數(shù)值分析課后部分習(xí)題答案

1、WORD格式習(xí)題一 P.141. 以下各近似值均有 4 個有效數(shù)字, x*0.001428, y*13.521, z*2.300 ,試指出它們的絕對誤差和相對誤差限 .解x*0.001428=0.142810 2有4個有效數(shù)，即n4 ， m2由有效數(shù)字與絕對誤差的關(guān)系得絕對誤差限為110m n110 6，22由有效數(shù)字與相對誤差的關(guān)系得相對誤差限為110 (n 1)1103；2a12y*13.521=0.13521 102有4個有效數(shù)，即n4 ， m 2由有效數(shù)字與絕對誤差的關(guān)系得絕對誤差限為110m n110 2，22由有效數(shù)字與相對誤差的關(guān)系得相對誤差限為110 (n 1)1103；2a1

2、2z*2.300=0.2300101有4個有效數(shù)，即 n4 ， m 1由有效數(shù)字與絕對誤差的關(guān)系得絕對誤差限為110m n110 3，22由有效數(shù)字與相對誤差的關(guān)系得相對誤差限為110 (n 1)110 3.2a14專業(yè)資料整理WORD格式2以下各近似值的絕對誤差限都是有幾位有效數(shù)字.1 10 3,試指出它們各2專業(yè)資料整理WORD格式x*2.00021,y*0.032,z*0.00052解 x* 2.00021 0.200021 101，即 m 1由有效數(shù)字與絕對誤差的關(guān)系得110m n110 3，22即 mn3 ，所以， n 2 ；y*0.032 0.32 101，即m1由有效數(shù)字與絕對誤

3、差的關(guān)系得110m n110 3，22即 mn3 ，所以， n 4 ；z*0.00052 0.52 10 3，即 m3由有效數(shù)字與絕對誤差的關(guān)系得110m n110 3，22即 m n3 ，所以， n 0 .4. 設(shè)有近似數(shù)x*2.41, y*1.84, z*2.35 且都有3位有效數(shù)字，試計算 S x*y* z*，問S有幾位有效數(shù)字.解 方法一因 x*2.41=0.241 101 , y*1.84 0.184 101 , z*2.35 0.235 101都有 3 位有效數(shù)字，即n3 ， m1 ，那么|e( x*)|110mn110 2， |e( y*)|110m n1102，2222|e(z

4、*)|110mn110 2，22專業(yè)資料整理WORD格式| e( y* z*) | | z* e( y*)y* e(z*) |z*| e( y*) |y*| e( z*) |專業(yè)資料整理WORD格式2.35110 21.84110 22.09510 2，22| e( x*y * z*) | e( x*)e( y* z*) |110 22.095 10 220.259510 1110 1，2又x * y * z*=2.411.84 2.350.6734101，此時m1 ， m n1 ，從而得 n2 .方法一因 x*2.41=0.241101 , y*1.840.184 101 , z*2.350

5、.235101都有 3 位有效數(shù)字，即n3 ， m1 ，那么11( x*)|=| e( x*) |110 2|e( x*)|10mn10 2，|er22.41，22x *11( y*)|=| e( y*) |110 2|e( y*)|10mn10 2， |er21.84，22y*11(z*)|=| e( z*)110 2|e(z*)|10mn10 2，|er|22.3522z *| er ( y* z*) | | er ( y*) er (z*) | ，x *y* z *| er ( x *y* z*) | | x * y* z *er( x*)x *y* z* er( y* z*) |2.4

6、1| er ( x*) |1.842.35| er ( y*)+ er ( z*) |2.411.842.352.411.842.35110 21.84110 22.35110 22222.411.842.352.411.842.352.411.842.350.385410 21102，專業(yè)資料整理WORD格式2專業(yè)資料整理WORD格式由有效數(shù)字與絕對誤差的關(guān)系得n2 .5. 序列 yn有遞推公式y(tǒng)n10yn 11,( n1,2,)假設(shè) y021.41三位有效數(shù)字 ，問計算 y10的誤差有多大，這個計算公式穩(wěn)定嗎？解用 0 表示 y0 的誤差，由y021.41 ，得0 =0.0042，由遞推公

