数值分析误差
数值分析中的误差分析与收敛性
数值分析中的误差分析与收敛性数值分析是一门研究利用计算机进行数学计算和问题求解的学科，它在科学计算、工程设计、金融分析等领域中具有广泛的应用。
然而，在数值计算过程中，由于计算机的有限精度和数值算法的近似性质，误差问题成为了一个不可避免的挑战。
因此，了解误差的来源和性质，以及数值计算方法的收敛性，对于保证计算结果的准确性和可靠性非常重要。
本文将探讨数值分析中的误差分析与收敛性问题。
1. 误差的来源及分类在数值计算中，误差可以分为四类：舍入误差、截断误差、模型误差和舍入误差。
舍入误差是由于计算机内部使用有限位数表示实数导致的误差，它来源于将实数近似为计算机可表示的数值。
截断误差是在计算过程中采取舍入法或截断法将无限级数或无限小量等进行有限近似所引入的误差。
模型误差是将实际问题用数学模型进行近似所引入的误差，它包括了模型的简化和不完全描述等因素。
舍入误差是由于使用有限位数存储和运算导致的误差。
2. 误差的度量方法误差的度量方法包括绝对误差和相对误差。
绝对误差是指数值近似解与真实解之间的差值，它可以用来度量数值计算的准确度。
相对误差是绝对误差除以真实解的绝对值后得到的比值，它可以用来度量数值计算的相对准确度。
通过对误差进行度量和分析，可以评估数值计算方法的准确性，并选择合适的数值方法来解决实际问题。
3. 收敛性在数值计算中，所谓的收敛性是指数值方法的逼近解序列以某种方式趋近于真实解。
一个数值方法是收敛的，意味着当步长趋于0时，逼近解趋近于真实解。
收敛性的评估是数值分析中一个重要的问题，它关系到数值方法的稳定性和可靠性。
常见的收敛性分析方法包括局部截断误差、阶、收敛速度等。
局部截断误差是用来评估数值方法在每个步长上的近似误差，阶是用来度量数值方法逼近真实解的速度。
4. 提高数值计算的准确性与可靠性为了提高数值计算的准确性与可靠性，我们可以采取多种方法。
首先，选择合适的数值方法和算法，确保其满足问题的数学性质和准确性要求。
数值分析误差
I k −1
11 ( k = n, n − 1,…,2,1) = − Ik 5k
(1 − 3)
依式（ 依式（1-3）计算
* 0
的近似值。 I n −1 , I n − 2 ,…, I 1 , I o 的近似值。
* 14
1 1 1 分别取 I = 0.18232155， I = + ≈ 0.01222222 2 6 × 15 5 × 15 按算法1、算法 2的计算结果见下屏表 1 − 1：
逆向递推公式在数学上完全等价，却导致两种完全不同的 逆向递推公式在数学上完全等价， 算法。对于实数序列的递推由于初始误差的存在，可以一 算法。对于实数序列的递推由于初始误差的存在，
种方向的递推会使误差扩大， 种方向的递推会使误差扩大，而另一方向的递推会使得误 差逐步减小。在设计（选用） 差逐步减小。在设计（选用）算法时要用使初始误差不增 长的算法。 长的算法。
1 3 1 5 作近似计算， 取 S = x − x + x ，作近似计算，则 3! 5! 为其截断误差。 为其截断误差。
R = sin x − S
条 件 问 题
计算方法中有一类问题称为条件问题， 公式） 条件问题是一个算法 （公式）由于初始 数据或者中间某些数据微小摄动对计算结 果产生影响的敏感性的问题。舍入误差、 果产生影响的敏感性的问题。舍入误差、 观测误差都属初始数据的摄动。研究坏条 观测误差都属初始数据的摄动。 件问题的计算方法是十分重要的课题， 件问题的计算方法是十分重要的课题，有 的时候，一些问题的条件并不坏， 的时候，一些问题的条件并不坏，但由于 算法不恰当， 算法不恰当，初始数据的微小摄动或舍入 误差在计算过程中不断被放大，而可能导 误差在计算过程中不断被放大， 致计算结果的精度大大降低， 致计算结果的精度大大降低，甚至使计算 失去意义。
