师命题时题目之间不留空白; 2、考生不得在试题纸上答题,教师只批阅答题册正面部分,若考试题__2009___年~__2010___年第 一学期课程名称: 数值分析 专业年级: 2009级(研究生) 考生学号: 考生姓名: 试卷类型: A 卷 √ B 卷 □ 考试方式: 开卷 √ 闭卷 □………………………………………………………………………………………………………一. 填空题(本大题共4小题,每小题4分,共16分)1.设有节点012,,x x x ,其对应的函数()y f x =的值分别为012,,y y y ,则二次拉格朗日插值基函数0()l x 为 。
2.设()2f x x =,则()f x 关于节点0120,1,3x x x ===的二阶向前差分为 。
3.设110111011A -⎡⎤⎢⎥=--⎢⎥⎢⎥-⎣⎦,233x ⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦,则1A = ,1x = 。
4. 1n +个节点的高斯求积公式的代数精确度为 。
二.简答题(本大题共3小题,每小题8分,共24分)1. 哪种线性方程组可用平方根法求解?为什么说平方根法计算稳定?2. 什么是不动点迭代法?()x ϕ满足什么条件才能保证不动点存在和不动点迭代序列收敛于()x ϕ的不动点?3. 设n 阶矩阵A 具有n 个特征值且满足123n λλλλ>≥≥≥,请简单说明求解矩阵A 的主特征值和特征向量的算法及流程。
三.求一个次数不高于3的多项式()3P x ,满足下列插值条件:i x 1 2 3 i y2412注:1、教师命题时题目之间不留空白;2、考生不得在试题纸上答题,教师只批阅答题册正面部分,若考注:1、教师命题时题目之间不留空白;2、考生不得在试题纸上答题,教师只批阅答题册正面部分,若考注:1、教师命题时题目之间不留空白;2、考生不得在试题纸上答题,教师只批阅答题册正面部分,若考注:1、教师命题时题目之间不留空白;2、考生不得在试题纸上答题,教师只批阅答题册正面部分,若考注:1、教师命题时题目之间不留空白; 2、考生不得在试题纸上答题,教师只批阅答题册正面部分,若考2,又*3x a =10=≠。
2006/2007学年第一学期末考试试题参考答案(B 卷)数值分析使用班级: 06研一、填空题(每空4分,共40分)1. 由求解数学模型所采用的数值近似计算所产生的误差称为 截断 误差;2. 设0.001369x =有4位有效数字,则u =的的计算结果中有 3位有效数字;解:0.037000u ==,6541()100.675100.5102u ε---=⨯=⨯<⨯,所以,u 有三位有效数字。
3. 设(0)1,(1)1,(2)5,f f f ==-=则[0,1]f = -2 ;[0,1,2]f = 4 ;()f x 的二次Newton插值多项式为2124(1) 461x x x x x -+--+或 ;又若(1)1f '=,则()f x 的三次Hermite插值多项式为232123(1)(1)41x x x x x x x x -+-+-+-+或;4. 已知方程ln 2x x -=在区间[2,4]中的有一个根,写出求解这一根的Newton 法迭代公式10ln 21ln 11,0,1,1[2,4]k k k k k k k kx x x x x x x k x x +--+⎧=-=⎪⎪-=-⎨⎪∈⎪⎩ ,这一根大约为 3.1461932 ; 5. 求解初值问题00()(,),()y t f t y y t y '==的线性k 步法的一般形式为0,0,1,,kkjn j j n j j j y h f n M kαβ++====-∑∑ ,又若局部截断误差n k R +=()10(),()()kkp jn j j n j n j j j y t h f t y t O h αβ++++==-=∑∑,则称此线性k 步法是p 阶的。
二、解答下列各题(每小题12分,共36分)12分1. 给定数据表求形如y a bx=+的拟合函数。
解:令1u a bx y=+=得………………………………….5分对应的正规方程组TTX X X u =为 ()()()5 2.6 6.073252.6 1.72 3.82034a b = ............................................................ 10分 解之得 ()()0.278871.79958a b = .................................................................................. 11分即10.27887 1.79958y x=+ ................................................................... 12分3 用Romberg 公式求定积分120sin d x x ⎰,要求计算出第一个Romberg 值(3)0T 。
