2016 数值分析课件

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1、数值分析电子课件工科研究生公共课程数学系列辽宁科技大学理学院2016年9月第1章数值分析与科学计算引论内容提要：1.1数值分析研究对象与特点1.2数值计算的误差1.3误差定性分析与避免误差危害1.1数值分析研究对象与特点一、数值分析研究对象计算机解决科学计算问题时经历的过程实际问题模型设计算法设计问题的解上机计算程序设计求方程求根牛顿法程序设计解上机计算实例数值分析的内容包括函数的数值逼近、数值微分与数值积分、非线性方程数值解、数值线性代数、常微和偏微数值解等。数值分析研究对象以及解决问题方法的广泛适用性，著名流行软件如Maple

2、、Matlab、Mathematica等已将其绝大多数内容设计成函数，简单调用之后便可以得到运行结果。但由于实际问题的具体特征、复杂性,以及算法自身的适用范围决定了应用中必须选择、设计适合于自己特定问题的算法，因而掌握数值方法的思想和内容是至关重要的。本课程内容包括了微积分、代数、常微分方程的数值方法，必须掌握这几门课程的基础内容才能学好本门课程。二、数值分析的特点面向计算机，要根据计算机的特点提供切实可行的有效算法。有可靠的理论分析，能任意逼近并达到精度要求，对近似算法要保证收敛性和数值稳定性，还要对误差进行分析。这些都

3、是建立在数学理论的基础上，因此不应片面的将数值分析理解为各种数值方法的简单罗列和堆积。要有好的计算复杂性，时间复杂性好是指节省时间，空间复杂性好是指节省存储量，这也是建立算法要研究的问题，它关系到算法能否在计算机上实现。要有数值实验，即任何一个算法除了从理论上要满足上述三点外，还要通过数值实验证明是行之有效的。三、数值分析的学习方法初学可能会觉得公式多，理论分析复杂。给出如下的几点学习方法。认识建立算法和对每个算法进行理论分析是基本任务，主动适应公式多和讲究理论分析的特点。注重各章节所研究算法的提出，掌握方法的基本原理和基本思想，

4、要注意方法处理的技巧及其与计算机的结合。理解每个算法建立的数学背景、数学原理和基本线索，而且对一些最基本的算法要非常熟悉。要通过算例学习使用各种数值方法解决实际计算问题。为掌握本课的内容，还应做一些理论分析和计算练习。1.2数值计算的误差一、误差的来源与分类在运用数学方法解决实际问题的过程中，每一步都可能带来误差。1、模型误差在建立数学模型时，往往要忽视很多次要因素，把模型“简单化”，“理想化”，这时模型就与真实背景有了差距，即带入了误差。数学模型与实际问题之间出现的误差称为模型误差。2、观测误差（测量误差）数学模型中的已知参数，

5、多数是通过测量得到。而测量过程受工具、方法、观察者的主观因素、不可预料的随机干扰等影响必然带入误差。3、截断误差（方法误差）数学模型常难于直接求解，往往要用数值方法求近似解替代，这种简化带入误差称为方法误差或截断误差。4、舍入误差计算机只能处理有限数位的小数运算，初始参数或中间结果都必须进行四舍五入运算，这必然产生舍入误差。误差分析是一门比较艰深的专门学科。在数值分析中主要讨论截断误差及舍入误差。但一个训练有素的计算工作者，当发现计算结果与实际不符时，应当能诊断出误差的来源，并采取相应的措施加以改进，直至建议对模型进行修改。二、绝

6、对误差、相对误差与有效数字1、绝对误差与绝对误差限误差是有量纲的量，量纲同x，它可正可负。误差一般无无法准确计算，只能根据测量或计算情况估计出它的误差绝对值的一个上界，这个上界称为近似值x*的误差限，记为ε*。它是正数，有量纲的。如用毫米刻度尺测量长度。误差限是0.5mm。2、相对误差与相对误差限3、有效数字定义1-3如果近似值x*的误差限是某一位的半个单位，该位到x*的第一位非零数字共有n位，就说x*有n位有效数字.4、绝对误差，相对误差与有效数字的关系绝对误差与相对误差：由两者定义可知。绝对误差与有效数字：绝对误差不超过末位有

7、效数字的半个单位。有效数字与相对误差限定理说明有效数位越多，相对误差限越小。定理也给出了相对误差限的求法。三、数值运算的误差估计1、四则运算2、函数误差当自变量有误差时计算函数值也产生误差，可以利用函数的泰勒展开式估计其误差界。1.3误差定性分析与避免误差危害一、算法的稳定性用一个算法进行计算，由于初始数据误差在计算中传播使计算结果误差增长很快，就是数值不稳定的，先看下例。计算结果n法一(A)法二(B)01234567890.63210.36790.26420.20740.17040.14800.11200.2160-0.7280

8、7.5520.63210.36790.26430.20730.17080.14550.12680.11210.10350.0684二、病态问题与条件数1、病态问题：对一个数值问题本身如果输入数据有微小扰动（即误差），引起输出数据（即问题解）相对误差