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文档简介

1、第二章2.当x1,1,2时,f(x)数值分析0,3,4,求f(x)的二次插值多项式。解:x1,x11,x22,f(x°)0,f(x,3,f(x2)4;l0(x)(xx1)(xx2)1(x1)(x2)(x0X)(x。x2)2'八),/、(xx0)(xx2)1,l1(x)-2(x1)(x2)1(X%)3x2)6"x)J-x0)(xx1)、1(x1)(x1)(x2x0)(x2X)3则二次拉格朗日插值多项式为2L2(x)yJk(x)k0) o31)2411-2(X 1(X4 一 3)1 (X16.设Xj,j0,1,L,n为互异节点,求证:n(1)x:"(x)xk(

2、k0,1,L,n);j0n(Xjx)klj(x)0(k0,1,L,n);j0证明(1)令f(x)xkn若插值节点为xj,j0,1,L,n,则函数f(x)的n次插值多项式为Ln(x)x:"(x)。j0插值余项为Rn(x)f(x) Ln(x)f(n1)()(n 1)!n 1(x)又Qkn,f(n1)()0R(x)0nxklj(x)xk(k0,1,L,n);j0n(xjx)klj(x)j0nn(C:xj(x)ki)lj(x)j0i0nn_ikiiCk(x)(xjlj(x)i0j0又Q0in由上题结论可知nxklj(x)xij0n原式Ck(x)kixii0(xx)k0得证。7设f(x)C2a

3、,b且f(a)f(b)0,求证:maxf(x)axb8(ba)2maxf(x).axb解:令x0a,x1b,以此为插值节点,则线性插值多项式为x为xx0Li(x)f(x°)一2f(x1)0x0x1xx0xbxa=f(a)f(b)abxa又Qf(a)f(b)0L1(x)01-插值余项为R(x)f(x)L1(x)3f(x)(xx0)(xx1)1.f(x)2f(x)(x%)(xx1)又Q(x%)(xXi)2(X 4(X1 4(bXo)Xo)2a)2(XiX)max a x bf(x)8(ba)2 max f (x)7 a x b ' '8.在 4 x4上给出f(x) ex的

4、等距节点函数表,若用二次插值求ex的近似值,要使截断误差不超过10 6,问使用函数表的步长 h应取多少?4yn (E 1)4yn解:若插值节点为Xi1,Xi和Xi1,则分段二次插值多项式的插值余项为-,、1R(x)f()(xXi1)(xx)(xXi1)3!R2(X)1/、(-(X Xi i)(X6x)(x Xi i) max f (x)设步长为h,即 Xi 1Xih,X 1 X hR2(x)1e4 -2-h363,3 e4h3. 27若截断误差不超过106,R2(x)10634,36eh1027h0.0065.9.若 yn2n,求 4yn及4yn.,解:根据向前差分算子和中心差分算子的定义进行

5、求解。nyn24(j04(j04(j01)j1)j1)j(21)4VnE4jyny,24ynyn2n1E 2)4yn14yn(E21(E2)4(E1)4%4VnVn2n16.f(x)3x1,求F20,21,L,27及F20,21,L,28解:Qf(x)x43x1右xi2i,i0,1,L,8Xo,Xi,Lf(n)()n!19xo,xi,L,x7x0,x1,L,%f()7!f(8)()8!次数不7!一17!高于4次的多项式P(x),使它满足P(0)P(0)0,P(1)P(1)0,P(2)解法一:利用埃米尔特插值可得到次数不高于4的多项式x0,xi1Vo0,y11m00m111%(x)yjj(x)m

6、jj(x)j0j00(x)(12±)(土)2X0X1X0X12(12x)(x1)21(x)(12±)(上)2X1X0X1X02(32x)x22o(x)X(X1)21(x)(X1)x3 c 2x 2x_22H3(x)(32x)x(x1)x设 P(x) H3(x) A(x x0)2(xX1)2其中,A为待定常数Q P(2) 1P(x)X3 2x2 Ax2(x 1)2从而P(x)1221X2(X3)24解法二:采用牛顿插值,作均差表:Xif(Xi)一阶均差二阶均差00111210-1/2p(x)p(Xo)(xXo)fXo,Xi(xXo)(XXi)fXo,Xi,X2(ABx)(xx