2006/2007学年第一学期末考试试题参考答案(A 卷)数值分析使用班级: 06研试卷2 :闭卷考试(50分),120分钟 一、填空题(每空1分,共10分)1. 设0.001369x =有4位有效数字,则ln u x =的的计算结果中有 4 位有效数字;解:ln 6.593674ux ==- ,64311()()0.510 3.65100.5100.001369e u e x x ---≈⨯=⨯⨯=⨯≤⨯ 所以,ln 6.593674ux ==- 有4位有效数字。
2. 设1113A ⎛⎫=⎪-⎝⎭,则2A= 3.2361≈;1A = 4 ;3. 设(0)(0)0,(1)(1)1,(2)1,f f f f f ''=====则[0,1]f = 1 ,[0,1,2]f =12-,则()f x 的四次Hermite 插值多项式()2222432(1)1(1)6944x x x x x x x x ---+=-+; 4. 二次方程21610x x -+=的具有三位有效数字的最小正根为 0.0627 ;5.求积公式11()f x x f f -≈+⎰d 具有 3 次代数精度;6. 求解初值问题00()(,),()y t f t y y t y '==的改进Euler 法的格式为112121()2(,)(,)n n n n n n h y y k k k f t y k f t h y hk +⎧=++⎪⎪=⎨⎪=++⎪⎩,它是 2 阶方法。
二、解答下列各题(每小题8分,共24分)1.求形如by ax =的拟合函数。
解:对by a x =两边取对数得ln ln ln y b x a =+,令l n ,l n ,l n s y t x c a ===,则有s c bt =+,且s 、t3分令1122334411,,11t s t sc X A S t s b t s ⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪⎛⎫⎪ ⎪=== ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭,则有AX S =,从而正规方程组T T A AX A S =为44.9698135.4790824.9698136.8196168.094554c b -⎛⎫⎛⎫⎛⎫= ⎪⎪ ⎪-⎝⎭⎝⎭⎝⎭.................................... 9分 解之得1.1100131.995877c b ⎛⎫⎛⎫= ⎪ ⎪-⎝⎭⎝⎭............................................................................. 11分 所以拟合函数为-1.9958773.034399b c b y ax e x x === ...................................................... 8分 3 用梯形公式和4n =的复合梯形公式计算1404d 1x x +⎰,并估计误差。
《数值分析》I课程试题参考答案及评分标准(中文试卷)( A卷)适用专业年级:信息与计算科学07级 考试时间: 100分钟命题人:吕勇一、解------------------------------------------------------5分则插值多项式。
---------------------------------------- -------10分二、 证明设,以为节点的Lagrange插值多项式为 --3分余项为-----------------------------------------------------6分由于为线性函数,当时,。
--------------------------------9分则:,所以结论得证-------------------------------------------------10分三、证明 ----------------------------------------------------5分-------------------------8分 ---------------------------------------------------10分四、证明设则根据插值多项式原理-------------------------------------------------------------------------------------6分两端在上积分-------------------------------------------------------------10分五、解设,。
