數(shù)值分析是做什么用的

1、 提問：數(shù)值分析是做什么用的？數(shù)值分析輸入復(fù)雜問題或運算 近似解1第一章 誤差 /* Error */1 誤差的背景介紹 /* Introduction */1. 來源與分類 /* Source & Classification */ 從實際問題中抽象出數(shù)學(xué)模型 模型誤差 /* Modeling Error */ 通過測量得到模型中參數(shù)的值 觀測誤差 /* Measurement Error */ 求近似解 方法誤差 (截斷誤差 /* Truncation Error */ ) 機(jī)器字長有限 舍入誤差 /* Roundoff Error */21 Introduction: Source &

2、ClassificationThe following problem can be solved either the easy way or the hard way.Two trains 200 miles apart are moving toward each other; each one is going at a speed of 50 miles per hour. A fly starting on the front of one of them flies back and forth between them at a rate of 75 miles per hou

3、r. It does this until the trains collide and crush the fly to death. What is the total distance the fly has flown?The fly actually hits each train an infinite number of times before it gets crushed, and one could solve the problem the hard way with pencil and paper by summing an infinite series of d

4、istances. The easy way is as follows: Since the trains are 200 miles apart and each train is going 50 miles an hour, it takes 2 hours for the trains to collide. Therefore the fly was flying for two hours. Since the fly was flying at a rate of 75 miles per hour, the fly must have flown 150 miles. Tha

5、ts all there is to it.When this problem was posed to John von Neumann, he immediately replied, 150 miles.It is very strange, said the poser, but nearly everyone tries to sum the infinite series.What do you mean, strange? asked Von Neumann. Thats how I did it!31 Introduction: Source & Classification大

6、家一起猜？11 / e解法之一：將 作Taylor展開后再積分S4R4 /* Remainder */| 舍入誤差 /* Roundoff Error */ |= 0.747 由截去部分/* excluded terms */引起取則稱為截斷誤差 /* Truncation Error */由留下部分/* included terms */引起例：近似計算4據(jù)說，美軍 1910 年的一次部隊的命令傳遞是這樣的: 營長對值班軍官: 明晚大約 8點鐘左右，哈雷彗星將可能在這個地區(qū)看到，這種彗星每隔 76年才能看見一次。命令所有士兵著野戰(zhàn)服在操場上集合，我將向他們解釋這一罕見的現(xiàn)象。如果下雨的話，就

7、在禮堂集合，我為他們放一部有關(guān)彗星的影片。值班軍官對連長: 根據(jù)營長的命令，明晚8點哈雷彗星將在操場上空出現(xiàn)。如果下雨的話，就讓士兵穿著野戰(zhàn)服列隊前往禮堂，這一罕見的現(xiàn)象將在那里出現(xiàn)。連長對排長: 根據(jù)營長的命令，明晚8點，非凡的哈雷彗星將身穿野戰(zhàn)服在禮堂中出現(xiàn)。如果操場上下雨，營長將下達(dá)另一個命令，這種命令每隔76年才會出現(xiàn)一次。排長對班長: 明晚8點，營長將帶著哈雷彗星在禮堂中出現(xiàn)，這是每隔 76年才有的事。如果下雨的話，營長將命令彗星穿上野戰(zhàn)服到操場上去。班長對士兵: 在明晚8點下雨的時候，著名的76歲哈雷將軍將在營長的陪同下身著野戰(zhàn)服，開著他那“彗星”牌汽車，經(jīng)過操場前往禮堂。51 I

8、ntroduction: Spread & Accumulation2. 傳播與積累 /* Spread & Accumulation */例：蝴蝶效應(yīng) 紐約的一只蝴蝶翅膀一拍，風(fēng)和日麗的北京就刮起臺風(fēng)來了？！NYBJ以上是一個病態(tài)問題 /* ill-posed problem*/關(guān)于本身是病態(tài)的問題，我們還是留給數(shù)學(xué)家去頭痛吧！61 Introduction: Spread & Accumulation例：計算 公式一：注意此公式精確成立記為則初始誤差? ! !What happened?!71 Introduction: Spread & Accumulation考察第n步的誤差我們有責(zé)任

9、改變。造成這種情況的是不穩(wěn)定的算法 /* unstable algorithm */迅速積累，誤差呈遞增走勢?？梢姵跏嫉男_動 公式二：注意此公式與公式一在理論上等價。方法：先估計一個IN ,再反推要求的In ( n N )?？扇?1 Introduction: Spread & Accumulation取 We just got lucky?91 Introduction: Spread & Accumulation考察反推一步的誤差：以此類推，對 n 0 不唯一，當(dāng)然 e* 越小越具有參考價值。I can tell that this parts diameter is 20cm1cm.I

10、 can tell that distance between two planets is 1 million light year 1 light year.Of course mine is more accurate ! The accuracy relates to not only the absolute error, but also to the size of the exact value.112 Error and Significant Digits 相對誤差 /* relative error */Now I wouldnt call it simple. Say

11、what is the relative error of 20cm1cm?Dont tell me its 5% becauseBut what kind of information does that 5% give us anyway?x 的相對誤差上限 /* relative accuracy */ 定義為A mathematician, a physicist, and an engineer were traveling through Scotland when they saw a black sheep through the window of the train. Ah

12、a, says the engineer, I see that Scottish sheep are black. Hmm, says the physicist, You mean that some Scottish sheep are black. No, says the mathematician, All we know is that there is at least one sheep in Scotland, and that at least one side of that one sheep is black! 注：從 的定義可見， 實際上被偷換成了 ，而后才考察其