7、式y(tǒng)n10yn 11,(n1,2,) ，知計算y10的誤差為10 =0.42108，因為初始誤差在計算的過程中被逐漸的放大，這個計算公式不穩(wěn)定.習(xí)題 2 ( P.84)n3.證明lk ( x ) 1k 0，對所有的 x其中 lk ( x) 為Lagrange插值奇函數(shù).證明 令 f ( x)1 ，那么f (xi) 1，nn專業(yè)資料整理WORD格式從而又Ln ( x)l k ( x) f ( xk )lk ( x) ，k0k 0Rnf ( n1() )n 1 (x)0 ，(x)1)!(nn專業(yè)資料整理WORD格式可得n，從而lk ( x )1l( x )f ( x) 1k 04.求出在 x=0，

8、1，2 和3處函數(shù) f ( x)x21的插值多項式 .解 方法一因為給出的節(jié)點個數(shù)為4，而f (x)x 2 1從而余項專業(yè)資料整理WORD格式R3f (4)()( x) 0，( x)44!于是L3( x)f ( x)R3 ( x)f ( x)=x2+1（ n 次插值多項式對次數(shù)小于或等于的多項式準(zhǔn)確成立 .方法二因為 f (0)1， f(1)2， f (2)5， f (3)10，而l0 (x)( x 1)( x 2)( x 3) =- 1 ( x 1)( x2)( x 3) ，(01)(02)(03)6l1 (x)x( x2)(x3)12)( x3) ，(10)(12)(1=x( x3)2l2

9、 (x)x( x1)( x3)1(20)(21)(2=- x( x 1)( x 3) ，3)2l3 (x)x( x1)(x2)11)( x2) ，(30)(31)(3=x( x2)6從而L( x)l ( x) f ( 0 ) l (x )f ( 1 )lx( f )3( 2l )= x2 (+f 1) ( 3 )3012.5. 設(shè)f ( x)C 2 a, b 且 f (a)f (b) 0，求證max | f ( x) |1 ( ba) 2 max | f( x) |.a xb8ax b證明因 f (a)f (b)0 ，那么L1( x)0，從而f ( x)R1 ( x )f()a)( xb) ，

10、2!( x專業(yè)資料整理WORD格式由極值知識得6. 證明12) m fa x x|( ) |m a x f| x( ) | b ( aa x b8a x b( f ( x ) g ( x ) )f(x)g (x)f(x).gxh專業(yè)資料整理WORD格式證明由差分的定義專業(yè)資料整理WORD格式( f ( x) g( x)f ( x+h)g( xh)f ( x) g( x)專業(yè)資料整理WORD格式 f ( x+h)g( xh)f ( x) g( x+h) f ( x) g( xh)f ( x) g( x)專業(yè)資料整理WORD格式f ( x)g( x)f ( x) g( x+h)專業(yè)資料整理WORD

11、格式或著( f( x )g ( x ) )f(x +h )g (xh )f ( xgx專業(yè)資料整理WORD格式 f ( x+h)g( xh)f ( xh) g( x) f ( xh)g( x)f ( x) g( x)專業(yè)資料整理WORD格式f ( xh)g( x)f ( x) g( x)專業(yè)資料整理WORD格式7. 證明 n 階差商有以下性質(zhì)專業(yè)資料整理WORD格式(a) 如果F ( x)cf ( x) ，那么F x0 , x1 , xn cf x0 , x1, xn .專業(yè)資料整理WORD格式(b) 如果F ( x)f ( x)g( x) ，那么專業(yè)資料整理WORD格式F x0 , x1 ,

12、 xn f x0 , x1 , xn g x0 , x1 , xn .專業(yè)資料整理WORD格式證明由差商的定義(a) 如果 F ( x) cf ( x) ，那么F x1 , x2 , , xn -F x0 , x1 , , xn 1 F x0 , x1 , , xn xnx0cf x1 , x2 , xn -cf x0 , x1 , xn 1 xnx0cf x1 , x2 , xn -f x0 , x1 , xn 1 cf x0 , x1 , , xn .xnx0(b) 如果F ( x)f ( x)g( x) ，那么F x1 , x2 , , xn -F x0 , x1 , , xn 1 F