--------------------------------------------------------------------3分,---------------------------------------------------------------6分,。
2009年秋季工学硕士研究生学位课程(数值分析)真题试卷(总分:30.00,做题时间:90分钟)一、填空题(总题数:7,分数:14.00)1.填空题请完成下列各题,在各题的空处填入恰当的答案。
(分数:2.00)__________________________________________________________________________________________ 2.设多项式f(x)=4x 4十6x 3 +9x+1,则求f(x 0 )仅含有4次乘法运算的算法为______.(分数:2.00)__________________________________________________________________________________________ 3.已知实对称矩阵A的全部特征值是3,2,1,则cond(A) 2 =______.(分数:2.00)__________________________________________________________________________________________ 4.设f(x)=x 3 -3x+1,则f(x)以0,1,2为插值节点的2次牛顿插值多项式为______.(分数:2.00)__________________________________________________________________________________________5.用Simpson 2.00)__________________________________________________________________________________________6. 2.00)__________________________________________________________________________________________ 7.求解双曲型方程初边值问题的显格式稳定的条件是步长比s______,该差分格式关于空间步长_______阶收敛,关于时间步长______阶收敛.(分数:2.00)__________________________________________________________________________________________二、计算题(总题数:2,分数:4.00)8.分析方程x 5 -5x+1=0有几个正根,并用迭代法求此方程的最大正根,精确到4位有效数字.(分数:2.00)__________________________________________________________________________________________9.用列主元Gauss 2.00)__________________________________________________________________________________________ 三、综合题(总题数:6,分数:12.00)10.设有求解线性方程组Ax=b的迭代格式Bx (k+1) +Cx (k) =b,k=0,1,…,(A)其中 2.00)__________________________________________________________________________________________ 11.设,∈C 4[a,a+2],求一个3次多项式H(x),使之满足H(a)=f(a),H(a+1)=f(a+1),H(a+2)=f(a+2),H"(A)=f"(a),并写出插值余项f(x)-H(x)的表达式.(分数:2.00)__________________________________________________________________________________________12.用最小二乘法确定经验公式u=a+be x中的参数a和b,使该曲线拟合下面的数据: 2.00)__________________________________________________________________________________________13.设f(x)∈C 2[a,b],/n,x k=a+kh,k=0,1,…,n;k+h/2,k=0,1,…,n-1. 1)写出计算积分I(f)的一点Gauss公式G(f)以及对应的复化求积公式G n (f); 2)设T n (f)是计算积分I(f)的复化梯形公式,求参数α,使得 2.00)__________________________________________________________________________________________14.