计算方法配套精品完整课件3.ppt
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1、数 学 系 University of Science and Technology of China DEPARTMENT OF MATHEMATICS 计算方法配套精品完整课件计算方法配套精品完整课件3 数 学 系 University of Science and Technology of China DEPARTMENT OF MATHEMATICS 计算方法(B) 数 学 系 University of Science and Technology of China DEPARTMENT OF MATHEMATICS 第0章 绪论 l计算方法的作用 l计算方法的内容 l误差 l一些
2、例子 数 学 系 University of Science and Technology of China DEPARTMENT OF MATHEMATICS 现实中,具体的科学、工程问题的解决: 实际问题实际问题 物理模型物理模型 数学模型数学模型 数值方法数值方法 计算机求结果计算机求结果 计算方法是一种研究并解决数 学问题的数值近似解近似解方法 数 学 系 University of Science and Technology of China DEPARTMENT OF MATHEMATICS 数值数值 分析分析 输入复杂问题或运算输入复杂问题或运算 .),(,)( ,ln, xf
3、 dx d dxxf bxAxax b a x 计算机计算机 近似解近似解 数 学 系 University of Science and Technology of China DEPARTMENT OF MATHEMATICS 计算方法的特性 l 理论性:数学基础 l 实践性 计算方法连接了模型到结果的重要环节 随着计算机的飞速发展,数值分析方法已深入到计算 物理、计算力学、计算化学、计算生物学、计算经济学等 各个领域。本课仅限介绍最常用的数学模型的最基本的数 值分析方法。 数 学 系 University of Science and Technology of China DEPART
4、MENT OF MATHEMATICS 学习的目的、要求 l会套用、修改、创建公式 l编制程序完成计算 课程评分方法课程评分方法 (Grading Policies) 总分总分 (100) = 平时作业平时作业(20)+上机作业上机作业(10)+期末期末 (70) 数 学 系 University of Science and Technology of China DEPARTMENT OF MATHEMATICS 3、以E-Mail形式交: E-Mail: 主题 : PB05023001 内容 : 一次作业一个附件,并在内容中写出运行结果 u上机作业要求 1、编程可以用任何语言; (C,C
5、+,Matlab,Mathematica,Delphi,Fortran,等)不允许 使用内置函数完成主要功能 2、结果输出要求小数点后至少13位 数 学 系 University of Science and Technology of China DEPARTMENT OF MATHEMATICS 内容 2、数值代数线性代数的数值求解,如解线性方程组、数值代数线性代数的数值求解,如解线性方程组、 逆矩阵、特征值、特征向量逆矩阵、特征值、特征向量 3、微分方程常微分,、微分方程常微分,Runge-Kutta法、积分法法、积分法 1、数值逼近数学分析中的数值求解,如微分、积分、数值逼近数学分析中
6、的数值求解,如微分、积分、 b a aFbFdxxf)()()( DDxbAx ii / 20 107 . 9 ,20n 100亿/秒,算3,000年,而Gauss消元法2660次 数 学 系 University of Science and Technology of China DEPARTMENT OF MATHEMATICS 误差 l 绝对误差 设 * x 为精确值,x为近似值,xxe * 为误差或绝对误差 例如:) 1ln()(xxf作Taylor展开, 10 , )1)(1( ) 1() 1( 1 1 1 1 n nn i n i i xn x x i 舍弃,即为误差 数 学 系
7、 University of Science and Technology of China DEPARTMENT OF MATHEMATICS l相对误差 * * * x xx x e e r 称为相对误差 150分满考139,100分满考90,两者的绝对误差分别 为11和10,优劣如何? 前者相对误差(150139)/150=0.073, 后者相对误差(100-90)/100=0.100 数 学 系 University of Science and Technology of China DEPARTMENT OF MATHEMATICS 误差来源 l原始误差模型误差(忽略次要因素, 如
8、空气阻力)物理模型,数学模型 l方法误差截断误差(算法本身引起) l计算误差舍入误差(计算机表示数据 引起) 数 学 系 University of Science and Technology of China DEPARTMENT OF MATHEMATICS 误差的运算 yx eeyxyx)()( * 1、 * yx ee yx 两相近数相减,相 对误差增大 |)e|e|(|y| |,xmax| )()()()( yx * * * yx exye xxyyyxyxyx2、 数 学 系 University of Science and Technology of China DEPART
