第一章作业

1.1 复习与思考题

1.1.3 三种误差

 

1.1.4 绝对误差、相对误差、有效数字

 

1.1.5 算法的稳定性

即计算过程中舍入误差不增长.

稳定性是计算方法引起的,而非数值问题自身固有.

 

1.1.6 问题的病态性

即输入数据的微小扰动引起输出数据相对误差很大的问题.

病态性是数值问题自身固有的,而非计算方法引起.

 

1.1.7 迭代法

 

1.1.8 以直代曲

同 1.1.7 迭代法.

 

1.1.9 松弛法

松弛法:a―=an+ω(an−an−1). 以复化求积公式为例,

 

1.10 无穷级数的和

一般来说,“大数吃小数”,最后稳定为常数.(除非软件可以自动调整精度)

 

1.11 一些命题

  1. √.

  2. ×,病态性是问题固有的.

  3. ×,只有良态问题才能通过稳定的算法得到较好的近似值.

  4. ×,还与初值有关.

  5. ×,还与初值有关.

  6. ×,可以通过其他方式避免有效数字的损失.

  7. ×,可能存在大数吃小数的问题.

 

1.2 习题

1.2.1 函数的绝对误差

备注 法二是法一的一般情况.


1.2.2 函数的相对误差

备注 法二是法一的一般情况.


1.2.3 数字的有效位数

  1. 5 位.

  2. 2 位.

  3. 4 位.

  4. 5 位.

  5. 2 位.


1.2.4 多元函数误差限

  1. 单变量的误差限

    1. ε(x1∗)=12×10−4.

    2. ε(x2∗)=12×10−3.

    3. ε(x3∗)=12×10−1.

    4. ε(x4∗)=12×10−3.

  2. 表达式的误差限

    1. ε(y1)=1.05×10−4≈12×10−3.

    2. ε(y2)≈|x1∗x2∗x3∗|(ε(x1∗)x1∗+ε(x2∗)x2∗+ε(x3∗)x3∗)≈0.21479≈12×10−1.

    3. ε(y3)≈|x2∗|ε(x4∗)+|x4∗|ε(x2∗)|x4∗|2≈0.8865×10−5≈12×10−4.


1.2.5 函数相对误差限

V=43πR3,Cp=|R⋅4πR243πR3|=3.

εr(R∗)=1Cp=0.33%.


1.2.6 递推公式的误差

Yn=Y0−n100783,

Y100∗=Y0−783=0.018,

ε(Y100∗)=12×10−3.


1.2.7 按有效数字求解

x1,2=28±783,

x1∗=28+783≈55.982,舍入误差 ε(x1∗)=12×10−3,故具有 5 位有效数字.

x2∗=128+783≈0.017863,舍入误差 ε(x2∗)=0.160×10−6,故具有 5 位有效数字.

备注


1.2.8 舍入误差的减少

对于 f(x)=ln⁡x,Cp=|xf′(x)f(x)|=|1ln⁡x|,

故 x≈y 时 C0 充分大,是病态问题,这样做不能减少相对误差,但是可以减少绝对误差.


1.2.9 函数误差的控制

S=a2,ε(S∗)=2a∗ε(a∗),

ε(a∗)≤ε(S∗)2a∗≈12×10−2.


1.2.10 误差的变化趋势

ε(S∗)=gt∗ε(t∗),故 t 增加时 S 的绝对误差增加.

Cp=2,εr(S∗)=2εr(t∗)=2ε(t)t,故 t 增加时 S 的相对误差减小.


1.2.11 算法数值稳定性

ε(yn∗)=10ε(yn−1∗),故 ε(y10∗)=1010×12×10−2=12×108,

舍入误差逐渐增大,故计算过程不稳定.


1.2.12 计算方法的优劣

  1. ε(f1∗)=0.013ε(x∗).

  2. ε(f2∗)=0.24ε(x∗).

  3. ε(f3∗)=0.0053ε(x∗).

  4. ε(f4∗)=70ε(x∗).

故第三种方法好.


1.2.13 绝对误差的减小

  1. 有效位数为 6 位函数表中,302−1≈29.9833.

  2. ε(f1∗)=12×10−430−899=0.00299(≈12×10−2).

  3. ε(f2∗)=0.834×10−6.

故第二种方法误差较小.

备注 虽然习惯上将误差限表示为 12×10−n,但是这样不利于理论推导,而仅仅在实践应用上方便.


1.2.14 秦九韶算法求值

p(x)=((3x2−2)x2+1)x+7,p(3)=685.

代码略.


1.2.15 迭代法求方程根

由计算机得 x5=813=0.615385,误差为 0.00265,故有两位有效数字.


1.2.16 复化求积松弛法

  1. f∗=e12−1≈0.648721.

  2. f∗=e0+2e1/4+e1/28≈0.652096.

  3. T1=e0+e1/24=0.662180,

    T2=0.652096.

    S1=43T2−13T1=0.648735.


1.2.17 迭代公式的改善

由计算机得 x3=0.618035,误差为 9.55×10−7,故有 5 位有效数字,已经比 15 题计算 5 次的精度高许多了.