13、x0 , x1 , , xn xnx0 f x1 , x2 , , xn g x1 , x2 , , xn -f x0 , x1 , , xn 1 g x0 , x1 , , xn 1 xn x0專業(yè)資料整理WORD格式f x1 , x2 , , xn -f x0 , x1 , xn 1 g x1 , x2 , , xn g x0 , x1 , xn 1 xnx0+xnx0f x0 , x1 , , xn g x0 , x1 , , xn 8. 設(shè)f ( x) 3x74 x43x1 ，求012,7， f 20,21, ,28 .f 2,2,解 由 P.35定理 7 的結(jié)論 (2)，得7 階差商

14、f20,21,2 7 =3( f ( x)的最高次方項的系數(shù))，8 階差商f20,21,2 8 =0(8 階以上的差商均等與0).9. 求一個次數(shù)不超過 4 次的多項式P (x)，使它滿足：P(0)P (0)0， P(1)P (1)1 ， P(2)1.解 方法一 先求滿足插值條件P(0)0 ，P(1)=1 ，P(2)1 的二次插值多項式P2( x) =1x23 (L- 插值基函數(shù)或待定系數(shù)法)，22設(shè) P (x) =P2( x)Ax( x 1)(x2) Bx2( x1)( x2)=1x23x + Ax( x1)( x2)Bx2( x1)( x 2)22從而 P ( x) =4Bx3 +(3A9

15、B) x2(6A 4B1) x(2 A3) ，2再由插值條件 P (0)0， P (1)1，得 A=3, B= 1,44所以P( x) =1 x23 x3 x( x 1)( x 2)1 x2 ( x 1)( x 2) ，2244即P( x) = 1 x43 x3+ 9 x2.424專業(yè)資料整理WORD格式方法二 設(shè) P( x) =a0a1 xa2 x2a3 x3a4 x4，那么P ( x) =a12a2 x 3a3 x24a4 x3由插值條件 P(0)P (0)0， P(1)P (1)1 ， P(2)1，得a00a10a0 +a1 +a2 +a3 +a41a1 +2a2 +3a3 +4a41a

16、0 +2a1 +4a2 +8a3 +16a41a =931解得,a = - a,=24324，4從而P (x) = 1 x43 x3+ 9 x2.424方法三利用埃爾米特插值基函數(shù)方法構(gòu)造.10. 下述函數(shù) S( x) 在 1,3 上是3次樣條函數(shù)嗎？x33x22 x1,1x2S( x)=9x222x17,2x3x3解 因為3 x26x2 ,1 x233x21 x82 2 ,x2，S ( x ) =S ( x)=6 x6,1x26 x18,2x3而 S1(2)=1= S2 (2) ， S1 (2)=2= S2(2) ， S1(2)=6= S2 (2) ，又S( x)是三次函數(shù)，所以函數(shù)S( x

17、) 在1,3上是3次樣條函數(shù).補(bǔ) 設(shè) f(x)=x4，試?yán)?L- 余項定理寫出以-1,0,1,2 為插值節(jié)點的三次插值多項式.解 因為R3f ( 4()(x) x( x+1)( x 1)(x 2)，( x)44!專業(yè)資料整理WORD格式從而L3 (x)f (x)R3( x)2x3x22x習(xí)題 3 ( P.159)1設(shè)k(x)nk 0為 a, b上具有權(quán)函數(shù)(x)0的正交多項式組且k (x)為首項系數(shù)為1 的k次的多項式，那么k ( x)nk 0于 a, b線性無關(guān) .解 方法一 因為 k ( x) kn0為 a,b 上具有權(quán)函數(shù)( x)0 的正交多項式組 ,那么其 Gram 行列式不等于零，

18、采用反證法：假設(shè)0 , 1 , , n于a,b線性相關(guān)，于是，存在不全為零c0 , c1 , cn , 使c0 0 ( x)c1 1 ( x)cn n ( x)0, xa,b上式兩邊與i 作內(nèi)積得到c0 ( i ,0 )c1 ( i , 1 )cn ( i , n )0， ( i0,1, n)由 于ci不 全 為 零 ， 說 明 以 上 的 齊 次 方 程 組 有 非 零 解(c0 , c1 , cn ), 故系數(shù)矩陣的行列式為零，即 G0 ,1, n0與假設(shè)矛盾 .方法二 因為 k (x) kn0為 a,b 上具有權(quán)函數(shù)(x) 0 的正交多項式組 ,那么其 Gram 行列式不等于零，由 (P