7、(x1)(又由p(0)p(x)所以0,p(1)2X1,得x0)(xx1)(xX2)1/2)(ABx)x(x1)(x2)301一,B,44(X3)2.第四章1.确定下列求积公式中的特定参数,使其代数精度尽量高,并指明所构造出的求积公式所具有的代数精度:hhf(x)dxAif(h)AofOAf(h);2h2hf(x)dxAif(h)Af(0)Af(h);11f(x)dxf(1)2f(xi)3f(x2)/3;h20f(x)dxhf(0)f(h)/2ah2f(0)f(h);解:求解求积公式的代数精度时,应根据代数精度的定义,即求积公式对于次数不超过式均能准确地成立,但对于m+1次多项式就不准确成立,进

8、行验证性求解。h(1)若hf(x)dxA1f(h)Aof(0)Af(h)令f(x)1,则2hA1A0Am的多项令f(x)x,则0A1hAh“o2.oo令f(x)x,则一hhA1hA3A03h1从而解得A-h3A11h3hh令f(x)x,则hf(x)dxhxdx0h故hf(x)dxA1f(h)A0f(0)Af(h)hh42Gf(x)dxxdx-hhh5,25A1f(h)A3f(0)A1f(h)-h3A1f(h)A0f(0)A/(h)成立。令f(x)x4故此时,f(x)dxAf(h)A0f(0)Af(h)f(x)dxA1f(h)A0f(0)A1f(h)h具有3次代数精度。2h(2)若f(x)dxA

9、1f(h)A0f(0)A1f(h)2h令f(x)1,贝U4hA1A0A令f(x)x,则0A1hAh令f(x)x2,则Th3h2Alh2A飞3h8从而解得A-h3A18h332h2h3令f(x)x,则f(x)dxxdx02h2h2h故2hf(x)dxA1f(h)A0f(0)Af(h)成立。/2h2h/64;令f(x)x,则f(x)dxxdxh2h2h5A#(h)A0f(0)Af(h)16h532h故此时,2h"x)dxA1f(h)A0f(0)Af(h)A1f(h)A0f(0)Af(h)02h因此,f(x)dxA1f(h)A0f(0)Af(h)2h具有3次代数精度。11f(x)dxf(1

10、)2f(x1)3f%)/31令f(x)1,则f(x)dx2f(1)2f(x1)3f(x2)/3令f(x)x,则012x13x2人222令f(x)x,则212x13x2从而解得x1x20.2899或x10.68990.5266x20.1266o11o令f(x)x3,则f(x)dxx3dx0f(1)2f(x1)3f(x2H/30111故1f(x)dxf(1)2f(x1)3f(x2)/3不成立。因此,原求积公式具有2次代数精度。(4)若f(x)dxhf(0)f(h)/2ah2f(0)f(h)h令f(x)1,则0f(x)dxh,令f(x)x,则2hf(0)f(h)/2ahf(0)f(h)hhh12f(

11、x)dxxdxh002_2_,12hf(0)f(h)/2ah2f(0)f(h)h22令f(x)x2,则hh213f(x)dxxdxh0032_132hf(0)f(h)/2ah2f(0)f(h)h32ah22故有13132h-h2ah321a一12令f(x)x3,则f(x)dxh314xdxh0412hf(0)f(h)/2/"0)141414f(h)hhh244令f(x)x4,则hh415f(x)dxxdxh00512-hf(0)f(h)/2hf(0)12f(h)1h521h531h56故此时,h0f(x)dxhf(0)f(h)/h因此,of(x)dxhf(0)具有3次代数精度。12,

12、2h2f(0)f(h),12,12,f(h)/2h2f(0)f(h)127。若用复化梯形公式计算积分1Iexdx,问区间0,1应多少等分才能使截断误差不超过0106?解:ban米用复化梯形公式时,余项为R(f)ah2f(),(a,b)121又QIoexdx故f(x)ex,f(x)ex,a0,b1.Rn(f)h2f()h21212若|Rnf|106,则当对区间0,1进行等分时,h1,n故有nJe°-因此,将区间476等分时可以满足误差要求12第五章2.用改进的欧拉方法解初值问题yxy,0x1;y(0)1,x取步长h=0.1计算,并与准确解yx12e相比较。近似解准确解近似解准确解0.1

13、1.111.110340.62.040862.044240.21.242051.242810.72.323152.327510.31.398471.399720.82.645582.651080.41.581811.583650.93.012373.019210.51.794901.797441.03.428173.436563、解:改进的欧拉法为1、一.、yn1yn二hf(xn,yn)"%1,丫卜"4,丫口)2将f(x,y)x2xy代入上式,得2h_h,%i1hyn-1hxnlx1%加22同理,梯形法公式为yn1Uhyn2hhxn(1xn)xn1(1xn1)将y00,h0

