Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

MU_LR_VychMat_230400

.pdf
Скачиваний:
17
Добавлен:
10.05.2015
Размер:
2.14 Mб
Скачать

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тульский государственный университет»

Кафедра Автоматики и телемеханики

СБОРНИК МЕТОДИЧЕСКИХ УКАЗАНИЙ

К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ

по дисциплине

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ МАТЕМАТИКА

Направление подготовки: 230400 «Информационные системы и технологии» Профиль : «Информационные системы»

Формы обучения: очная

Тула 2012 г.

Методические указания к лабораторным работам составлены доцентом,

к.ф.-м.н. Сулимовой В.В. и обсуждены на заседании кафедры автоматики и телемеханики факультета кибернетики,

протокол № 6 от " 31 " января 2012 г.

Зав. кафедрой________________А.А. Фомичев

Методические указания к лабораторным работам пересмотрены и утверждены на заседании кафедры автоматики и телемеханики факультета

кибернетики,

протокол №___ от "___"____________ 20___ г. Зав. кафедрой________________А.А. Фомичев

2

СОДЕРЖАНИЕ

 

1. ЗАНЯТИЕ 1. ПРИБЛИЖЕННЫЕ ЧИСЛА И ИХ ПОГРЕШНОСТИ .........................................................

5

1.1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ ..............................................................................................................................

5

1.1.1. Виды погрешностей.................................................................................................................................

5

1.1.2. Верные и сомнительные значащие цифры приближенного числа ......................................................

6

1.1.3. Связь между количеством верных цифр и относительной погрешностью числа ............................

7

1.1.4. Погрешности при вычислении значений функций.................................................................................

8

1.1.5. Погрешности операций над приближенными числами ........................................................................

8

1.1.6. Задачи вычислений .................................................................................................................................

12

1.2. ЗАДАНИЕ ..........................................................................................................................................................

15

1.3. ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ .......................................................................................................................................

16

1.4. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.................................................................................................................................

17

2. ВВЕДЕНИЕ В МATHCAD .................................................................................................................................

19

2.1.1. Интерфейс Mathcad ..............................................................................................................................

19

2.1.2. Главное меню ..........................................................................................................................................

19

2.1.3. Панели инструментов ...........................................................................................................................

20

2.1.4. Построение выражений и их вычисление............................................................................................

20

2.1.5. Стандартные функции .........................................................................................................................

21

2.1.6. Функции пользователя...........................................................................................................................

22

2.1.7. Дискретные переменные. Построение таблиц...................................................................................

23

3. ЗАНЯТИЕ 2. ПРЯМЫЕ МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ СИСТЕМ ЛИНЕЙНЫХ АЛГЕБРАИЧЕСКИХ

 

УРАВНЕНИЙ(СЛАУ).............................................................................................................................................

25

3.1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ ............................................................................................................................

25

3.1.1. Алгебра матриц. Основные понятия и определения...........................................................................

25

3.1.2. Постановка задачи решения СЛАУ .....................................................................................................

28

3.1.3. Существование и единственность решения СЛАУ............................................................................

28

3.1.4. Концепция точных методов решения СЛАУ ......................................................................................

29

3.1.5. Метод Гаусса .........................................................................................................................................

29

3.1.6. Метод LU-разложения..........................................................................................................................

31

3.1.7. Выбор ведущего элемента для повышения точности........................................................................

33

3.1.8. Выбор ведущего элемента для уменьшения количества вычислений ...............................................

34

3.1.9. Метод прогонки .....................................................................................................................................

36

3.1.10. Метод квадратного корня ..................................................................................................................

37

3.1.11. Решение СЛАУ в MathCad и операции с матрицами .......................................................................

38

3.2. ЗАДАНИЕ НА РАБОТУ .......................................................................................................................................

40

3.3. ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ .......................................................................................................................................

40

3.4. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.................................................................................................................................

42

4. ЗАНЯТИЕ 3. ИТЕРАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ СИСТЕМ ЛИНЕЙНЫХ

 

АЛГЕБРАИЧЕСКИХ УРАВНЕНИЙ...................................................................................................................

43

4.1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ ............................................................................................................................

43

4.1.1. Концепция итерационных методов решения СЛАУ...........................................................................

43

4.1.2. Метод простых итераций....................................................................................................................