19、.95)定理 2 得 k ( x) kn0于 a, b 線性無關(guān).專業(yè)資料整理WORD格式2選擇，使下述積分取得最小值專業(yè)資料整理WORD格式(a)1x22dx,(b)1x )2dx x(ex10解 (a)1 xx2 2dx =1 xx2 2dx11=2xx2 (x2 )dx =2x5 11 = 4，1155令1 xx2 2dx=0 ，得 =0 .1(b)1(ex1(exx)2dx0x)2dx =0=1x) (x)dx =222(ex03令1x2，得=3.0( ex)d x= 03設(shè)f (x)1 , x1,3, 試用H11, x求 f ( x) 一次最正確平方逼近x多項式 .解取權(quán)函數(shù)為( x

20、)x (為了計算簡便)，那么專業(yè)資料整理WORD格式3(1,1)xdx1( x, x)33dxx13 1( f ( x),1)1xx2 32 14xxdx4,(1, x) ( x,1)x2dx3326 ,x31313320 ,1x 12， ( f ( x), x)31x2d*234 ，31 x2 1專業(yè)資料整理WORD格式26a0124a02得法方程3，解得11 ，26a14a1320113所以 f (x) 的一次最正確平方逼近多項式P1( x)123 x .1111專業(yè)資料整理WORD格式8什么常數(shù)C能使得以下表達(dá)式最??？專業(yè)資料整理WORD格式n( f ( xi )Ce xi ) 2i 1

21、nn解( f ( xi ) Ce xi ) 2 =2( f ( xi ) Cexi ) (C i 1i1nnf ( xi ) exi令( f ( x ) Cxi e2) = 0Ci 1C i 1i，得ne2x ii 1exi ) ，（ f ( x ), ex（ ex， ex.專業(yè)資料整理WORD格式14用最小二乘法求解矛盾方程組2x+3 y1x4y9 .2xy131x+y解 方法一 方程組可變形為22，x 4 y 91y1x22t3124原問題轉(zhuǎn)化成在三組離散數(shù)據(jù)211f (t)922下求一次最小二乘逼近函數(shù)P1 ( x )xyt (x與y為一次函數(shù)的系數(shù)， t 為自變量 )，取H 1基1,t

22、,求解法方程專業(yè)資料整理WORD格式33tii133titi2i1i 13- 3 x即37y-32x3f ( xi )i1,3yi1t i f ( xi )-9x=- 37，得到矛盾方程組的解為31 .3756y=31專業(yè)資料整理WORD格式x+31y2方法二 方程組可變形為2，x4 y9x1 y122令 I ( x, y)3122112= x+ y- + x4y+9 + xy+22223y-1 x4 y+9+21y+1xI ( x, y) =2 x+2 x2222=6 x6 y18 ，yI ( x, y) = 3 x+ 3 y14 x4 y+91 x1 y+ 1222222=373 xy 3

23、72I ( x, y)0x y3令x， 得3 7，I ( x, y)03 xy3 72y37x解之得矛盾方程組的解為31 .專業(yè)資料整理WORD格式y(tǒng)5631專業(yè)資料整理WORD格式習(xí)題 47. 對列表函數(shù)x124810f ( x )0152127求 f (5)， f (5).解 一階微商用兩點公式(中點公式 ),得f (8)f (2) 10f (5),63專業(yè)資料整理WORD格式二階微商用三點公式(中點公式 ),首先用插值法求f (5) ,由 f (4)5, f (8)21, 得一次插值函數(shù)L1( x) 4x 11,從而f ( 5 ) L1 ( 5 ), 9于是 ,f (5)f (2) 2