给定常微分方程初值问题 2.00)__________________________________________________________________________________________15.给定初边值问题ψ(x),α(t),β(t)是光滑函数,且满足相容性条件.取正整数M,N,记h=(b—a)/M,τ=T/N,x i=a+ih(0≤i≤M),t k=kτ(0≤k≤N).1)写出求上述定解问题的古典隐格式;2)设f(x,t)≡0,α(t)=β(t)≡0,{u i k|0≤i≤M,0≤k≤N}是古典隐格式的解,记r=τ/h 2,(分数:2.00)__________________________________________________________________________________________。
[考研类试卷]2009年攻读工学博士学位研究生入学考试(数值分析)真题试卷1 1)设x1=5.1074,x2=80.119均具有5位有效数字,试估计由这些数据计算x1x2具有几位有效数字; 2)利用秦九韶算法计算多项式p(x)=8x5—6x4+4x3—2x2+3x+1在x=2处的值.2 设3次代数方程x3—5x2—2x+1=0的最大实根为x*.任取x0,用Newton迭代法可得迭代序列{x k}k=0∞.证明:如果x0>x*,则有3 给定线性方程组Ax=b,其中1)写出Jacobi迭代格式;2)设A是按行严格对角占优矩阵,即A满足证明:Jacobi迭代法收敛.4 设f(x)=x4—3x3+x2—10,x0=1,x1=2,x2=3,x3=0. 1)写出f(x)以x0,x1,x2,x3为节点的3次Lagrange插值多项式L3(x); 2)写出f(x)以x0,x1,x2,x3为节点的3次Newton插值多项式N3(x); 3)给出以上插值多项式的插值余项表达式.5 求a和b,使得|e x-(a+bx)|取最小值,并求该最小值.6 给定积分取正整数M,将区间[a,b]作M等分,并记h=(b—a)/M,x i=a+ih,i=0,1,…,M.1)利用函数值f(x0),f(x1),…,f(x M)作f(x)的分段一次插值多项式S(x),给出S(x)的表达式;2)利用S(x)构造计算I(f)的数值求积公式并写成的形式,给出A i的表达式;3)设f(x)∈C2[a,b],试估计截断误差I(f)-I N(f).7 考虑常微分方程初值问题取正整数n,记h=(b-a)/n,x i=a+ih,0≤i≤n.试分析下列求解公式的局部截断误差,并指出其阶数.8 设2阶抛物方程初边值问题有光滑解u(x,t),其中φ(0)=ψ1(0),φ(1)=ψ2(0).取正整数M和N,并记h=1/M,x i=ih,0≤i≤M;τ=T/N,t k=kτ,0≤k≤N.对(A)建立一个无条件稳定且是收敛的差分格式.1)给出差分格式截断误差的表达式;2)分析差分格式的解对右端函数和初值的稳定性;3)证明差分格式的收敛性.。
习题参考答案习题一1.(1) 0.05ε=,0.0185r ε=,有2位有效数字 (2) 0.0005ε=,0.000184r ε=,有4位有效数字 (3) 0.000005ε=,0.000184r ε=,有4位有效数字 (4) 0.0000005ε=,0.000184r ε=,有4位有效数字 2.0.0005ε=,0.00016r ε≈;有4位有效数字 3.|d | 1.210.005 3.650.0050.0050.02930.03a ≤⨯+⨯+≈≤4.*1x 有5位有效数字,*2x 有2位有效数字,*3x 有4位有效数字,*4x 有5位有效数字5.(1) ***124()x x x ε++31.0510−=⨯ (2) ***123()x x x ε=0.21479 (3) *2*4()x x ε50.8865410−=⨯6.略。
7.最小刻度x 满足0.002cm x ≤ 8.*3()10000 mm V επ=,*()0.02r V ε= 9.设正方形边长为a ,*2()0.510a ε−≤⨯10.*1()1%0.00333r R ε=⨯≈11.1||||14x =,2||||9.89949x ≈,||||9x ∞= 12.1|||||1.25||0.02|| 5.15||0| 6.42x =++−+=22221/22||||[(1.25)(0.02)( 5.15)(0)] 5.2996x =++−+=||||| 5.15| 5.15x ∞=−=13.||||10A ∞=,1||||9A =,2||||82.05125A ≈14.||||16A ∞=,1||||16A =,2||||12A =15.(1) ||()||1f x ∞=,1||()||8f x =,2||()||f x π=(2) ||()||23f x ∞=,1||()||17f x =,2||()||10.6427f x ≈ 16.略。
