数值计算方法第一章 误差
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第1章 数值计算引论1.1 内容提要一、误差的来源数值计算主要研究以下两类误差。
1. 截断误差数学模型的准确解与用数值方法求得的解的差称为截断误差,又称为方法误差。
这种误差常常是由用有限过程代替无穷过程时产生的误差。
例如,要计算级数∑∞==+++++1!1!1!31!211k k n的值,当用计算机计算时,用前n 项(有限项)的和∑==+++++nk k n 1!1!1!31!211来代替无穷项之和,即舍弃了n 项后边的无穷多项,因而产生了截断误差∑∞+=1!1n k k2. 舍入误差由于计算机字长为有限位,原始数据和四则运算过程中进行舍入所产生的误差称为舍入误差。
例如,用3.141 59表示圆周率π时产生的误差0.000 002 6…,用0.333 33表示1÷3的运算结果时所产生的误差1÷3-0.333 33 = 0.000 003 3…都是舍入误差。
二.近似数的误差表示1. 绝对误差设x *是准值x 的一个近似值,称**)(x x x e -=为近似值x *的绝对误差,简称误差。
令|)(|*x e 的一个上界为*ε,即***|||)(|ε≤-=x x x e把*ε称为近似数*x 的绝对误差限,简称误差限。
2. 相对误差设*x 是精确值x 的一个近似值,称xx x xx e **)(-=为近似值x *的相对误差。
在实际应用中常取***)(xx x x e r -=为*x 的相对误差。
令相对误差绝对值 |)(|*x e r 的一个上界为ε*r,即 ****|||||)(|r r x x x x e ε≤-=把ε*r称为近似数*x 的相对误差限。
3. 有效数字对有多位数字的准确值四舍五入原则得到其前若干位的近似值时,该近似值的绝对误差不超过末位的半个单位。
设数x 的近似值m n x x x x 10.021*⨯±= ,其中,i x 是0~9之间的任一个数,但i x ≠0,n i ,2,1=是正整数,m 是整数,若nm x x -⨯≤-1021||*则称*x 为x 的具有n 位有效数字的近似值,*x 准确到第n 位,n x x x ,,,21 是*x 的有效数字。
1 第一章作业1.对一个数求和100000次。
对数1以单精度方式求和,对数0.00001分别以单精度和双精度方式求和。
问题分析:单精度方式使用函数single(),双精度求和为matlab自动调整,不需要特别说明。
程序编写如下:运行结果:实验结果分析:不难看出,对于1进行单精度求和得到的结果和期望值一致,但是对0.00001进行单精度求和的结果却存在误差,对0.00001进行双进度求和,误差得到减小。
这是由于量化误差造成的,0.00001在计算机中并不能准确表示,只能对其进行量化处理,得到一个和真值有一点区别的量化值,小量计算中可以忽略,但在计算了100000后误差积累,导致了最后的结果误差较大。
双精度的情况下,该误差小得多。
当x=0.1时,从1x -开始,然后每次加入一项来分别计算。
在每加入一个新项后,计算近似百分比相对误差,直到近似误差估计值的绝对值小于与五位有效数字一致的误差准则时停止计算。
问题分析:本例中,要保证5位有效数字,因此容限误差为:256s (0.510)%510--ε=⨯=⨯近似百分比误差为: -100%a ε=⨯当前近似值前一近似值当前近似值真误差为:-100%ε=⨯真值近似值真值跳出循环的标准为:a |s |ε<ε程序编写如下:运行结果如下:3实验结果分析:实验结果表明,当计算到第6次时,近似误差就已经小于了容限值,循环结束。
随着添加多的项数,实际误差和近似误差都减小了,说明了计算精度在逐步提高。
我们可以通过改的值来调节所需要的计算精度。
变s。
数值计算方法复习(40学时)第一章 误差1、了解误差的概念,来源:模型误差、观测误差、截断误差、舍入误差;2、掌握绝对误差、相对误差与有效数字;3、知道数值运算中误差传播的规律及应注意的问题。
例1:问142.3,141.3,7/22分别作为π的近似值各具有几位有效数字?例2:设计算球体体积允许其相对误差限为1%,问测量球半径的相对误差限最大为多少? 例3:1)经过四舍五入得出1025.61=x ,115.802=x 。
试问它们分别具有几位有效数字? 2)求21x x +的绝对误差限。
3)若64.3587=*x 是x 的具有六位有效数字的近似值,求x 的绝对误差限. 第二章 插值法1、 了解插值问题的提法,差商与差分的概念与求法;2、 掌握Lagrange 插值多项式与Newton 插制多项式的求法;3、 了解分段低次插值,样条插值;4、 了解数值微分。
例1:已知10100=,11121=,12144=,用抛物线插值求115的近似值,并 估计误差。
例2:设4)(x x f =,试利用拉格朗日插值余项定理写出以2,1,0,1-为插值节点的三次 插值多项式。
例3:已知1234)(248+++=x x x x f ,求]2,,2,2[81f . 例4:已知x x f sin )(=的数值表如下,试写出三阶(向前)差分表.例5:已知5,3,2,0=x 对应的函数值为5,2,3,1=y ,做三次Newton 插值多项式. 如再增加6=x 时的函数值为6,作四次Newton 插值多项式。
例6:判断函数⎪⎩⎪⎨⎧≤≤-+<≤<≤-=21,)1(10,01,0)(233x x x x x x x f 是否为三次样条函数.第三章 曲线拟合了解最小二乘法的提法,掌握最小二乘法 例:用最小二乘法建立下表的经验公式第四章 矩阵的特征值与特征向量了解乘幂法与反幂法,雅可比方法;会求主特征值和相应的特征向量。
例:用幂法求矩阵⎪⎪⎭⎫⎝⎛=5423A 的主特征值和对应的特征向量. (取T v )1,1(0=,精度为0.1)第五章 数值积分1、 掌握构造数值积分公式的基本方法;2、 会求数值积分公式的代数精度3、了解Newton-Cotes 公式;复和求积公式,龙贝格算法。