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数值分析典型例题

第一章典型例题例3…,精确到10-3的近似值是多少?解 精确到10-3=,即绝对误差限是?=, 故至少要保留小数点后三位才可以。

ln2? 第二章典型例题例1 用顺序消去法解线性方程组 解 顺序消元 于是有同解方程组 回代得解x 3=-1, x 2=1,x 1=1,原线性方程组的解为X =(1,1,-1)T例2 取初始向量X (0)=(0,0,0)T ,用雅可比迭代法求解线性方程组 解 建立迭代格式⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧+--=+--=++-=+++5223122)(2)(1)1(3)(3)(1)1(2)(3)(2)1(1k k k k k k k k k x x x x x x x x x (k =1,2,3,…) 第1次迭代,k =0X (0)=0,得到X (1)=(1,3,5)T第2次迭代,k =1 X (2)=(5,-3,-3)T第3次迭代,k =2X (3)=(1,1,1)T第4次迭代,k =3X (4)=(1,1,1)T例4 证明例2的线性方程组,雅可比迭代法收敛,而高斯-赛德尔迭代法发散。

证明 例2中线性方程组的系数矩阵为A =⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-122111221 于是D =⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡100010001 D -1=D⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=022001000L ~⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-=000100220U ~ 雅可比迭代矩阵为B 0=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡--=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-=+--022101220022101220100010001)U ~L ~(D 1 得到矩阵B 0的特征根03,2,1=λ,根据迭代基本定理4,雅可比迭代法收敛。

高斯-赛德尔迭代矩阵为G =-U ~)L~D (1-+=-⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡----=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡---=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-2003202200001002201200110010001002201220110011解得特征根为?1=0,?2,3=2。

由迭代基本定理4知,高斯-赛德尔迭代发散。

例5 填空选择题:1. 用高斯列主元消去法解线性方程组 作第1次消元后的第2,3个方程分别为 。

答案:⎩⎨⎧=+--=-5.35.125.15.03232x x x x解答 选a 21=2为主元,作行互换,第1个方程变为:2x 1+2x 2+3x 3=3,消元得到 是应填写的内容。

3.用高斯-赛德尔迭代法解线性方程组的迭代格式中)1(2+k x = (k =0,1,2,…)答案:)(3)1(13k k x x --+解答:高斯-赛德尔迭代法就是充分利用已经得到的结果,求x 2的值时应该用上x 1的新值。

第三章典型例题例1 已知函数y =f (x )的观察数据为试构造拉格朗日插值多项式P n (x ),并计算f (-1)的近似值。

[只给4对数据,求得的多项式不超过3次]解 先构造基函数所求三次多项式为P 3(x )=∑=nk k k x l y 0)(=845-4-⨯5-))((x x x +405-4-2+))()((x x x -245-2+⨯3-))(()(x x x +354-2+)()(x x x=1+2155-141-42523x x xf (-1)?P 3(-1)=724=1+2155-141-425-例3 设n x x x x ,...,,,210是n +1个互异的插值节点,),...,,,)((n k x l k 210=是拉格朗日插值基函数,证明: (1) 1≡∑0=nk kx l)( (2)),...,,,()(n m x x x lm nk mk k210=≡∑0=证明 (1) P n (x )=y 0l 0(x )+y 1l 1(x )+…+y n l n (x )=∑=nk k k x l y 0)(当f (x )?1时,1=)()!()()()()()(x n f x l x R x P n n kk k n n 1+1+0=1++⨯1=+∑ωξ 由于0=1+)()(x f n ,故有1≡∑0=nk k x l )((2) 对于f (x )=x m ,m =0,1,2,…,n ,对固定x m (0?m ?n ), 作拉格朗日插值多项式,有当n >m -1时,f (n +1) (x )=0,R n (x )=0,所以注意:对于次数不超过n 的多项式011-1-++++=a x a x a x a x Q n n n n n ..)(,利用上结果,有=∑∑∑∑0=00=10=1-1-0=++++nk k n k k k nk n kk n nk nkk n x l a x x l a xx l a x x l a )()(...)()(=∑∑==--=++++nk k kn nk k n kn nkn k x l x Qa ax x a x a x l 00011)()(]...)[(上式∑=nk k k n x l x Q 0)()(正是Q n (x )的拉格朗日插值多项式。