9、MENT OF MATHEMATICS 例子例子 求根012000 2 xx 005. 0 2 420002000 2 2 2, 1 xx 0050005. 0 1 2 420002000 2 1 2 2 1 x x x x 数 学 系 University of Science and Technology of China DEPARTMENT OF MATHEMATICS * * * * * * * * )()( yy yeex yy xxyyyx yy xyyx y x y x xy 3、 小数作除数,绝 对误差增大 误差的运算 数 学 系 University of Science
10、and Technology of China DEPARTMENT OF MATHEMATICS 有效位数 l当x的误差限为某一位的半个单位,则这 一位到第一个非零位的位数称位x的有效 位数。 有效位的多少直接影响到近似值的绝对误差和相对误差 数 学 系 University of Science and Technology of China DEPARTMENT OF MATHEMATICS 一些例子 dx x x I n n 1 0 5 1、 n dxxdx x xx II n nn nn 1 5 5 5 1 0 1 1 0 1 1 则,我们有 构造方法如下: 5 6 ln , 5 1
11、 01 II n I nn n I 1. 019.0 , 1 5 1 81 II n I nn n I 2. 数 学 系 University of Science and Technology of China DEPARTMENT OF MATHEMATICS n 00.1820.1820.182 10.0880.0900.088 20.0580.0500.058 30.04310.0830.0431 40.0343-0.1650.0343 50.02841.0250.0284 60.024-4.9580.024 70.02124.9330.021 80.019-124.5400.019
12、n I n I n I 数 学 系 University of Science and Technology of China DEPARTMENT OF MATHEMATICS 原因:对格式1,如果前一步有误差, 则被放大5倍加到这一步 称为不稳定 格式 稳定格式,对舍入误差有抑制作用 在我们今后的讨论中,在我们今后的讨论中,误差误差将不可回避,将不可回避, 算法的算法的稳定性稳定性会是一个非常重要的话题。会是一个非常重要的话题。 数 学 系 University of Science and Technology of China DEPARTMENT OF MATHEMATICS 0 1
13、 yax ayx 2、 有时候,模型本身就是病态 (系数引入小变化,解产生大变化) 25.50 99. 0 xa 81.55 991. 0 xa 数 学 系 University of Science and Technology of China DEPARTMENT OF MATHEMATICS 例:例:蝴蝶效应蝴蝶效应 纽约的一只蝴蝶翅膀一拍,风和日丽的北纽约的一只蝴蝶翅膀一拍,风和日丽的北 京就刮起台风来了?!京就刮起台风来了?! NYBJ 以上是一个以上是一个病态问题病态问题 / /* * ill-posed problem ill-posed problem* */ / 关于本身是
14、病态的问题,我们还是留给数学家去头痛吧!关于本身是病态的问题,我们还是留给数学家去头痛吧! 数 学 系 University of Science and Technology of China DEPARTMENT OF MATHEMATICS Lab 01. 级数计算级数计算Hamming (1962) x取值取值, x = 0.0, 0.1,1.0 ; 10.0,20.0,300.00. 绝对误差小于绝对误差小于 1.0e-6. 输出输出 两列输出:两列输出: x 和和 (x) 如如 C fprintf: fprintf(outfile,%6.2f%16.12fn,x,psix);/*
15、hererepresentsaspace*/ 1 )( 1 )( k xkk x 数 学 系 University of Science and Technology of China DEPARTMENT OF MATHEMATICS SampleOutput(representsaspace) 0.001.644934066848 0.101.534607244904 . 1.001.000000000000 10.000.000000000000 . 300.000.020942212934 数 学 系 University of Science and Technology of Ch
16、ina DEPARTMENT OF MATHEMATICS H.W. 给出计算如下式子的方法,以达到相当的精度 nn axaxf)()() 1 ( axaxfsin)sin()()2( axxxf 2 )()3( 其中,()、()中x接近,()中xa 数 学 系 University of Science and Technology of China DEPARTMENT OF MATHEMATICS 一些基本数学定理 介值定理 若f(x)在a,b上连续,则任意g在f(a)与f(b)之间,都存在 , ca b使 f(c)= g 若f(x)在a,b上连续,x1,xn为a,b内的点, g1,gn
