数值计算方法的意义内容与方法精.ppt

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1、数值计算方法的意义内容与方法第1 页，本讲稿共32 页1 1 数值计算方法的意义、内容与方法软件的核心就是算法。20 世纪最伟大的科学技术发明-计算机 计算机是对人脑的模拟，它强化了人的思维智能；计算机是对人脑的模拟，它强化了人的思维智能；计算机的发展和应用，已不仅仅是一种科学技术计算机的发展和应用，已不仅仅是一种科学技术现象，而且成了一种政治、军事、经济和社会现象；现象，而且成了一种政治、军事、经济和社会现象；没有软件的支持，超级计算机只是一堆废铁而已；算法犹如乐谱，算法犹如乐谱，软件犹如软件犹如CD盘片，而硬件如同CD唱机。唱机。第2 页，本讲稿共32 页算法的研究和应用正是本课程的主题算

2、法的研究和应用正是本课程的主题！现代科学研究的三大支柱理论研究科学实验科学计算第3 页，本讲稿共32 页21世纪信息社会的两个主要特征：世纪信息社会的两个主要特征：“计算机无处不在计算机无处不在”“数学无处不在”2121世纪信息社会对科技人才的要求：-会会“用数学用数学”解决实际问题-会用计算机进行科学计算会用计算机进行科学计算第4 页，本讲稿共32 页科学计算解题过程第5 页，本讲稿共32 页一、计算数学的产生和早期发展计算数学是数学的一个古老的分支，虽然数学不仅仅是计算，但推动数学产生和发展的最直接原因还是计算问题 计算问题。二、二十世纪计算数学的发展数值代数 最优化计算 数值逼近 计算几

3、何 概率统计计算 蒙特卡罗方法 微分方程的数值解法 微分方程的反演问题 第6 页，本讲稿共32 页数值计算的主要内容数值代数：方程求根、线性方程组求解、特征值和特征向量的计算、非线性方程组的求解；数值逼近：插值、数值微分和积分、最小二乘法；微分方程数值解：常微分方程数值解；偏微分方程数值解：差分法 有限元法 有限体积法第7 页，本讲稿共32 页&教材 数值计算方法 徐涛 编著（吉林科学技术出版社）&参考书目 应用数值方法 使用MATLAB和C语言 Robert J.Schilling&Sandra L.Harris（机械工业出版社）Numerical Recipes in C+The Art

4、of Scientific Computing Second Edition William H.Press 等著（电子工业出版社）现代数值分析 李庆扬、易大义、王能超 编著（高等教育出版社）第8 页，本讲稿共32 页2 算 法一、算法的概念 描述算法可以有不同的方式。例如，可以用日常语言和数学语言加以叙述，也可以借助形式语言（算法语言）给出精确的说明，也可以用框图直观地显示算法的全貌。定义：由基本运算及运算顺序的规定所构成的完整的 解题步骤，称为算法算法。第9 页，本讲稿共32 页 例1：一群小兔一群鸡，两群合到一群里，要数腿共48，要数脑袋整17，多少小兔多少鸡？算术方法：若没有小兔，则鸡

5、应是17只总腿数：21734一只小兔增加 2条腿，应该有只小兔10只小鸡代数方法：设有x只小鸡，y只小兔，(-2)*(i)+(ii),得只小兔高斯消去法第10 页，本讲稿共32 页例：求解二元一次联立方程组用行列式解法：首先判别（1）如果，则令计算机计算 输出计算的结果x1，x2。（2）如果D=0，则或是无解，或有无穷多组解。是否为零，存在两种可能：第1 1 页，本讲稿共32 页令通过求解过程，可以总结出算法步骤如下：S2 计算S3 如果则输出原方程无解或有无穷多组解的信息;否则S1 输入S4 输出计算的结果第12 页，本讲稿共32 页输入 D=a11a22-a12a21D=0开始输出 x1,

6、x2 结 束 No输出无解信息Yes第13 页，本讲稿共32 页二、算法的优劣 计算量小 存贮量少 逻辑结构简单例：用行列式解法求解线性方程组:n阶方程组，要计算n+1个n阶行列式的值，总共需要做n!(n-1)(n+1)次乘法运算。n=20 需要运算多少次？n=100?第14 页，本讲稿共32 页一、误差的背景介绍1.来源与分类 从实际问题中抽象出数学模型 模型误差3 数值计算中的误差例1:质量为m的物体，在重力作用下，自由下落，其下落距离s 与时间t 的关系是：（1.1）其中 g 为重力加速度。第15 页，本讲稿共32 页 通过测量得到模型中参数的值 观测误差 求近似解 方法误差(截断误差）

7、机器字长有限 舍入误差 用计算机、计算器和笔算，都只能用有限位小数来代替无穷小数或用位数较少的小数来代替位数较多的有限小数，如：=3.1415926 x=8.12345第16 页，本讲稿共32 页四舍五入后在数值计算方法中，主要研究截断误差截断误差和舍入误差舍入误差（包括初始数据的误差）对计算结果的影响！第17 页，本讲稿共32 页二、绝对误差、相对误差和有效数字1绝对误差与绝对误差限例 2:若用以厘米为最小刻度的尺去量桌子的长，大约为1.45米，求1.45米的绝对误差。1.45米的绝对误差=？不知道！定义1：设x是准确值，x*为x的一个近似值，称 是近似值x的绝对误差绝对误差,简称为误差误差。（1.5）第18 页，本讲稿共32 页但实际问题往往可以估计出 不超过某个正数，即，则称 为绝对误差限，有了绝对误差限就可以知道x范围为即x落在 内。在应用上，常常采用下列写法来刻划x*的精度。第19 页，本讲稿共32 页