24、f (5)f (8) 4 .3298. 導(dǎo)出數(shù)值數(shù)分公式f (3) (x)13 f (x3 h) 3 f (xh ) 3 f ( xh)f (x3 h)h2222并給出余項級數(shù)展開的主部.解 由二階微商的三點公式(中點公式 ),得f( xh1hh3)2 f ( x) 2 f ( x) f ( xh) ,2h222f( xh)12 f ( x3h ) 2 f ( xh) f ( xh)2h222f( xh)fx(h)從而f (3()x)22h=13 f ( x3 h)3 f ( xh)3 f ( xh)f ( x3 h)h2222將 f ( x3 h)， f ( xh)，f ( xh)， f (

25、 x3 h) 分別在x處展開,得2222f ( x3 h)=f ( x)f ( x)3 h1 f ( x)( 3 h)21f (3) ( x)( 3 h)3222!23!21f (4) ( x)( 3 h)41f (5) ( x)( 3 h)5 +O( h5 )(1)4!25!2f ( xh )=f ( x)f ( x)h1f( x) ( h) 21f (3) ( x) ( h)3222!23!21f (4) (x)(h )41f (5) ( x) (h)5O(h5 )(2)4!25!2f ( xh)=f ( x)f ( x)(h)1f( x)(h)21f (3) ( x)( h)3222!2

26、3!21f (4) ( x)(h )41f (5) ( x)(h )5O( h5 )(3)4!25!2專業(yè)資料整理WORD格式f ( x3 h)=f ( x)f ( x)(3 h)1f ( x) (3 h)21 f (3) ( x) (3 h)3222!23!21f (4) ( x)(3 h)41f (5) ( x) (3 h)5O( h5 )(4)4!25!2(1)(2)× 3 + (3)× 3(4), 得f ( xh )12 f ( xh) 2 f ( xh)f ( x3 h)1f (5) ( x)h2O(h2 ) ,2h2228即余項主部為1f (5) ( x)h28

27、習(xí) 題 5(P. 299)3. 設(shè) A R n n為對稱矩陣， 且a110，經(jīng)高斯消去法一步后，A 約化為a11a1T，試證明 A2亦是對稱矩陣 .0A2證明設(shè)Aa11a1T，其中(aij )=A1專業(yè)資料整理WORD格式aa=a21a12a22a23a2 n31a1 =a13，1， a =n1a1nan 2an 3anna11a1T專業(yè)資料整理WORD格式那么經(jīng)高斯消去法一步后，A 約化為1T ，0 A1a1a11因而 A2A11a1T，假設(shè)AR n n為對稱矩陣，那么A1為對稱矩陣，a11且 a1 = ，易知 A2A11a1T為對稱矩陣.a1113.設(shè)A100999998專業(yè)資料整理WOR

28、D格式(1) 計算| A | ,| A |2；專業(yè)資料整理WORD格式(2) 計算 Cond( A) ，及 Cond (A) 2.解 (1)計算 | A | =199 ,10099，A9998，其特征值為1,299 9802又 A10099為對稱矩陣，那么 ATA=A2的特征值為99982(999802)2，因此 | A |2Tmax A2999802；1,2max ( A A)(2)A 19899，|A 1| =199 ，99100所以 Cond( A) = | A | A 1 | =9801，A 19899 為對稱矩陣，其特征值為1,2999802 ，99100那么1 T1=(A12的特征

29、值為2(999802)2，因此(A)A)1,2|A 1|2max ( A 1 )T A 1 )max ( A 1 )2999802所以 Cond( A)2 = | A |2|A 1 |2(999802) 215.設(shè) ARn n , x Rn，求證專業(yè)資料整理WORD格式1xx 1n x(2) 1AA 1n An；.專業(yè)資料整理WORD格式證明 (2)由 1xx1，得Ax1，n xAx nAx那么AxAx 1 n Ax，n xx 1x從而AxmaxAx 1maxn Ax，maxx 1x R nn xx Rnx R nx由算子X數(shù)的定義AmaxnAx， A1maxnAx1 ，x Rxx Rx1專業(yè)資料整理WORD格式得1AA 1n A .n17.設(shè) WR n n為非奇異陣，又設(shè)x 為Rn上一向量X數(shù)，專業(yè)資料整理WORD格式定義x WWx，求證：x W是Rn上