17、为 同号的实数,则存在 使 , a b 11 ( )( ) nn iii ii f x gfg 数 学 系 University of Science and Technology of China DEPARTMENT OF MATHEMATICS 积分均值定理 数 学 系 University of Science and Technology of China DEPARTMENT OF MATHEMATICS Taylor展开 数 学 系 University of Science and Technology of China DEPARTMENT OF MATHEMATICS 第1
18、章 插 值 实际中,f(x)多样,复杂,通常只能观测到一些离散数据; 或者f(x)过于复杂而难以运算。这时我们要用近似函数g(x)来 逼近f(x)。 自然地,希望g(x)通过所有的离散点 l 概念 x0 x1x2x3x4x g(x) f(x) 数 学 系 University of Science and Technology of China DEPARTMENT OF MATHEMATICS 定义: 为定义在区间 上的函数, 为区间上n+1个互不 相同的点, 为给定的某一函数类。求 上的函数 满足 )(xf ba, 0 n i i x )(xg nixfxg ii , 0 , )()( 问
19、题 l是否存在唯一 l如何构造 l误差估计 数 学 系 University of Science and Technology of China DEPARTMENT OF MATHEMATICS 00 00 ( )( )( ) ()()()() nn iiinni g xaxax g xfxaxax 设 则 00011000 00111111 0011 ()()()() ()()()() ()()()() nn nn nnnnnn axaxaxf x axaxaxf x axaxaxf x 所以 有解,当且仅当系数行列式不为系数行列式不为0 0 n ii a 数 学 系 Universit
20、y of Science and Technology of China DEPARTMENT OF MATHEMATICS 存在唯一定理 定理1.1 : 为n1个节点, n+1维空间,则插值函数存在唯一,当且仅当 0 n i i x , 10n span 0 )()( )()( 0 000 nnn n xx xx 数 学 系 University of Science and Technology of China DEPARTMENT OF MATHEMATICS 1. 与基函数无关 2. 与原函数f(x)无关 3. 基函数个数与点个数相同 特点:特点: 数 学 系 University
21、of Science and Technology of China DEPARTMENT OF MATHEMATICS , 1)( 2nn xxxspanx对应于对应于 则则 0 1 1 0 0 nij ji n n n xx x x Vandermonde行列式 数 学 系 University of Science and Technology of China DEPARTMENT OF MATHEMATICS 多项式插值的Lagrange型 l 如何找? 在基函数上下功夫,取基函数为 nn ii xl 0 )( 要求 ji ji xl ijji , 1 ,0 )( 则 )()()(
22、0 i n i i xfxlxg 数 学 系 University of Science and Technology of China DEPARTMENT OF MATHEMATICS 求 n ii xl 0 )( ,易知: )()()()( 110niiii xxxxxxxxaxl )()()( 1 110niiiiii i xxxxxxxx a 011 011 ()()()() ()()()() iin i iiiiiin xxxxxxxx l xxxxxxxx 0 ()() n ni i xxx 记 () () ()() n i nii x lx xxx 数 学 系 Universi
23、ty of Science and Technology of China DEPARTMENT OF MATHEMATICS l线性插值 01 0 1 10 1 0 )( , )( xx xx xl xx xx xl )()()()()( 11001 xlxfxlxfxL 数 学 系 University of Science and Technology of China DEPARTMENT OF MATHEMATICS l二次插值 12 0 0102 ()() ( ) ()() xxxx lx xxxx 2001122 ( )() ( )() ( )() ( )L xf x lxf x
24、 l xf x lx 02 1 1012 ()() ( ) ()() xxxx l x xxxx 01 2 2021 ()() ( ) ()() xxxx lx xxxx 数 学 系 University of Science and Technology of China DEPARTMENT OF MATHEMATICS )3 , 3(),1 , 2(),0 , 0(),2 , 1( 例: )31)(21)(01( )3)(2)(0( )( 0 xxx xl )23)(03)(13( )2)(0)(1( )( 3 xxx xl )32)(02)(12( )3)(0)(1( )( 2 xxx
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