43

4.1.3. Метод Гаусса-Зейделя...........................................................................................................................

46

4.1.4. Проверка сходимости на каждом шаге ..............................................................................................

47

4.2. ЗАДАНИЕ НА РАБОТУ .......................................................................................................................................

47

4.3. ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ .......................................................................................................................................

47

4.4. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.................................................................................................................................

48

5. ЗАНЯТИЕ 4. АЛГЕБРАИЧЕСКАЯ ИНТЕРПОЛЯЦИЯ..............................................................................

49

5.1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ ............................................................................................................................

49

5.1.1. Постановка задачи интерполяции .......................................................................................................

49

5.1.2. Интерполирование по Вандермонду ....................................................................................................

50

5.1.3. Интерполирование по Лагранжу .........................................................................................................

51

5.1.4. Интерполяционный полином Ньютона с разделенными разностями ..............................................

52

5.1.5. Интерполяционный полином Ньютона с конечными разностями....................................................

52

5.1.6. Построение плоского графика функции в MathCad ...........................................................................

53

3

5.2. ЗАДАНИЕ ..........................................................................................................................................................

56

5.3. ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ .......................................................................................................................................

56

5.4. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.................................................................................................................................

57

6. ЗАНЯТИЕ 5. ИНТЕРПОЛИРОВАНИЕ СПЛАЙНАМИ ..............................................................................

58

6.1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ ............................................................................................................................

58

6.1.1. Построение интерполяционного кубического сплайна ......................................................................

58

6.1.2. Интерполяция сплайнами в MathCad ...................................................................................................

59

6.2. ЗАДАНИЕ ..........................................................................................................................................................

59

6.3. ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ .......................................................................................................................................

59

6.4. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.................................................................................................................................

60

7. ЗАНЯТИЕ 6. СРЕДНЕКВАДРАТИЧЕСКОЕ ПРИБЛИЖЕНИЕ ФУНКЦИЙ.........................................

61

7.1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ ............................................................................................................................

61

7.1.1. Постановка задачи среднеквадратического приближения...............................................................

61

7.1.2. Метод наименьших квадратов.............................................................................................................

61

7.1.3. Среднеквадратическое приближение многочленами .........................................................................

62

7.1.4. Система многочленов, ортогональных на равномерной сетке.........................................................

63

7.1.5. Работа с файлами в MathCAD .............................................................................................................

64

7.1.6. Среднеквадратическое приближение полиномами произвольной степени в MathCAD..................

66

7.2. ЗАДАНИЕ ..........................................................................................................................................................

67

8. ЗАНЯТИЕ 7. ЧИСЛЕННОЕ ИНТЕГРИРОВАНИЕ......................................................................................

68

8.1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ ............................................................................................................................

68

8.1.1. Постановка задачи численного интегрирования ................................................................................

68

8.1.2. Концепция численного интегрирования ...............................................................................................

68

8.1.3. Квадратурные формулы для сетки с равноотстоящими узлами. Квадратурные формулы

 

Ньютона-Котеса.............................................................................................................................................

68

8.1.4. Частные случаи квадратурных формул Ньютона-Котеса. Простые формулы прямоугольников,

трапеций и парабол (Симпсона).....................................................................................................................

69

8.1.5. Составные квадратурные формулы численного интегрирования....................................................

71

8.1.6. Оценка погрешности численного интегрирования .............................................................................

72

8.1.7. Квадратурные формулы наивысшей алгебраической степени точности .......................................

73

8.2. ЗАДАНИЕ ..........................................................................................................................................................

75

8.3. ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ .......................................................................................................................................

76

4

1. ЗАНЯТИЕ 1. ПРИБЛИЖЕННЫЕ ЧИСЛА И ИХ ПОГРЕШНОСТИ

1.1.ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

1.1.1.Виды погрешностей

Различают два вида погрешностей - абсолютную и относительную.

Пусть A и a - два близких числа. Для определенности будем считать, что A - точное число, а a - приближенное.