数值分析误差限的计算公式
数值分析误差限的计算公式1、误差x∗为 x 一个近似值绝对误差：e∗=x∗−x相对误差：e∗r=e∗x=x∗−xx，由于真值 x 总是不知道的，通常取e∗r=e∗x∗=x∗−xx∗误差限：|x∗−x|≤ε∗相对误差限：ε∗r=ε∗|x∗|ε(f(x∗))≈|f′(x∗)|ε(x∗)2、插值法记ωn+1(x)=(x−x0)(x−x1)⋯(x−xn)Lagrange 插值多项式系数：lk(xk)=(x−x0)⋯(x−xk−1)(x−xk+1)⋯(x−xn)(xk−x0)⋯(xk−xk−1)(x −xk+1)⋯(x−xn)Lagrange 插值多项式：Ln(x)=∑k=0nlk(x)yk=∑k=0nykωn+1(x)ω′n+1(xk)(x−xk) 余项：记 Mn+1=maxa≤x≤b|fn+1(x)|R(x)=fn+1(ξ)ωn+1(x)(n+1)!≤Mn+1(n+1)!|ωn+1(x)|均差与 NewTon 插值多项式一阶均差：f[x0,xk]=f(xk)−f(x0)xk−x0k 阶均差：f[x0,x1,⋯,xk]=f[x0,⋯,xk−2,xk]−f[x0,⋯,xk−2,xk−1]xk−xk−1f[x0,x1,⋯,xn]=f(n)(ξ)n!(x0,x1,⋯,xn,ξ∈[a,b])f[x0,x1,⋯,xk]=∑j=0kf(xj)ω′k+1(xj)NewTon 插值多项式：Pn(x)=f(x0)+f[x0,x1](x−x0)+f[x0,x1,x2](x−x0)(x−x1)+⋯+f[x0,x1,⋯,xn](x−x0)(x−x1)⋯(x−xn−1)余项：R(x)=f[x0,x1,⋯,xn]ωn+1(x)Hermite 插值Taylor 多项式：Pn(x)=f(x0)+f′(x0)(x−x0)+⋯+f(n)(x0)n!(x−x0)n余项：R(x)=f(n+1)(ξ)(n+1)!(x−x0)n+1若已知 f(x0),f′(x1),f(x1),f(x2)：P(x)=f(x0)+f[x0,x1](x−x0)+f[x0,x1,x2](x−x0)(x−x1)+A(x−x0)(x−x1)(x−x2)其中 A 由 P′(x1)=f′(x1) 可得余项：R(x)=14!f(4)(ξ)(x−x0)(x−x1)2(x−x2)两点三次 Hermite 插值多项式：H3(x)=αk(x)yk+αk+1(x)yk+1+βk(x)mk+βk+1(x)mk+1其中 mk=f′(xk),mk+1=f′(xk+1)⎧⎧⎧⎧⎧⎧⎧⎧⎧⎧⎧αk(x)=(1+2x−xkxk+1−xk)(x−xk+1xk−xk+1)2αk+1(x)=(1+2x−xk+1xk−xk+1)(x−xkxk+1−xk)2⎧⎧⎧⎧⎧⎧⎧⎧⎧⎧⎧βk(x)=(x−xk)(x−xk+1xk−xk+1)2βk+1(x)=(x−xk+1)(x−xkxk+1−xk)2余项：R(x)=f(4)(ξ)4!(x−xk)2(x−xk+1)2分段低次插值h=b−an对每个小区间使用对应插值公式求 Ih(x)余项对分段线性插值函数：maxa≤x≤b|f(x)−Ih(x)|≤M28h2对分段三次埃尔米特插值：maxa≤x≤b|f(x)−Ih(x)|≤M4384h43、数值积分代数精度定义：如果某个求积公式对于次数不超过 m 的多项式均能够准确成立，但对于 m+1 次多项式就不准确成立，则称该公式具有 m 次代数精度梯形公式公式与中矩形公式梯形公式：∫baf(x)dx≈b−a2f(a)+b−a2f(b)余项：R[f]=−(b−a)312f′′(η)(η∈(a,b))矩形公式：∫baf(x)dx≈(b−a)f(a+b2)余项：R[f]=(b−a)324f′′(η)(η∈(a,b))Newton-Cotes 