数值分析--绪论PPT

1、 特征值问题、定积分问题、一元方程问题、方程组问题、插值与拟合问题、微分方程问题等数值方法仅利用代数方法来计算问题（都是计算机可以实现的运算）解析方法通过方程的的方法求解，涉及到积分、微分等数值方法的结果得到的是（近似）数值，解析方法的结果不一定是数值数学问题要用数值方法来求解，通常需要将其转化为数值问题离散化和迭代是两个常用的转化途径机器数 由计算工具的特性导致。存放在计算机中的数称为机器数。 计算机的位数有限，有上、下溢出，对绝对值较大和较小的数采用浮点形式表示。 有些数学方法不能作为数值方法 如克莱姆法则不仅对大规模线性方程组无能为力，而且对病态问题也很敏感;又如牛顿-莱布尼兹公式也不能

2、求解所有的定积分问题;求极值的解析方法计算机也无能为力。某些数学问题目前在数学上还没有求解方法。如一元高次多项式方程，一元超越方程。有些数学问题在理论上有解决方法，但实际中并不可用，如大规模线性方程组。有些数学问题在实践中有解决的方法，但仍需要对算法进行分析(误差分析)，如例1-5求定积分的例子1.2.1 1.2.1 误差的误差的来源来源通常，解决一个实际问题需经过以下几个步骤。实际问题数学模型计算结果数值算法分析、假设分析、假设抽象、量化抽象、量化构造数值构造数值计算方法计算方法编程、输入编程、输入计算、分析计算、分析在以上环节中，不可避免的存在着误差，分为以下几种：模型误差：从实际问题中抽

3、象出数学模型时导致的误差；观测误差：数学模型中的参数值在观测时所导致的误差；方法误差方法误差：针对数学模型构造算法时所导致的误差；舍入误差舍入误差：在用计算机进行数值计算时由于计算机字长的限制所导致的误差或由于计算次序所导致的误差。1.2.1 1.2.1 误差的误差的来源来源方法误差方法误差又称截断误差截断误差或余项。余项。舍入误差舍入误差的积累可能对计算结果造成很大影响。在数值分析课程中我们不讨论数学模型本身的模型误差和观测误差，只研究为求解数学模型而产生的方法误差和舍入误差。针对不同的数值方法，误差估计的侧重点也不同，有些数值方法主要讨论方法误差，如数值积分/微分、函数插值/逼近等；有些数

4、值方法主要讨论舍入误差及观测误差(输入数据的误差)，如线性方程组求解。! 7! 5! 3sin217532xxxxxgth两个例子两个例子模型误差模型误差方法误差方法误差1.2.2 1.2.2 绝绝对误差对误差与相对误差与相对误差设设x是某个精确值是某个精确值x*的近似值，则称的近似值，则称 为为近似值近似值x的的绝对误差绝对误差，简称，简称误差误差。如果能找到绝对误差值的一个上。如果能找到绝对误差值的一个上界界 ，使得，使得 ，称，称 是近似值是近似值x的的绝对误差界绝对误差界，简称简称误差界误差界。由于误差界不唯一，通常取满足 的最小值。例例 设精确值设精确值 ，求近似值，求近似值 x1=

5、3.14 x2=3.1415x1=3.14 x2=3.1415 x3=3.1416 x4=3.14159x3=3.1416 x4=3.14159 的误差及误的误差及误差界。差界。xx *xxx*xx*xx*1415926535. 3*xnxx1021*1.2.2 1.2.2 绝对误差与相对误差绝对误差与相对误差设设x是某个非零精确值是某个非零精确值x*的近似值，则称的近似值，则称 为近为近似值似值x的的相对误差相对误差。如果能找到相对误差值的一个上界。如果能找到相对误差值的一个上界 ，使得使得 ，称，称 是是近似值近似值x的的相对误差界相对误差界。由于精确值往往是未知的，通常令例例1-1 函数