13、上限。那么這樣的偷換是否合法？ 嚴(yán)格的說法是， 與 是否反映了同一數(shù)量級的誤差？ 關(guān)于此問題的詳細(xì)討論可見教材第3頁。122 Error and Significant Digits 有效數(shù)字 /* significant digits */用科學(xué)計數(shù)法，記 （其中 ）。若 （即 的截取按四舍五入規(guī)則），則稱 為有n 位有效數(shù)字，精確到 。例：問： 有幾位有效數(shù)字？請證明你的結(jié)論。證明：有 位有效數(shù)字，精確到小數(shù)點后第 位。43注：0.2300有4位有效數(shù)字，而00023只有2位有效。12300如果寫成0.123105，則表示只有3位有效數(shù)字。 數(shù)字末尾的0不可隨意省去！132 Error a

14、nd Significant Digits 有效數(shù)字與相對誤差的關(guān)系 有效數(shù)字 相對誤差限已知 x* 有 n 位有效數(shù)字，則其相對誤差限為 相對誤差限 有效數(shù)字已知 x* 的相對誤差限可寫為則可見 x* 至少有 n 位有效數(shù)字。142 Error and Significant Digits 例：為使 的相對誤差小于0.001%,至少應(yīng)取幾位有效數(shù)字？解：假設(shè) * 取到 n 位有效數(shù)字，則其相對誤差上限為要保證其相對誤差小于0.001%，只要保證其上限滿足已知 a1 = 3，則從以上不等式可解得 n 6 log6，即 n 6，應(yīng)取 * = 3.14159。153 函數(shù)的誤差估計 /*Error

15、 Estimation for Functions*/問題：對于 y = f (x)，若用 x* 取代 x，將對y 產(chǎn)生什么影響？分析：e*(y) = f (x*) f (x) e*(x) = x* xMean Value Theorem= f ( )(x* x)x* 與 x 非常接近時，可認(rèn)為 f ( ) f (x*) ，則有：|e*(y)| | f (x*)|e*(x)|即：x*產(chǎn)生的誤差經(jīng)過 f 作用后被放大/縮小了| f (x*)|倍。故稱| f (x*)|為放大因子 /* amplification factor */ 或 絕對條件數(shù) /* absolute condition nu

16、mber */.163 Error Estimation for Functions相對誤差條件數(shù) /* relative condition number*/ f 的條件數(shù)在某一點是小大，則稱 f 在該點是好條件的 /* well-conditioned */ 壞條件的 /* ill-conditioned */。注：關(guān)于多元函數(shù) 的討論，請參閱教材第5、6頁。173 Error Estimation for Functions例:計算 y = ln x。若 x 20，則取 x 的幾位有效數(shù)字可保證 y 的相對誤差 0.1% ?解：設(shè)截取 n 位有效數(shù)字后得 x* x，則估計 x 和 y 的

17、相對誤差上限滿足近似關(guān)系不知道怎么辦啊？x 可能是20.#，也可能是19.#，取最壞情況，即a1 = 1。 n 4例：計算 ，取 4 位有效，即 , 則相對誤差184 幾點注意事項 /* Remarks */1. 避免相近二數(shù)相減 (詳細(xì)分析請參閱教材p.6 - p.7)例：a1 = 0.12345，a2 = 0.12346，各有5位有效數(shù)字。 而 a2 a1 = 0.00001，只剩下1位有效數(shù)字。 幾種經(jīng)驗性避免方法：當(dāng) | x | 1 時：更多技巧請見教材第8頁習(xí)題6。194 Remarks2. 避免小分母 : 分母小會造成浮點溢出 /* over flow */3. 避免大數(shù)吃小數(shù)例：

18、用單精度計算 的根。精確解為 算法1：利用求根公式在計算機(jī)內(nèi)，109存為0.11010，1存為0.1101。做加法時，兩加數(shù)的指數(shù)先向大指數(shù)對齊，再將浮點部分相加。即1 的指數(shù)部分須變?yōu)?010，則：1 = 0.01 1010，取單精度時就成為： 109+1=0.100000001010+0.00000000 1010=0.10000000 1010大數(shù)吃小數(shù)204 Remarks算法2：先解出 再利用注：求和時從小到大相加，可使和的誤差減小。例：按從小到大、以及從大到小的順序分別計算1 + 2 + 3 + + 40 + 1094. 先化簡再計算，減少步驟，避免誤差積累。一般來說，計算機(jī)處理下

19、列運算的速度為5. 選用穩(wěn)定的算法。HW: p.8-9 #1, #7Self-study Ch.2-1 Excuses for not doing homeworkI accidentally divided by zeroand my paper burst into flames. 21Lab 01. Numerical Summation of a Series Produce a table of the values of the series (1)for the 3001 values of x, x = 0.0, 0.1, 0.2, , 300.00. All entries

20、of the table must have an absolute error less than 1.0e-10. This problem is based on a problem from Hamming (1962), when mainframes were very slow by todays microcomputer standards. InputThere is no input.Output The output is to be formatted as two columns with the values of x and (x) printed as in the C fprintf: fprintf(outfile,%6.2f%16.12fn,x,psix); /* hererepresents a space */22As an example, the sample output below shows 4 acceptable lines out of 3001, which might appear in the output file. The values of x should start at 0.00 and increase