公式将积分区间 [a,b] 分成 n 等分Simpson 公式（n=2）：∫baf(x)dx≈b−a6f(a)+b−a6f(b)+2(b−a)3f(a+b2)余项：R[f]=−(b−a)5180∗24f(4)(η)(η∈(a,b))Cotes 公式（n=4）：C=b−a90[7f(x0)+32f(x1)+12f(x2)+32f(x3)+7f(x4)]余项：R[f]=−2(b−a)7945∗46f(6)(η)(η∈(a,b))复合求积公式积分区间 [a,b] 分成 n 等分，步长 h=b−an复合梯形公式：Tn=h2[f(a)+2∑k=0n−1f(xk)+f(b)]余项：Rn(f)=−b−a12h2f′′(η)复合 Simpson 求积公式：Sn=h6[f(a)+2∑k=0n−1f(xk)+4∑k=1n−2f(x(k+1)/2)+f(b)] 其中 x(k+1)/2=xk+h2Rn(f)=−b−a180(h2)4f(4)(η)龙贝格求积算法T(0)0=h2[f(a)+f(b)]求梯形值 T0(b−a2k)，利用递推公式求 T(k)0，递推公式：T2n=12Tn+h2∑k=0n−1f(xk+12)求加速值：T(k)m=4m4m−1Tk+1m−1−14m−1T(k)m−1k=1,2,⋯高斯-勒让德求积公式积分区间为 [−1,1]∫1−1f(x)dx≈∑k=0nAkf(xk)余项：n=1 时，R1[f]=1135f(4)(η)4、解线性方程组的直接方法列主元高斯消去法在每次消元时，选取列主元在最前面，列主元为该列最大值矩阵三角分解法如果 n 阶矩阵 A 的各阶顺序主子式 Dk(k=1,2,⋯,n−1) 均不为零，则必有单位下三角矩阵 L 和上三角矩阵 U，使得 A=LU，并且 L 和 U 是唯一的。
数值分析中的误差估计理论
数值分析中的误差估计理论数值分析是研究通过数值计算方法来解决数学问题的学科。
在数值计算过程中，由于计算机本身的限制以及数值计算方法的局限性，必然会引入一定的误差。
误差估计理论是数值分析中的重要内容，它的主要任务是评估数值计算结果的准确性，并为我们提供合理的结果判断依据。
一、误差类型在进行误差估计之前，我们首先需要了解误差的分类。
在数值计算中，误差可以分为截断误差和舍入误差两种类型。
1. 截断误差：截断误差是由于数值计算方法的有限步骤导致的近似解与准确解之间的差距。
通常情况下，我们使用有限级数或多项式来近似某个函数，但是由于级数或多项式只能截取有限的项数，从而无法精确地表示原函数，所以会引入截断误差。
2. 舍入误差：舍入误差是由于计算机在存储和表示数值时的有限精度所引起的误差。
计算机只能存储有限位数的数字，而且在计算过程中会进行舍入操作，从而导致精确数字的丢失和近似数字的产生。
二、误差估计的方法误差估计的方法主要包括局部误差估计和全局误差估计两种。
1. 局部误差估计：局部误差估计方法是通过分析数值计算方法的近似性质，对每一步计算过程的误差进行估计。
通常情况下，我们会使用泰勒级数展开来近似求解函数值，然后通过对级数剩余项的估计来获得局部误差的上界。
2. 全局误差估计：全局误差估计方法是通过分析数值计算方法的整体性质，对整个计算过程的误差进行估计。
该方法通常使用数值稳定性定理或者收敛速度分析来评估数值计算的精度，从而给出全局误差的上界。
三、误差控制策略在数值计算中，确保误差控制是非常重要的。
误差控制策略通过采用合适的数值计算方法和调整计算过程的步骤，减小误差并控制误差的传播，从而提高结果的准确性。
1. 精确算法选择：在进行数值计算之前，我们需要评估不同数值计算方法的精确性和稳定性，并选择适合的方法。
合适的数值计算方法可以最大程度地减小误差的产生。
2. 步长控制：对于迭代算法或差分方法，我们可以通过控制步长的大小来控制误差。