6、值的误差。例例1-2 P6。进一步可得乘积乘积相对误差为两个因子的相对误差之和。*xxxrxxx*rxx*rrxxx*rxxxr*21212121xxxxffxxxx1.2.2 1.2.2 绝对误差与相对误差绝对误差与相对误差有有效数字效数字若近似值的绝对误差界是某一数位上的半个单位，则称精若近似值的绝对误差界是某一数位上的半个单位，则称精确到该位，若从该位到的左起第一位非零数字一共有确到该位，若从该位到的左起第一位非零数字一共有n位，位，则称近似值有则称近似值有n位位有效数字有效数字。从定从定义可以看出，通常的义可以看出，通常的“四舍五入四舍五入”后得到的数字都是后得到的数字都是有效有效数字

7、，有效数字位数越多，数字越精确。数字，有效数字位数越多，数字越精确。而精确值被而精确值被认为有无穷多位有效数认为有无穷多位有效数字。字。例例1-3例例1-41.2.2 1.2.2 绝对误差与相对误差绝对误差与相对误差当数字规格化表示后，有当数字规格化表示后，有效数效数字也可有一下的定义：字也可有一下的定义：设近似值可写成规格化的形式设近似值可写成规格化的形式 （1-1）其中，其中，ai是是0-9之间的整数，之间的整数，a1不为零不为零 ， k为整数。如果为整数。如果 （1-2）则称为的具有则称为的具有n位位有效数字有效数字的近似值。的近似值。nkaaax21. 010 nkxx1021*例例

8、用两种方式判定圆周率的近似值的有效数字用两种方式判定圆周率的近似值的有效数字 x1=3.14 x1=3.14 x2=3.1415 x2=3.1415 x3=3.1416 x3=3.1416 x4=3.14159 x4=3.14159定义2实际上给出了有效数字与绝对误差绝对误差的关系。下面的定理揭示了有效数字与相对误差的关系。定理定理1-1 设近似值x可写成（1-1）的规格化形式，若x至少有n位有效数字，则x的相对误差满足 （1-3）反之，若的相对误差满足 （1-4）则至少有n位有效数字。（证明参2p5） 例例 求1/19的近似值的相对误差不超过0.1，应取几位有效数字？naxxx1051*na

9、xxx10151*1.2.2 绝对误差与相对误差误差分析误差分析- 函数的函数的误差误差 x)61 (),(),(),()(|),(|)(|),(|),()(),()(),(),(),()51 ()()()()()()()()()()()()(*yxfyxfyxfyyyxfxxyxfyxfyyyyxfxxxyxfyxfyxfxxfxfxfxfxfxxfxfxxxfxfxfrr1.2.2 1.2.2 绝对误差与相对误差绝对误差与相对误差xbabbaababbaabbababbaaabbaababbababababarrrrrrr)()()()()(1)()()()()()()()()()()()

10、()()()(2例例 测得某正方体的边长为20cm，计算其体积的误差界及相对误差界。(用两种方法)1.2.2 1.2.2 绝对误差与相对误差绝对误差与相对误差误差分析误差分析- 数值计算的的误差数值计算的的误差1.3.1 算法的稳定性在数值计算中是不可回避的重要问题1.3.2 -条件数条件数。 数值稳定性是对算法而言的，病态数学问题与算法无关，即用任何算法求解都是不稳定的。但是，良态数学问题的算法未必都是数值稳定的。病态和良态是相对的，界限比较模糊，病态越严重，对算法的稳定性影响越大。通常用条件数条件数来衡量数学问题的病态程度，条件数越大，病态越严重。x1.4.1 1.4.1 机器数机器数存放在计算机中的数称为机器数。实数有定点和浮点两种形式表示。实数的机器数是有误差的。范围与误差的大小与机器数的字长有关。随着运算的深入， 误差可能迅速膨胀，这种现象必须得到有效控制控制； 也可能出现大数吃掉小数等现象，必须尽量避免避免。x稳定性稳定性1.4.2 1.4.2 误差处理的几个原则误差处理的几个原则避免两个相近的数相减-影响有效数字避免绝对值太小的数做除数-放大误差防止大数吃掉小数-运算失效严格控制递推公式中-算法的稳定性优化计算步骤，提高计算效率x01210)()(aaaax