线封密三峡大学试卷班级姓名学号2011年春季学期《数值分析》课程考试试卷( A 卷)答案及评分标准注意:1、本试卷共3页;2、考试时间:120 分钟;3、姓名、学号必须写在指定地方;一、(16分)填空题1. 已知1125A ⎡⎤=⎢⎥⎣⎦,则1A 6= (1分),∞A 7= . (1分)2.迭代过程),1,0)((1 ==+n x x n n ϕ收敛的一个充分条件是迭代函数)(x ϕ满足1|)(|<'x ϕ. (2分)3. 设),,2,1,0(,,53)(2==+=k kh x x x f k 则差商0],,,[321=+++n n n n x x x x f .(2分)4. 设)(x f 可微,求方程)(x f x =根的牛顿迭代格式是.2,1,0,)(1)(1='---=+k x f x f x x x k k k k k (2分)5. 用二分法求方程01)(3=-+=x x x f 在区间]1,0[内的根,迭代进行二步后根所在区间为]75.0,5.0[.(2分)6.为尽量避免有效数字的严重损失,当1>>x 时,应将表达式x x -+1改写为xx ++11以保证计算结果比较精确.(2分)7. 将2111A ⎛⎫= ⎪⎝⎭作Doolittle 分解(即LU 分解),则100.51L ⎛⎫= ⎪⎝⎭(2分),2100.5U ⎛⎫= ⎪⎝⎭(2分)二、(10分)用最小二乘法解下列超定线性方程组:⎪⎩⎪⎨⎧=-=+=+2724212121x x x x x x 解:23222121,e e e x x ++=)(ϕ221221221)2()72()4(--+-++-+=x x x x x x由 ⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=-+=∂∂=-+=∂∂0)1662(20)1323(2212211x x x x x x ϕϕ(8分)得法方程组 ⎩⎨⎧=+=+166213232121x x x x 7231=⇒x , 7112=x所以最小二乘解为: 7231=x 7112=x . (10分)三、(10分)已知)(x f 的函数值如下表25.15.001)(15.005.01---x f x用复合梯形公式和复合Simpson 公式求dx x f ⎰-11)(的近似值.解 用复合梯形公式,小区间数4=n ,步长5.0)]1(1[41=--⨯=h )]1())5.0()0()5.0((2)1([24f f f f f hT +++-+-=.线封密三峡大学试卷班级姓名学号25.1]2)5.15.00(21[25.0=++++-=(5分) 用复合Simpson. 小区间数2=n ,步长1)]1(1[21=--⨯=h)]1())5.0()5.0((4)0(2)1([62f f f f f hS ++-+⨯+-=33.168]2)5.10(45.021[61≈=+++⨯+-= (10分)四、(12分)初值问题 ⎩⎨⎧=>+='0)0(0,y x b ax y有精确解 bx ax x y +=221)(, 试证明: 用Euler 法以h 为步长所得近似解n y 的整体截断误差为n n n n ahx y x y 21)(=-=ε证: Euler 公式为:),(111---+=n n n n y x hf y y代入b ax y x f +=),(得:)(11b ax h y y n n n ++=-- 由0)0(0==y y 得:bh b ax h y y =++=)(001; 11122)(ahx bh b ax h y y +=++= )(3)(21223x x ah bh b ax h y y ++=++=……)()(12111---++++=++=n n n n x x x ah nbh b ax h y y (10分)因nh x n =,于是 )]1(21[2-++++=n ah bx y n n 2)1(2nn ah bx n -+==n n n bx x x a+-12∴n n n y x y -=)(ε)2(2112n n n n n bx x x abx ax +-+=-=n n n x x x a )(21--=n hx a 2 =221anh (12分)五、(10分) 取节点1,010==x x ,写出x e x y -=)(的一次插值多项式),(1x L 并估计插值误差.解: 建立Lagrange 公式为()=x L 110100101y x x x x y x x x x --+--=10101101-⨯--+⨯--=e x x x e x 11-+-=.(8分)())1)(0(!2)()()(11--''=-=x x y x L x y x R ξ )10(<<ξ ()811)0(max 2110≤--≤≤≤x x x(10分)六、(10分) 在区间]3,2[上利用压缩映像原理验证迭代格式,1,0,4ln 1==+k x x k k 的敛散性.