数值分析 误差知识与算法知识
一、误差的来源与分类 二、 绝对误差、相对误差与有效数字
三、误差估计的基本方法
四、算法的计算复杂性 五、数值运算中的一些原则
1.2误差知识与算法知识
一、误差的来源与分类 模型误差 (描述误差 ) ( 测量误差) (方法误差 ) ( 计算误差 )
观测误差
截断误差 舍入误差
建模过程中 产生的误差
三、误差估计的基本方法 （一）误差估计的一般运算 一元函数：
e( f (a)) f (a) e(a)
二元函数：
( f (a)) f (a) (a)
f (a, b) f (a, b) e( f (a, b)) e(a) e(b) x y
f (a, b) f (a, b) ( f (a, b)) ( a) (b) x y
Tn an 秦九韶算法 Tk xTk 1 ak , k n 1, n 2,,1,0 p ( x) T 0 n
加法次数： n
n(n 1) 乘法次数： 2
pn ( x) a0 x(a1 x(a2 x(an1 xan ) )
有效数字=可靠数字+存疑数字
（3）有效数字 有效数字的定义： 设a是x的近似值，如果a的误差绝对值不超过x 的第k位小数的半个单位，即
则称近似值a准确到小数点后第k位。 从这个小数点后第k位数字直到最左边非零数 字之间的所有数字都叫有效数字。
1 k x a 10 2
1 1 2 (2.18) 10 (2.1200) 10 4 2 2
例8 设有三个近似数
a=2.31, b=1.93, c=2.24 它们都有三位有效数字,试计算 p a bc, ( p), r ( p), 并问:p的计算结果能有几位有效数字? 教材例4
数值分析中的误差
第9章 数值分析中的误差 典型问题解析考试知识点：误差、有效数字。
（6%）学习要点：误差、有效数字。
典型问题解析：一、误差绝对误差e ：e =x －x *（设精确值x *的近似值x ， 差e =x －x *称为近似值x 的绝对误差(误差)）。
绝对误差限ε：ε≤-=*x x e（绝对误差限ε是绝对误差e 绝对值的一个上界。
）相对误差e r ：***-==x x x x e e r （绝对误差e 与精确值x *的比值，常用x e e r =计算） 相对误差限r ε：r r e ε≤（相对误差e r 绝对值的一个上界），r r x x x x e εε=≤-=||||||***，*xr εε=，常用x ε计算. 绝对误差限的估计式：（四则运算中）)()()(2121x x x x εεε+=± )()()(122121x x x x x x εεε+≈22122121+=x x x x x x x )()()(εεε 二、有效数字有效数字：如果近似值x 的误差限ε 是它某一个数位的半个单位，我们就说x 准确到该位. 从这一位起到前面第一个非0数字为止的所有数字称为x 的有效数字.(1)设精确值x *的近似值x ，若m n a a a x 10.021⨯±=a 1,a 2,…,a n 是0～9之中的自然数，且a 1≠0，n l x x l m ≤≤110⨯50=≤--,.*ε 则x 有l 位有效数字.例1 设x *= π=3.1415926…,若x *的近似值x 为3.14，3.1415，3.143，求x 的有效数字位数.解：若x =3.14＝0.314×101，（m =1）31105.06592001.0-*⨯≤=- x x （l =3）故x =3.14有3位有效数字。
若x =3.1415＝0.31415×101，（m =1）41105.00000926.0-*⨯≤=- x x （l =4）故x =3.1415有4位有效数字。
数值分析实验 误差分析
数值分析实验误差分析一、引言数值分析是研究用数值方法处理数学问题的学科。
