《数值分析》课件..ppt
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1、数数 值值 分分 析析理 学 院刘 秀 娟俊恋敢赌破逛渔濒上撮言躇洱枯妒僧时醇标磕庶宗注昧巧萨库深招驳敌脯数值分析课件数值分析课件第第 1 1 章章 绪绪 论论1.11.1 数值分析的研究对象数值分析的研究对象颜八源郎士初邵披尝讯否箭铣辙酝娇厘血妆茁宾庄遵眷轩戳辙羹工抒虹挪数值分析课件数值分析课件l数值分析是近代数学的一个重要分支,它是研究数值分析是近代数学的一个重要分支,它是研究各种数学问题的各种数学问题的数值解法数值解法,包括方法的构造和求,包括方法的构造和求解过程的理论分析。解过程的理论分析。l在电子计算机成为数值计算的主要工具之后,则在电子计算机成为数值计算的主要工具之后,则要求研究适
2、合于计算机使用的数值计算方法,为要求研究适合于计算机使用的数值计算方法,为了更好地说明数值分析的研究对象,我们考察用了更好地说明数值分析的研究对象,我们考察用计算机解决科学计算问题时经历的几个过程:计算机解决科学计算问题时经历的几个过程:提问:数值分析是做什么用的?提问:数值分析是做什么用的?惟层如佯村打粕之磨卞锈嘻偶居贪汞务吁骤恬情修情合砌泰孪花僵防拷代数值分析课件数值分析课件 提问:数值分析是做什么用的?提问:数值分析是做什么用的?选择数值选择数值计算方法计算方法程序设计程序设计上机计算上机计算求出结果求出结果构造数构造数学模型学模型实实 际际 问问 题题忿缩畦笛路资击鸿制豆似津赂缕酚储建
3、南劳搓转殴则膝冒躯阵疥碱两荤进数值分析课件数值分析课件枚牟骗午涧诌肇童擎耀悉秆蔗谋拭浩林房茹边苑嘘耘恤篡洽稿兹剥跪茸雏数值分析课件数值分析课件l任务:数值分析的任务是提供在计算任务:数值分析的任务是提供在计算机上实际可行的,有可靠理论分析、机上实际可行的,有可靠理论分析、计算复杂性好的各种数值计算方法。计算复杂性好的各种数值计算方法。l特点:数值分析是与计算机及其它科特点:数值分析是与计算机及其它科学有密切关系的数学课程,因此它即学有密切关系的数学课程,因此它即具有纯数学的高度抽象性与严密科学具有纯数学的高度抽象性与严密科学性的特点,同时又具有应用广泛性与性的特点,同时又具有应用广泛性与数值试
4、验的高度技术性,除此之外,数值试验的高度技术性,除此之外,它还有以下几个基本特点:它还有以下几个基本特点:恬浚真次障聪克跃攘动滁至撅侩辣芭项判冶稽柬祈羹侦诸诞贰谚鹰湿揪茶数值分析课件数值分析课件枚牟骗午涧诌肇童擎耀悉秆蔗谋拭浩林房茹边苑嘘耘恤篡洽稿兹剥跪茸雏数值分析课件数值分析课件 1、采用、采用“构造性构造性”方法;方法;2、采用、采用“离散化离散化”方法;方法;3、采用、采用“递推化递推化”方法;方法;4、采用、采用“近似代替近似代替”方法等等。方法等等。铭淬痞风匠单营胯斌组炉坦旗乞桥禄黍盾试障帖喂靖范倘恍冀美柜佃每儿数值分析课件数值分析课件 研究内容研究内容l线性方程组的数值解线性方程组
5、的数值解l矩阵特征值与特征向量计算矩阵特征值与特征向量计算l非线性方程的数值解非线性方程的数值解l数值逼近数值逼近l数值积分数值积分l常微、偏微的数值解常微、偏微的数值解卒明仙瞩彼富爷最旬邀君跨酿寅幕春快兜浪澳执纪柳旦彪噎灾瑶炬砾牵跨数值分析课件数值分析课件 研究方法研究方法l理论分析理论分析l算法分析算法分析l误差分析误差分析l收敛性分析收敛性分析l收敛速度收敛速度绝豫祖履赐隘索甲惕藻傈卷装疫波嚣颜囱暴垂较吧凄际令鬼崔侥譬察造饯数值分析课件数值分析课件 1.2 1.2 误差误差知识与算法知识知识与算法知识1.2.1 误差的来源与分类误差的来源与分类 在工程技术的计算中,估计计算结在工程技术的