14、.1代入上二式,计算结果见表95表95xn改进欧拉yn|y(Xn)yn1梯形法yn|y(xn)yn|0.10.00550030.00523809540.20.0219275000.337418036100.0214058960.755132781100.30.05014438830.04936723930.40.0909306710.6582530781030.0899036920.1366487781030.5014372238830.962608182100.185459653100.1250716721020.22373844310320/p>

15、230.253048087103可见梯形方法比改进的欧拉法精确。4、用梯形方法解初值问题yy0;y(0)1,证明其近似解为yn并证明当h0时,它原初值问题的准确解证明:梯形公式为h_.Vn1Vn2f(Xn,yn)f(xn1,Yn1)代f(x,y)y入上式,得hyn1yn2ynyn1解得Vn 1)yn (2)Vn 1n 1)V。因为V。Vn)n以h为步长经n步运算可求得y(x)的近似值Vn ,故nh, nyni(2h)Vn2 h - lim()h h 0 2 hlhmo(12h2 h)lhm0(12 h 2h x2h C2h T'h h2 h,10.证明解V f (x, y)的下列差分公

16、式是二阶的,1 , Vn 1"(Vn2 并求出截断误差的首项。yn 1)h4(4Vn 1Vn3Vn1)Vn 1VnhynVn 1Vn.(1) hynh25 Vh2TV1h3 /h3飞'o(h3)o(h3)(1)Vn(1).(2)Vnhynh2(3)2-VnO(h )2 ,hyn2), y2o(h2),代入得3 (,8hyn32o(h ) o(h )工,截断误差首项为5h38Vn12.将下列方程化为一阶方程组:V3y2y0,1)V(0)1,y(0)1;(1)V'z,z'3z2y,其中y(0)1,z(0)1。2、V0.1(1V)VV0,22)y(0)1,V(0)0

17、;(2)V'z,z'0.1(1V)zy,其中y(0)1,z(0)第六章21、用二分法求方程xx10的正根,要求误差小于0.05.2解设f(x)xx1,f10,f10,故1,2为f(x)的有根区间.又f'(x)2x1,故当11x2时,f(x)单增,当 2时f (x)单增.而1f(2)1一一 k 1计式(7.2)知要求误差小于 0.05,只需20.05,解得k 1 5.322,故至少应二分6次.5f14,,由单调性知f(x)0的惟一正根x*(1,2).根据二分法的误差估具体计算结果见表7-7.表7-7kakbkxkf(x。的符号0121.5-11.521.75+21.51.

18、751.625+31.51.6251.5625-41.56251.6251.59375-51.593751.6251.609375-即x*x51.6093753、为求x3x210在x01.5附近的一个根,设将方程改写成下列等价形式,并建立相应的迭代公式:/1xx 1 xk 1x2,迭代公式3.2x(2) x 1 x ,迭代公式xk 1x2,xk 1 x 1,迭代公式试分析每种迭代公式的收敛性1(1xk2义;1xk 1并选取一种公式求出具有四位有效数字的近似根解取x01.5的邻域1.3,1.6来考察.一 (x) 1当 x 1.3,1.6时,122/ (x)11 丁痴L1,故迭代公式xk 111x

19、7在1.3,1.6上整体收敛.(2)当X1.3,1.6时(X)(1X2)1/31.3,1.62 x21.6I'(x)|3|2|32L0.52213 (1X2)33(11.32)31故Xk1(1人尸在口.3,1.6上整体收敛.1111(x),|(x)|3Z2-I1"1''G2(x1)2(1.61)故外1发散.,只需由于(2)的L叫小,故取(2)中迭代式计算.要求结果具有四位有效数字|xkL13x*|IL区xk11210I xkxk 11T 2 10 3 0.5 10 3|x6 % |取x01.5计算结果见表7-8.kk11.48124803441.4670479

20、7321.47270573051.46624301031.46881731461.465876820表7-8由于37、用下列方法求f(x)x3x10在x02附近的根.根的准确值x*1.87938524.,要求计算结果准确到四位有效数字.用牛顿法;(2)用弦截法,取x02,x11.9;(3)用抛物线法,取x01,x13,x22.解f(1)0,f(2)0,f(x)3x233(x21)0,f''(x)6x0,对x1,2.xkxk取x02,用牛顿迭代法Xk 1Xkxk3Xk 13xk2 32xJ 13(42 1)13x11.888888889,x21.879451567,|x2x*|10计算得2,故x*x21.879451567(2)取“2,x11.9,利用弦截法vv(xkxk1)f(xk)xk1xkf(xk)f(xk1)13x21.981093936,x31.880840630,x41.879489903,|x4x*|-10得,2,故取x*x41.8

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