Абсолютная погрешность приближенного числа a равна разности между его истинным значением и приближенным значением, полученным в результате вычисления или измерения:

 

 

 

 

 

 

a

 

A a

 

 

 

Относительная погрешность приближенного числа - это отношение абсолютной

погрешности к его модулю:

 

 

 

 

 

или в процентах

 

100%

| a |

| a |

 

 

 

 

Предельная абсолютная погрешность а является верхней оценкой модуля абсолютной погрешности, т. е. | a| a. В дальнейшем значение a принимается в качестве абсолютной погрешности приближенного числа а. В этом случае истинное значение х находится в интервале (а - a, а + a).

Для приближенного числа, полученного в результате округления, предельная абсолютная погрешность a принимается равной половине единицы последнего разряда числа. Например, значение а=0.734 могло быть получено округлением чисел 0.73441, 0.73353 и др. При этом a 0.0005, и полагаем a=0.0005.

Примеры оценки абсолютной погрешности при некоторых значениях приближенной величины а.

а

51,7

-0,0031

16

16,00

 

 

 

 

 

a

0,05

0,00005

0,5

0,005

 

 

 

 

 

При вычислениях на ЭВМ округления, как правило, не производятся, а цифры, выходящие за разрядную сетку машины, отбрасываются. В этом случае максимально возможная погрешность результата выполнения операции в два раза больше по сравнению со случаем округления.

Предельное значение относительной погрешности: отношение предельной абсолютной погрешности к абсолютной величине приближенного числа:

à à / à

5

1.1.2. Верные и сомнительные значащие цифры приближенного числа

Важной характеристикой приближенного числа является количество его верных значащих цифр.

Значащими цифрами числа в его позиционной записи называются все его цифры, начиная с первой ненулевой слева.

Значащую цифру приближенного числа называют верной, если абсолютная погрешность числа не превосходит половины единицы разряда, в котором стоит эта цифра. Все остальные цифры будут сомнительными.

Для конечных результатов расчѐтов существуют две формы записи: гарантированная – со всеми верными цифрами и форма Крылова – с одной сомнительной цифрой, но погрешность числа при этом не должна превышать 2-х

единиц в разряде сомнительной

цифры. Предельные

погрешности в

5 единиц

для

гарантированной

формы

и в

2 единицы

для

формы Крылова

обычно

не

указываются.

 

 

 

 

 

 

 

аг = 4,50 0,004;

 

dk = 4,50 0,001;

 

 

bг = 27;

 

 

ek = 27;

 

 

 

с = 4,03 104;

 

g

= 4,03 104 .

 

 

г

 

 

k

 

 

 

Предельные абсолютные погрешности приведѐнных чисел будут:

 

 

а = 0,004;

b = 0,5;

c = 0,005 104;

 

 

 

 

d = 0,001;

e = 2;

g = 0,02 104 .

 

 

 

 

Предельные погрешности конечных результатов необходимо

записывать

в

одном разряде.

 

 

 

 

 

 

 

Приближѐнные числа промежуточных результатов рекомендуется записывать с одной или с двумя сомнительными цифрами и предельными погрешностями в разрядах сомнительных цифр числа.

Пример 1.1. Записать приближѐнное число b = 23,746 0,003 в гарантированной форме и в форме Крылова.

Решение. Цифры числа 2, 3, 7, 4 могут быть верными ; цифра 6 стоит в разряде тысячных и является сомнительной, т . к .

b = 0,003 > 0,0005.

Произведѐм первое округление до четырѐх значащих цифр числа

:

 

 

 

 

 

b

23,75 ( b bî êð ) 23,75

(0,003 | 23,746 – 23,75|) = 23,75

0,007

 

 

Новое число

имеет сомнительную цифру 5 в разряде сотых,

т. к.

b

0,007 0,005 .

Произведѐм

новое округление исходного

числа до

трѐх

значащих цифр числа:

b 23,7 ( b bî êð ) 23,7 (0,003 | 23,746 – 23,7|) 23,7 0,049

Замечание. Последовательные округления приближѐнных чисел производить только от

первоначального

значения числа, чтобы не огрублять последующие результаты.

Новое число

имеет все цифры верными, т. к. b 0,049 0,05 . Гарантированная

форма заданного приближѐнного числа будет:

bг = 23,7 .

6

В форме Крылова

число получаем после первого округления. Действительно

b = 0,007 < 0,02. Исходное число в форме Крылова будет иметь

вид: bк = 23,75

0,01.

 

 

Ответ : bг = 23,7 ;

bк = 23,75 0,01.