可见,Q n (x )的拉格朗日插值多项式就是它自身,即次数不超过n 的多项式在n +1个互异节点处的拉格朗日插值多项式就是它自身。

例5 已知数据如表的第2,3列,试用直线拟合这组数据。

解 计算列入表中。

n =5。

a 0,a 1满足的法方程组是解得a 0=, a 1=。

所求拟合直线方程为 y =+ 例6选择填空题1. 设y =f (x ), 只要x 0,x 1,x 2是互不相同的3个值,那么满足P (x k )=y k (k =0,1,2)的f (x )的插值多项式P (x )是 (就唯一性回答问题)答案:唯一的3. 拉格朗日插值多项式的余项是( ),牛顿插值多项式的余项是( )(A) )()!()()()()()(x n f x P x f x R n n n n 1+1+1+=-=ωξ (B) f (x ,x 0,x 1,x 2,…,x n )(x -x 1)(x -x 2)…(x -x n -1)(x -x n )(C) )!()()()()()(1+=-=1+n f x P x f x R n n n ξ(D) f (x ,x 0,x 1,x 2,…,x n )(x -x 0)(x -x 1)(x -x 2)…(x -x n -1)(x -x n )答案:(A),(D)。

见教材有关公式。

第四章典型例题 例1 试确定求积公式)()(d )(31+31-≈⎰11-f f x x f 的代数精度。

[依定义,对x k (k =0,1,2,3,…),找公式精确成立的k 数值]解 当f (x )取1,x ,x 2,…时,计算求积公式何时精确成立。

(1) 取f (x )=1,有左边=2=1=⎰⎰11-11-x x x f d d )(, 右边=2=1+1=31+31-)()(f f(2) 取f (x )=x ,有左边=0=0=⎰⎰11-11-x x x f d d )(, 右边=0=31+31-=31+31-)()(f f(3) 取f (x )=x 2,有左边=32==⎰⎰11-211-x x x x f d d )(, 右边=32=31+31-=31+31-22)()()()(f f(4) 取f (x )=x 3,有左边=0==⎰⎰11-311-x x x x f d d )(, 右边=0=31+31-=31+31-33)()()()(f f(5) 取f (x )=x 4,有左边=52==⎰⎰11-411-x x x x f d d )(, 右边=92=31+31-=31+31-44)()()()(f f当k ?3求积公式精确成立,而x 4公式不成立,可见该求积公式具有3次代数。

例5 试确定求积公式)]()0([)]()0([2d )(20h f f ah h f f h x x f h '-'++≈⎰中的参数a ,并证明该求积公式具有三次代数精度。

解 公式中只有一个待定参数a 。

当f (x )=1,x 时,有0]11[2d 10++=⎰hx h,即h =h)11(]0[2d 120-++=⎰ah h h x x h ,2222h h =不能确定a ,再令f (x )=x 2, 代入求积公式,得到)202(]0[2d 2202h ah h h x x h-⨯++=⎰,即 333223ah h h -= 得121=a . 求积公式为)]()0([12)]()0([2d )(20h f f h h f f h x x f h '-'++≈⎰将f (x )=x 3代入上求积公式,有可见,该求积公式至少具有三次代数精度。

再将f (x )=x 4代入上公式中,有 所以该求积公式具有三次代数精度。

例6 选择填空题 1. 牛顿-科茨求积公式与高斯型求积公式的关键不同点是 。

解答:牛顿-科茨求积公式的节点和求积系数确定后,再估计其精度;高斯型求积公式是由精度确定其节点和求积系数。

第五章典型例题例1 证明方程1-x -sin x =0在区间[0,1]内有一个根,使用二分法求误差不超过×10-4的根要迭代多少次? 证明 令f (x )=1-x -sin x∵ f (0)=1>0,f (1)=-sin 1<0∴ f (x )=1-x -sin x =0在[0,1]有根。

又f ?(x )=1-cos x >0(x ?[0,1]),故f (x )=0在区间[0,1]内有唯一实根。

给定误差限?=×10-4,有只要取n =14。

例2 用迭代法求方程x 5-4x -2=0的最小正根。

计算过程保留4位小数。

[分析] 容易判断[1,2]是方程的有根区间。

若建立迭代格式)),(()(,)(,21∈1>45='42-=42-=454x x x x x x x ϕϕ即,此时迭代发散。

建立迭代格式)21(54)24(54)(,24)(,245455≤≤<+='+=+=x x x x x x x ϕϕ,此时迭代收敛。

解 建立迭代格式 1)),21(54)24(54)(054=≤≤<+='x x x x 取初始值ϕ(可任取1,2之间的值)≈6=2+4=5501x x 0 ≈7247=2+4=5512.x x 1≈02048=2+4=5523.x x 5 ≈0668=2+4=5534.x x 2≈07288=2+4=5545.x x取≈*x例3 试建立计算3a 的牛顿迭代格式,并求3791411.的近似值,要求迭代误差不超过10-5[分析]首先建立迭代格式。

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