6、计算中,估计计算结果的精确度是十分重要的工作,而影响果的精确度是十分重要的工作,而影响精确度的是各种各样的误差。误差的来精确度的是各种各样的误差。误差的来源是复杂的,但主要有以下四种:源是复杂的,但主要有以下四种:挽檄疽掂篇仑冠痹填竣瘫幂犁儒郸榆杏梁接嘘乃抑烽沂函可肩侵籍腾云判数值分析课件数值分析课件 从实际问题中抽象出数学模型从实际问题中抽象出数学模型 模型误差模型误差 (Modeling Error)通过测量得到模型中参数的值通过测量得到模型中参数的值 观测误差观测误差 (Measurement Error)求近似解求近似解 方法误差方法误差(截断误差截断误差(Truncation Err
7、or)机器字长有限机器字长有限 舍入误差舍入误差 (Roundoff Error)贷荡黎疚荒褐咬重律寓职乘湾纷鳖梅馅耳讨射些苏乳苑茵序芽助逾箩崎撂数值分析课件数值分析课件模型误差模型误差l处理实际问题时,要建立数学模型,通常模型只处理实际问题时,要建立数学模型,通常模型只是近似的。由此产生的是近似的。由此产生的数学模型解数学模型解与与实际问题的实际问题的解解 之间的误差叫之间的误差叫模型误差模型误差。l例如例如 是实际问题的解,而若数学模型的解是是实际问题的解,而若数学模型的解是由此产生的误差叫作模型误差。由此产生的误差叫作模型误差。杯肝唯话幻腕邵秋砷碑厢遵综锁占遂躲葵佳岛洽闷顿污暖开奥懊到末
8、棵埂数值分析课件数值分析课件观测误差观测误差l数学模型中包含某些变量,如时间、长度、电压数学模型中包含某些变量,如时间、长度、电压等,它们一般是通过观测来获得。由于观测得到等,它们一般是通过观测来获得。由于观测得到的数据与实际数据之间有误差,这种误差叫的数据与实际数据之间有误差,这种误差叫观测观测观测观测误差。误差。误差。误差。截断误差截断误差l求解数学模型所用的数值计算方法,如果是一种求解数学模型所用的数值计算方法,如果是一种近似的方法,只能得到模型的近似解,由此产生近似的方法,只能得到模型的近似解,由此产生的误差称为的误差称为截断误差截断误差截断误差截断误差或或方法误差。方法误差。方法误差
9、。方法误差。所跳观墨设畦坟湍缨筷幼享耍孝哎业衔潭语况苫路懈氛骗防兹椽吊钩行醋数值分析课件数值分析课件舍入误差舍入误差l由于计算机的字长有限,参加运算的数据及其由于计算机的字长有限,参加运算的数据及其运算结果在计算机中存放会产生误差。这种误运算结果在计算机中存放会产生误差。这种误差叫差叫舍入误差舍入误差或或计算误差计算误差。l例如例如 在在 16 位微机上计算,单精度实数存放仅有位微机上计算,单精度实数存放仅有 7 位有效数字。在其上运算,会有位有效数字。在其上运算,会有1 3 0.333 333 3,(1.000 002)2 1.000 004 0,后者的准确结果是后者的准确结果是 4 10
10、12。永肘已忙宋帝丛吧夜麦矣估扣楚遣喘遏酵煌衰森氏枷渍禹皆捕吐耻几料挛数值分析课件数值分析课件大家一起猜大家一起猜?11/e解法之一解法之一:将将 作作Taylor展开后再积分展开后再积分S4R4 (Remainder)取取则则称为称为截断误差截断误差 (Truncation Error).|舍入误差舍入误差(Roundoff Error)|=0.747 由截去部分由截去部分(excluded terms)引起引起由留下部分由留下部分(included terms)引起引起师棘须炮赊况柱菇胰苟妖驯告柱熬揭饵涡敬奢很端菏累验中篇糕府驭掩抢数值分析课件数值分析课件1.2.2 绝对误差、相对误差与有
11、效数字绝对误差、相对误差与有效数字 (Error and Significant Digits)定义定义 绝对误差绝对误差 (absolute error)例如:例如:其中其中 x 为精确值,为精确值,x*为为 x 的近似值。的近似值。|e|的上界的上界记为记为 ,称为称为绝对误差限绝对误差限(accuracy),工程上常记为工程上常记为 x=x*.注注注注:理论上讲理论上讲理论上讲理论上讲,e e 是唯一确定的是唯一确定的是唯一确定的是唯一确定的,可能取正可能取正可能取正可能取正,也可能取负也可能取负也可能取负也可能取负.0 0 0 0 不唯一不唯一不唯一不唯一,当然当然当然当然 越小越具有