 

1.1.3. Связь между количеством верных цифр и относительной погрешностью числа

Теорема 1.1. Если приближѐнное число имеет n верных цифр, то его

относительная погрешность не превышает 5 10-n

 

 

 

 

Доказательство . Пусть имеем

приближѐнное

число

а с n

верными цифрами.

Запишем его в ―нормализованном‖ виде:

 

 

 

 

 

a 0,a a a ...a ×10 p

где – первая

цифра

числа,

отличная от

нуля, 0,1 0

1

2

3

n

1

 

 

 

 

 

 

, a1a2 a3 ...an <

1

мантисса

числа,

Р –

показатель степени

(может

быть как

положительным, так и отрицательным), называемый порядком числа.

В соответствием с определением верной цифры приближѐнного числа абсолютная погрешность числа а будет:

à 0.000...05 10p 0,5 10 n 10p

n öèô ð

По определению относительная погрешность приближѐнного числа а будет :

 

 

 

 

 

 

a

 

0.5 10 n

10p

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

| a |

0,a a a ...a

10p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

2 3

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для оценки верхней границы относительной погрешности

приближѐнного числа

а

рассмотрим нижнее предельное значение мантиссы числа

 

 

 

a

 

 

 

 

0.5 10 n

 

 

0.5 10 n

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0 ,a1a2 a3 ...an

 

 

0.1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

из чего следует a

5 10 n

,

что и требовалось доказать.

 

 

Пример 1.2.

Определить

относительную

погрешность

чисел

а = 36,2 0,01

и

bг = 10

 

и сравнить с предельной относительной погрешностью согласно теореме 1.1.

Решение.

Число

 

а

имеет

три

верные

цифры ( n=3 ).

Его относительная

погрешность :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

0.01

= 0,00028

< 5 10-3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а

 

 

36.2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Число b имеет две верные цифры.

Его относительная погрешность

 

 

 

 

=

 

0.5

=

0,05 ( не превышает 5 10-2 ).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

 

 

10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ответ: а = 0,00028;

b = 0,05.

 

 

 

 

 

 

Обратная теорема 1.2. Если относительная погрешность приближѐнного числа не превосходит 0.5 10-n , то такое число имеет не менее n верных цифр.

Доказательство. В соответствии с определением относительной погрешности

7

абсолютная погрешность приближѐнного числа через его относительную погрешность рассчитывается по формуле : а = a а .

При ―нормализованной форме‖ записи числа с учѐтом условий теоремы имеем:

a = 0,a a a

...a 10 p0.5 10-n 0.5 10 p-n .

1 2 3

n

Последнее означает, что приближѐнное число а имеет не менее, чем n верных

цифр (при самом неблагоприятном случае, когда мантисса числа близка к единице), так как его абсолютная погрешность не превосходит 5 единиц в разряде, следующем за n n-ой цифрой числа а, что и требовалось доказать.

Если мантисса числа будет равна 0,1 (второй крайний случай), то в приближѐнном числе а будет n+1 верная цифра:

aã 0. 100...0 10p

n 1 öèô ðà

Пример 1.3. Определить количество верных цифр n в числе а=9,76, если его относительная погрешность а = 0,5 10-3 .

Решение. Вычислим абсолютную погрешность числа:

а = 9,76 0,5 10-3 = 0,0049 < 0,005

и это означает, что число а имеет три верные цифры. Ответ: n=3 .

1.1.4. Погрешности при вычислении значений функций

Рассмотрим функцию одной переменной y=f(x). Пусть а - приближенное значение аргумента х=a, а — его абсолютная погрешность. Абсолютную погрешность функции можно считать ее приращением, которое можно заменить дифференциалом: у dy. Тогда для оценки абсолютной погрешности получим выражение у =|f (a)| a.

Аналогичное выражение можно записать для функции нескольких аргументов. Пусть y f (x1 , x2 ,..., xn ) - некоторая функция нескольких переменных,

a1 , a2 ,..., an - некоторые значения соответствующих переменных x1 , x2 ,..., xn ,

a1 , a2 ,..., an - их абсолютные погрешности.

Тогда можно дать следующую оценку абсолютной погрешности значения функции:

 

n

y

 

 

 

y(a1 , a2

,..., an )

 

ai y .