解 : 在]3,2[上, 由迭代格式 ,1,0,4ln 1==+k x x k k , 知=)(x ϕx 4ln .因∈x ]3,2[时,]3,2[]12ln ,8[ln )]3(),2([)(⊂=∈ϕϕϕx (5分) 又1|1||)(|<='xx ϕ,故由压缩映像原理知对任意]3,2[0∈x 有收敛的迭代公式),1,0(,4ln 1 ==+k x x k k (10分)线封密三峡大学试卷班级姓名学号七、(10分)试构造方程组⎩⎨⎧=+=+423322121x x x x 收敛的Jacobi 迭代格式和Seidel Gauss -迭代格式,并说明其收敛的理由. 解:将原方程组调整次序如下:⎩⎨⎧=+=+324232121x x x x 调整次序后的方程组为主对角线严格占优方程组,故可保证建立的J 迭代格式和GS 迭代格式一定收敛.收敛的J 迭代格式为:⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧-=-=++)3(21)24(31)(1)1(2)(2)1(1k k k k x x x x .,1,0 =k (5分)收敛的GS 迭代格式为:⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧-=-=+++)3(21)24(31)1(1)1(2)(2)1(1k k k k x x x x .,1,0 =k (10分)八、(12分)已知43,21,41210===x x x 1)推导以这3个点作为求积节点在[0,1]上的插值型求积公式;2)指明求积公式所具有的代数精度.解:1)过这3个点的插值多项式)())(())(()())(())(()(121012002010212x f x x x x x x x x x f x x x x x x x x x p ----+----=+)())(())((2021201x f x x x x x x x x ----⎰⎰=∑=≈∴)()()(221010k k k x f A dx x p dx x f ,其中: ⎰⎰=----=----=32)4341)(2141()43)(21())(())((10201021100dx x x dx x x x x x x x x A ⎰⎰-=----=----=31)4321)(4121()43)(41())(())((10210120101dx x x dx x x x x x x x x A ⎰⎰=----=----=322143)(4143()21)(41())(())((10120210102dx x x dx x x x x x x x x A ∴所求的插值型求积公式为:⎰+-≈)]43(2)21()41(2[31)(10f f f dx x f (10分) 2)上述求积公式是由二次插值函数积分而来的,故至少具有2次代数精度,再将43,)(x x x f =代入上述求积公式,有:⎰+-==]43(2)21()41(2[3141333310dx x ⎰+-≠=])43(2)21(41(2[3151444410dx x 故上述求积公式具有3次代数精度. (12分)九、(10分)学完《数值分析》这门课程后,请你简述一下“插值、逼近、拟合”三者的区别和联系.。
2008/2009 学年第 2 学期末考试试题(A 卷)
数值分析参考答案
使用班级: 高教硕士、工程硕士
一、填空题(每空3分,共30分)
1、 由于计算机的字长限制,计算机在存取原始数据以及每一次计算都会对数据进行四舍
五入,由此产生的误差称为舍入误差;而数值计算方法得到的近似解与数学模型的准确解之间的误差称为截断 误差(或方法误差);
2、 设*0.01320a =-是准确值a 经四舍五入得到的近似值,那么它的一个绝对误差限
()*a ε=0.000005,相对误差()*r a ε=0.038%; 祖冲之的密率*355
113
π=
作为圆周率3.1415926535897...π=的近似值具有 7 位有效数字;
3、 方程cos x x =的根*
x =0.73909(精确到小数点后5位);
4、 设(1)0.5,(0)1,(1)2f f f -===,则一阶差商[1,0]f -=0.5,二阶差商
[1,0,1]f -=0.25,函数()f x 的二次Newton 插值多项式2()p x =
213
144
x x ++; 5、求积公式
()()()1
-1
141
()d 101333f x x f f f ≈
-++⎰
具有 3 次代数精度。
二、利用Doolittle 分解求解以下方程组(本题10分)
1232123212321232
4252
872107
4836712611203
x x x x x x x x x x x x
x x x x +++=-⎧⎪+++=-⎪⎨+++=-⎪+++=-⎪⎩ 解:采用紧凑格式的LU 分解,其过程为
由方程组的增广矩阵
所以,()T