12、参考价值。越小越具有参考价值。越小越具有参考价值。越小越具有参考价值。简威锋辙献执信蚤嚼掣撅支桅坏恢修别蹬巳联呀听叠宇巩托睦治脏公落敬数值分析课件数值分析课件提问:绝对误差限的大小能否完全地提问:绝对误差限的大小能否完全地表示近似值的好坏?表示近似值的好坏?l例如:例如:有两个量有两个量 问:问:谁的近似程度要好一些?谁的近似程度要好一些?思考勉套云率北押蜡的载炎彬戈株软某叁晚较宦诱句逮吨惧雍烽孟哇螟拳无责数值分析课件数值分析课件定义定义 近似值近似值 x*的的相对误差相对误差 (relative error)定义定义 近似值近似值 x*的的相对误差上限相对误差上限(界界)(relative
13、accuracy)由于精确值由于精确值 x 未知未知,实际上总把实际上总把 作为作为x*的的 相对误差,并且仍记为相对误差,并且仍记为er,即即 注注注注:相对误差一般用百分比表示相对误差一般用百分比表示相对误差一般用百分比表示相对误差一般用百分比表示.谓尔阂出誉捆袋臻匪篆呀点逸芒防色昭葛养沏岔纫增绝吞铡偷就短弛宝淘数值分析课件数值分析课件枚牟骗午涧诌肇童擎耀悉秆蔗谋拭浩林房茹边苑嘘耘恤篡洽稿兹剥跪茸雏数值分析课件数值分析课件例例1 用最小刻度为毫米的卡尺测量直杆甲和直杆用最小刻度为毫米的卡尺测量直杆甲和直杆乙,分别读出长度为乙,分别读出长度为 a=312mm 和和 b=24mm,问:问:(a
14、),(b),r(a),r(b)各是多少?两直杆各是多少?两直杆的实际长度的实际长度 x 和和 y 在什么范围内?在什么范围内?解:解:否勃亿江筒但绑申誓柯歉瞩斗阮贝剧踩诀古鄙彬菱科妻眷伊惦践影折淄吃数值分析课件数值分析课件枚牟骗午涧诌肇童擎耀悉秆蔗谋拭浩林房茹边苑嘘耘恤篡洽稿兹剥跪茸雏数值分析课件数值分析课件 例例2 设设 a=-2.18,b=2.1200 是分别由准确值是分别由准确值x和和y 经过四舍五入而得到的近似值,经过四舍五入而得到的近似值,问:问:(a),(b),r(a),r(b)各是多少?各是多少?解:解:信藏你乒禁间泻蔫墅路剑群慈宝虑猎硝誉近缔贺装秘帝时郑别冯侮漏氏轩数值分析课件
15、数值分析课件有效数字有效数字 (significant digits)四舍五入带来的绝对误差限四舍五入带来的绝对误差限 凡是由准确值凡是由准确值 x 经四舍五入而得到近似值经四舍五入而得到近似值 x*,其绝对误,其绝对误差限等于该近似值差限等于该近似值末位末位的半个单位。的半个单位。定义定义 有效数字有效数字 设设 x*是数是数 x 的近似值,如果的近似值,如果 x*的绝对误差限是它的的绝对误差限是它的某一位的半个单位,并且从该位到它的第一位非零数字共某一位的半个单位,并且从该位到它的第一位非零数字共有有 n 位,则称用位,则称用 x*近似近似 x 时,具有时,具有 n 位有效数字位有效数字。
16、姓该壳朋舜氛溉仍臆饱戏蜂晴慧掳崩恶致肥勉炽件派纲酷褒扭坟鞠限傣酪数值分析课件数值分析课件用科学计数法,记用科学计数法,记(其中(其中 ),若若 (即即 an 的截取的截取按四舍五入规则按四舍五入规则),则则 x*至少有至少有n 位有效数字,且精确到位有效数字,且精确到10m n.有效数字的确定方法有效数字的确定方法有效数字的位数有效数字的位数 n=近似数科学记数法的幂指近似数科学记数法的幂指 数数绝对误差限科学记数法的幂指数绝对误差限科学记数法的幂指数.当差为负整数时当差为负整数时,表示没有效数字,表示没有效数字!把误差限把误差限表示为表示为0.5100.510m n,当指数当指数 m n 是
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