(1.1)

a

 

i 1

 

 

 

 

i

 

 

 

Относительная погрешность при этом может быть найдена обычным образом:

y(a1 , a2 ,..., an ) y(a1 , a2 ,..., an ) y. | y(a1 , a2 ,..., an ) |

1.1.5. Погрешности операций над приближенными числами

Абсолютная погрешность суммы небольшого количества (<10) приближенных чисел:

8

 

 

( n ai )

 

 

n

n

 

n

( ai

)

i 1

 

ai ai .

 

 

 

 

i 1

i 1

ai

 

i 1

 

 

 

 

 

Абсолютная погрешность суммы большого количества ( n 10 ) приближенных чисел (правило Чеботарева, полученное на основе теории вероятностей):

s a n ; a = max ai

Относительная погрешность разности

(a b) a b,

Относительная погрешность суммы

(a b) a b

| a b |

Она лежит между относительными погрешностями слагаемых, поэтому ее обычно принимают равной максимальной из них: (a b) max( a , b ) .

Относительная погрешность разности двух приближенных чисел:

(a b)

(a b)

 

a b .

 

| a b |

 

| a b |

Относительная погрешность умножения или деления приближенных чисел:

 

 

n

 

n

 

n

m

 

n

m

 

 

ai

ai

,

ai

/ bj

ai

bj .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i 1

i 1

i 1

j 1

 

i 1

j 1

 

Относительная погрешность при умножении или делении большого количества

приближенных чисел:

 

 

 

 

 

 

При

m n 10 по правилу Чеботарѐва:

 

 

 

 

 

 

 

 

v

c

n m , c max( ai , bj )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i, j

 

 

 

 

 

Абсолютная погрешность умножения приближенного числа на точное число k :

(ak) k a ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Относительная погрешность умножения на точное число k :

 

(ak) a a/ | a | .

 

 

 

 

 

 

Относительная погрешность возведения в степень:

 

(ak ) k a.

 

 

 

 

 

 

 

Пример 1.4. Вычислить сумму и определить еѐ погрешность:

 

 

 

 

a1= 117,89

 

 

a1= 0,003

9

a2= 11,671

a2= 0,0002

a3= 0,34

a3= 0,004

a4= 0,0576

a4= 0,0001

Решение.

S=129,9586 ; S a1+ a3 = 0,007.

Результат в форме Крылова: Sк= 129,96 0,01;

Гарантированный результат: Sг= 130,0 .

Если в результате алгебраического сложения модуль результата оказывается близким к нулю, то происходит потеря знаков, что приводит к резкому возрастанию относительной погрешности результата.

Пример 1.5. Вычислить сумму S= 14,3 + 5,4 + 0,3 (слагаемые записаны с верными цифрами), сравнить относительную погрешность суммы с относительными погрешностями слагаемых.

Решение. S = 20; абсолютная погрешность суммы

s = 0,05 + 0,05 + 0,05 = 0,15;

относительная погрешность суммы s = s/s = 0,15/20 = 0,0075; вычислим относительные погрешности слагаемых:

1 = 0,05/14,3 = 0,0035; 2 = 0,05/5,4 = 0,0093; 3 = 0,05/0,3 = 0,17.

Легко заметить, что относительная погрешность суммы находится между

погрешностями наиболее точного и наиболее неточного слагаемых :

0,0035 < s < 0,17.

Ответ: s = 20;

s = 0,15.

 

 

 

Пример 1.6.

 

 

 

 

Вычислить результат и определить его погрешность:

 

 

S ai , где

 

 

 

 

à1 12,34; à2

0,481; à3 2,376; à4

0,0734; à5 111,642; à6

9,4314;

à7 0,2936; à8

0,1122; à9 98,364;

à10 = 0,0343;à11

0,982; à12 = 17,553;

Все слагаемые даны в гарантированной форме записи.

 

 

Решение.

 

 

 

 

Число слагаемых больше 10 (n = 12) . Алгебраическая

сумма

 

s = 19,5959 .

Для отыскания погрешности суммы применим правило Чеботарѐва

(n = 12 > 10)

 

max ai = a1 = 0,005;

s = 0,005 12 = 0,018.

Ответ: s = 19,6 0,02.

Пример 1.7. Вычислить дробь

10

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]