计算方法各习题及参考答案
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第二章 数值分析 2.1 已知多项式432()1pxxxxx通过下列点: x -2 -1 0 1 2 3
()px 31 5 1 1 11 61
试构造一多项式()qx通过下列点: x -2 -1 0 1 2 3
()px 31 5 1 1 11 1
答案:54313()()()3122qxpxrxxxxx. 2.2 观测得到二次多项式2()px的值: x -2 -1 0 1 2
()px 3 1 1 6 15
表中2()px的某一个函数值有错误,试找出并校正它. 答案:函数值表中2(1)p错误,应有2(1)0p.
2.3 利用差分的性质证明22212(1)(21)/6nnnn. 2.4 当用等距节点的分段二次插值多项式在区间[1,1]近似函数xe时,使用多少个节点能够保证误差不超过61102. 答案:需要143个插值节点.
2.5 设被插值函数4()[,]fxCab,()3()hHx是()fx关于等距节点01naxxxb的分段三次艾尔米特插值多项式,步长bahn.试估计
()3||()()||hfxHx.
答案:()443||()()||384hMfxHxh.
第三章 函数逼近 3.1 求()sin,[0,0.1]fxxx在空间2{1,,}spanxx上最佳平方逼近多项式,并给出平方误差. 答案:()sinfxx的二次最佳平方逼近多项式为 -522sin()0.832 440 7101.000 999 10.024 985 1xpxxx,
二次最佳平方逼近的平方误差为 0.122-12
20
(sin)())0.989 310 710xpxdx.
3.2 确定参数,abc和,使得积分 21
22
121(,,)[1]1Iabcaxbxcxdxx
取最小值.
答案:810, 0, 33abc 3.3 求多项式432()251fxxxx在[1,1]上的3次最佳一致逼近多项式()px.
答案:()fx的最佳一致逼近多项式为323()74pxxx. 3.4 用幂级数缩合方法,求() (11)xfxex上的3次近似多项式6,3()px,并估计6,3||()()||fxpx. 答案:236,3()0.994 574 650.997 395 830.542 968 750.177 083 33pxxxx
,
6,3||()()||0.006 572 327 7fxpx
3.5 求() (11)xfxex上的关于权函数21()1xx的三次最佳平方逼近多项式3()Sx,并估计误差32||()()||fxSx和3||()()||fxSx. 答案:233()0.994 5710.997 3080.542 9910.177 347Sxxxx, 32||()()||0.006 894 83fxSx,3||()()||0.006 442 575fxSx.
第四章 数值积分与数值微分
4.1 用梯形公式、辛浦生公式和柯特斯公式分别计算积分10 (1,2,3,4)nxdxn,并与精确值比较. 答案:计算结果如下表所示
()fx x 2x 3x 4x
1I 0. 5 0. 500 000 0. 500 000 0. 500 000 2I 0. 5 0. 333 333 0. 250 000 0. 208 333
3I 0. 5 0. 333 333 0. 250 000 0. 200 000
精确值 0. 5 0. 333 333 0. 250 000 0. 200 000
4.2 确定下列求积公式中的待定参数,使得求积公式的代数精度尽量高,并指明所确定的求积公式具有的代数精度.
(1)101()()(0)()hhfxdxAfhAfAfh
(2)11211()[(1)2()3()]3fxdxffxfx (3)20()[(0)()][(0)()]2hhfxdxffhhffh 答案:(1)具有三次代数精确度(2)具有二次代数精确度(3)具有三次代数精确度.
4.3 设10hxx,确定求积公式 1023
00101()()[()()][()()][]xxxxfxdxhAfxBfxhCfxDfxRf
中的待定参数,,,ABCD,使得该求积公式的代数精确度尽量高,并给出余项表达式. 答案:3711,,,20203020ABCD,(4)6()[]1440fRfh,其中01(,)xx.
4.4 设2()Px是以0,,2hh为插值点的()fx的二次插值多项式,用2()Px导出计算积分30()hIfxdx的数值积分公式hI,并用台劳展开法证明:453(0)()8hIIhfOh.
答案:3203()[(0)3(2)]4hhIpxdxhffh.
4.5 给定积分10sinxIdxx (1)运用复化梯形公式计算上述积分值,使其截断误差不超过31102. (2)取同样的求积节点,改用复化辛浦生公式计算时,截断误差是多少? (3)要求的截断误差不超过610,若用复化辛浦生公式,应取多少个节点处的函数值? 答案:(1)只需7.5n,取9个节点,0.946I
(2)4(4)46111|[]||()|()0.271102880288045nbaRfhf (3)取7个节点处的函数值.
4.6 用变步长的复化梯形公式和变步长的复化辛浦生公式计算积分10sinxIdxx.要求用事后误差估计法时,截断误不超过31102和61102. 答案:使用复化梯形公式时,80.946IT满足精度要求;使用复化辛浦生公式时,40.946 083Is满足精度要求.
4.7(1)利用埃尔米特插值公式推导带有导数值的求积公式4 / 10
2()()[()()][()()][]212bababafxdxfafbfbfaRf
,
其中余项为 5(4)()[](), (,)4!30baRffab. (2)利用上述公式推导带修正项的复化梯形求积公式
020()[()()]12NxNNx
hfxdxTfxfx,
其中 0121[()2()2()2()()]2NNNhTfxfxfxfxfx, 而 00, (0,1,2,,), iNxxihiNNhxx.
4.8 用龙贝格方法计算椭圆2214xy的周长,使结果具有五位有效数字. 答案:49.6884lI. 4.9 确定高斯型求积公式100110()()()xfxdxAfxAfx的节点0x,1x及系数0A,
1A.
答案:00.289 949x,10.821 162x,00.277 556A,10.389 111A.
4.10 验证高斯型求积公式00110()()()xefxdxAfxAfx的系数及节点分别为 00012121, , 22, 222222AAxx.
第五章 解线性方程组的直接法 5.1 用按列选主元的高斯-若当消去法求矩阵A的逆矩阵,其中111210110A.
答案: 1110331203321133A 5.2 用矩阵的直接三角分解法解方程组 1234
102050101312431701037
xxxx
答案: 42x,32x,21x,11x. 5.3 用平方根法(Cholesky分解法)求解方程组 123
411614.252.750.512.753.51.25xxx
答案: 12x,21x,31x.
5.4 用追赶法求解三对角方程组 1234
21113121112210
xxxx
答案:42x,31x,21x,10x.
第六章 解线性代数方程组的迭代法 6.1 对方程1212123879897xxxxxxx作简单调整,使得用高斯-赛得尔迭代法求解时对任意初始向量都收敛,并取初始向量(0)[0 0 0]Tx,用该方法求近似解(1)kx,使(1)()3||||10kkxx.
答案:近似解为(4)[1.0000 1.0000 1.0000]Tx.
6.2 讨论松弛因子1.25时,用SOR方法求解方程组 1212323
43163420412xxxxxxx
的收敛性.若收敛,则取(0)[0 0 0]Tx迭代求解,使(1)()41||||102kkxx. 答案:方程组的近似解为*11.50001x,*23.33333x,*32.16667x. 6.3 给定线性方程组Axb,其中 111
22
1112211122A
,证明用雅可比迭代法解此方程组发散,而高斯-赛得尔迭代法收敛.