1111x =--。
注:若不按以上紧凑格式方法做的其它做法,只要正确也给分。
其中
()LU
24215238
72107|148367112
6
11
20
3A b -⎫
-⎛⎫⎪- ⎪⎪-
⎪⎪=−−−→ ⎪-⎪- ⎪⎪
-⎝⎭⎪⎭分解
100042
152210003
003
,,,,121000************L U y Ly b Ux y -⎛⎫⎛⎫⎛⎫
⎪
⎪ ⎪-
⎪
⎪ ⎪===== ⎪ ⎪ ⎪ ⎪
⎪ ⎪-⎝⎭⎝⎭⎝⎭
三、(本题10分)写出求解线性方程组
1231231
235212
421025101
x x x x x x x x x +=-⎧⎪
++=⎨⎪-+=⎩+- 的Jacobi 迭代算法及其对应的迭代矩阵,并说明用Jacobi 迭代法求解此方程组是收敛的。
解:Jacobi 迭代法求解本方程迭代公式为
(1)()()
123(1)()()
213(1)()()3
120.40.2 2.40.250.5 2.50,1,2,0.20.50.1
k k k k k k k k k x x x x x x k x x x +++⎧=---⎪=-+=⎨⎪=-++⎩ 其中(0)1(0)
(0)2
(0)3x x x x ⎛⎫
⎪= ⎪ ⎪⎝⎭
可以任意选取。
由于方程组的系数矩阵52114
22510A ⎛⎫ ⎪
=- ⎪ ⎪-⎝⎭
是主对角线按行严格占优矩阵,所以用Jacobi 迭代法求解该方程组必收敛。
四、(本题20分)
1、 证明非线性方程310x x --=有且仅有一个实根*
x ,并且()*
1,2x ∈;
2、 用Newton 迭代法求解*
x ,当
1
610k k k
x x x ---<时结束迭代。
解:1 (证明)令3
()1f x x x =--,则2
()31f x x '=-
的零点为x =,并且()f x
在,⎛-∞ ⎝
内单调递增,在⎡⎢⎣
内单调递减,所以x =()f x
在⎛
-∞ ⎝
内的最大值点,由于
10f ⎛=< ⎝,所以()f x
在⎛
-∞ ⎝
内
无实根;又由于()f x
在⎫
+∞⎪⎭
内单调递增,且()110f =-<,(2)5f =,所以()f x
在⎫
+∞⎪⎭
内有且仅有一个实根,
从而在整个实数范围内也有且仅有一个实根(设为*
x )。
并且有()*
1,2x ∈。
2
用Newton 迭代法求解*
x 的迭代公式为
33
122
121
,0,1,3131
k k k k k k k x x x x x k x x +--+=-==-- 由可以写出一个求解原方程组的简单迭代公式
10.20.1e ,0,1,2,k x k x k +=-=
取02x =进行计算(表1)
注:初始值的不同,计算步骤将不一样,但最终结果与准确值*
1.3247179572458...x =之间的相对误差不超过6
10-或经四舍五入保留到小数点后7位数字后为1.3247180即可。
五、(本题15分)欲求一个形如s ct λ
=的经验公式,使它与实验数据
相拟合,试用最小二乘法确定参数和。
解:令22log ,log x t y s ==,则可将经验公式s ct λ=化为01y c c x =+,其中
021log ,c c c λ==。
由原始数据表,可得(,)x y 的观测数据如下
令012031456101112,,1
314
1516y y y c A c y y c y y y ⎛⎫
⎛⎫ ⎪ ⎪
⎪
⎪ ⎪ ⎪
⎛⎫ ⎪ ⎪
=== ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪
⎪
⎪ ⎪ ⎪⎝
⎭⎝⎭
,则c 的最小二乘解为正规方程组T T A Ac A y =的解。
即
0172112.6231900219134.7689535c c ⎛⎫⎛⎫⎛⎫= ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭
⎝⎭ 解之得
01 2.1355218-0.1107363c c ⎛⎫⎛⎫= ⎪ ⎪⎝
⎭⎝⎭ 所以
01 4.393960120.1107363c c c λ⎛⎫⎛⎫⎛⎫== ⎪ ⎪ ⎪-⎝⎭⎝⎭
⎝⎭。
即最终拟合的经验公式为0.1107363
4.3939601s t -=
六、(本题15分)写出用Romberg 方法计算
()d b
a
f x x ⎰
的过程,并说明计算到2R 时计算函数值
()f x 的次数。
解:Romberg 方法计算
()d b
a
f x x ⎰
的过程如下
1[()()]2
b a
T f a f b -=
+, 1,2,m = 对于计算
1(1) ,((21)),1,2,,22
m m m m b a
h f a i h i --=
+-= ()
1
12
2211
(2) (21)2m m m m m i T T h f a i h --==++-∑
计算到2R 需要计算17次函数值()f x 。