计算方法习题第二章答案

发布 2022-07-15 14:43:28 阅读 9567

5 计算,视已知数为精确值,用4位浮点数计算。

解 0.131 8×10-2-0.131 6×10-2=0.2×10-5

结果只有一位有效数字,有效数字大量损失,造成相对误差的扩大,若通分后再计算:

就得到4位有效数字的结果。

此例说明,在数值计算中,要特别注意两相近数作减法运算时,有效数字常会严重损失,遇到这种情况,一般采取两种办法:第一,应多留几位有效数字;第二,将算式恒等变形,然后再进行计算。例如,当x接近于0,计算时,应先把算式变形为。

再计算。又例如,当x充分大时,应作变换。

6 计算,取,采用下列算式计算:

问哪一个得到的结果最好?

解显然。所以(1)≡(2)≡(3)≡(4),这4个算式是恒等的,但当取计算时,因为(2),(3)都涉及到两个相近数相减,使有效数字损失,而(1)在分母算式上的乘幂数比算式(4)大,所以算式(4)最好,事实上,当取时,有|△x|<0.015,再由的误差也可直接估计出每个算式的误差,显然,算式(4)误差最小。

具体计算可行:

比较可得用第(4)个算式所得的结果更接近于a。

7 求二次方程x2-(109+1)x+109=0的根。

解由于x2-(109+1)x+109=(x-109)(x-1),所以方程的两个根分别为。

x1=109,x2=1

但如果应用一般二次方程ax2+bx+c=0的求根公式:

由于当遇到b2>>4|ac|的情形时,有,则用上述公式求出的两个根中,总有一个因用了两个相近的近似数相减而严重不可靠,如本例若在能将规格化的数表示到小数点后8位的计算机上进行计算,则-b=109+1=0.1×1010+0.000 000 0001×1010,由于第二项最后两位数“01”在机器上表示不出来,故它在上式的计算中不起作用,即在计算机运算时,-b=109.

通过类似的分析可得。

所以,求得的两个根分别为。

显然,根x2是严重失真的。

为了求得可靠的结果,可以利用根与系数的关系式:,在计算机上采用如下公式:

其中,sgn(b)是b的符号函数,当b≥0时sgn(b)=1;当b<0时,sgn(b)=-1。显然,上述求根公式避免了相近数相减的可能性。

8 当n充分大时,如何计算。

分析函数的原函数已知,我们自然考虑用newton-leibniz公式求这个定积分的值。由于n很大,这样会遇到两个相近的数相减,因此,应采用一些变换公式来避免这种情况。

解若用定积分的newton-leibniz公式计算此题,有,则当n充分大时,因为arctan(n+1)和arctann非常接近,两者相减会使有效数字严重损失,从而影响计算结果的精度,这在数值计算中是要尽量避免的,但是通过变换计算公式,例如:令tanθ1=n+1, tanθ2=n,则由,得。

就可以避免两相近数相减引起的有效数字损失,从而得到较精确的结果。所以,当n充分大时,用计算积分的值较好。

9 计算积分。

分析数值计算中应采用数值稳定的算法,因此在建立算法时,应首先考虑它的稳定性。

解利用分部积分法,有。

得递推公式:

利用公式(1)计算in,由于初值i0有误差,不妨设求i0的近似值时有大小为ε的误差,即。

则由递推公式(1)得。

显然初始数据的误差ε是按n!的倍数增长的,误差传播得快,例如当n=10时,10!≈3.

629×106,,这表明i10时已把初始误差ε扩大了很多倍,从而的误差已把i10的真值淹没掉了,计算结果完全失真。

但如果递推公式(1)改成。

于是,在从后往前计算时,in的误差减少为原来的,所以,若取n足够大,误并逐步减小,显然,计算的结果是可靠的。所以,在构造或选择一种算法时,必须考虑到它的数值稳定性问题,数值不稳定的算法是不能使用的。

10 为了使计算。

的乘除法运算次数尽量地少,应将表达式改写为怎样的形式?

解设。在数值计算中,应注意简化运算步骤,减少运算次数,使计算量尽可能小。

11若x*=3587.64是x的具有六位有效数字的近似值,求x的绝对误差限。

12为使的近似值的相对误差小于0.1,问查开方表时,要取几位有效数字?

13利用四位数学用表求x=1-cos2°的近似值,采用下面等式计算:

1)1-cos2°

2)2sin21°

问哪一个结果较好?

14求方程x2-56x+1=0的两个根,使它至少具有四位有效数字(已知)。

15数列满足递推公式。

若取(三位有效数字),问按上述递推公式,从x0计算到x10时误差有多大?这个计算过程稳定吗?

16如果近似值的相对误差限小于,证明:这个数具有n位有效数字。

第二章插值法与数值微分。

1 已知,试利用插值法近似计算。

分析由题中已知条件本题可利用三点二次lagrange插值,也可利用三点二次newton插值,它们所得结果相同。

解利用三点二次lagrange插值。

记,则的二次lagrange插值多项式为。

因为,所以。

2 已知的函数表。

求函数在[0,2]之间的零点的近似值。

分析一般情况下,先求出在[0,2]上的插值函数,然后求的零点,把此零点作为的近似零点。特别地,若的反函数存在,记为,那么求的零点问题就变成求函数值的问题了,利用插值法构造出的插值函数,从而求出的零点的近似值,这类问题称为反插值问题,利用反插值时,必须注意反插值条件,即函数必须有反函数,也即要求单调。本题是严格单调下降排列,可利用反插值法。

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