在数值计算中，由于测量误差、近似误差、截断误差和舍入误差等因素的影响，计算的结果与实际值可能存在一定程度的误差。
因此，在进行数值分析实验时，正确评估误差是非常重要的。
本文将从误差类型、误差分析方法等方面进行详细介绍。
二、误差类型1.测量误差。
由于测量仪器的制造、使用环境等因素的影响，测量结果与实际值之间存在偏差，这就是测量误差。
常见的测量误差有系统误差和随机误差。
其中，系统误差是由测量仪器本身的固有误差造成的偏差，随机误差则是由于测量仪器使用条件的不同而产生的偏差。
2.近似误差。
由于迫于计算机存储空间和运算精度的限制，数值计算中通常采用有限的、近似的算法来求解问题。
因此，近似误差是计算方法本身的误差所引起的。
3.截断误差。
因为在有限步数之内求解无限级数或积分等问题是不可能的，所以在实际计算中只能取一定的计算级数或增量来作为代替。
这样，在运算的过程中，我们总是保留最后一位是四舍五入到一定的位数。
这样，由于省略了无限级数的其余项，计算结果与实际值之间产生的误差就是截断误差。
4.舍入误差。
计算机表示数字的位数是有限的，当我们将一个实数舍入到有限的位数时，就会导致计算结果与实际值之间的差距，这就是舍入误差。
三、误差分析方法误差分析是数值分析实验中最基本的计算过程之一，而误差分析所依据的便是数学中的数值分析的基本原理。
对于数值分析实验中所产生的误差而言，目前主要有以下几种误差分析方法：维恩积分估计法、泰勒展开法、拉格朗日插值法等。
1.维恩积分估计法。
利用维恩积分估计法，可以粗略地估计出误差大小的上下限。
该方法的基本思想是：先根据计算结果求出解析解，然后在得到的解析解处求出其导数或高阶导数，再根据误差项的表达式，得到误差估计表达式，从而计算误差的上下界。
2.泰勒展开法。
利用泰勒展开法，可以把计算值的误差展开成某一阶导数之差的形式。
通过泰勒展开公式对计算结果做二阶近似展开，然后把相应的二阶导数用实际值代替即可。
数值分析中的误差传播理论
数值分析中的误差传播理论
误差传播理论是数值分析领域中的重要理论之一，它用于研究数值
计算中的误差如何随着计算过程的进行而逐步累积或减小。
在实际的
数值计算中，由于浮点数表示精度有限、截断误差、舍入误差等原因，误差是无法完全避免的。
因此，了解误差传播理论对于提高数值计算
的准确性和稳定性至关重要。
误差传播理论主要包括截断误差和舍入误差两个方面。
截断误差是
由于数值计算中采用截断近似导致的误差，舍入误差是由于计算机在
表示实数时采用有限精度浮点数表示法引入的误差。
在数值计算过程中，这两种误差会相互影响，相互传播，从而影响最终计算结果的准
确性。
当进行多步数值计算时，每一步的计算结果都会带有误差。
这些误
差在后续计算中会被传播，并随着计算的进行而累积。
因此，为了减
小误差的传播，需要采取一些措施，比如适当选择计算方法、合理设
计算法、增加计算精度等。
误差传播理论对于数值计算中的算法设计、收敛性分析和稳定性评
价起着重要作用。
通过对误差传播过程的深入研究，可以帮助我们更
好地理解数值计算中的误差来源和传播规律，有助于提高数值计算方
法的精度和效率。
总之，误差传播理论是数值计算中不可或缺的理论基础，只有充分
理解和掌握误差传播规律，才能有效地提高数值计算的准确性和稳定
性，确保计算结果的可靠性。
希望通过对误差传播理论的深入研究和应用，能够为数值计算领域的发展和应用带来更多的启发和帮助。
讨论数值分析第五版中的误差分析方法。
讨论数值分析第五版中的误差分析方法。
原题目：讨论数值分析第五版中的误差分析方法
数值分析是解决实际问题中的数学方法，但由于测量仪器的不确定性、四舍五入误差、截断误差等因素造成了误差。
本文将讨论数值分析第五版中的误差分析方法。
误差主要分为绝对误差和相对误差。
- 绝对误差表示为 $E_a = |x - x_0|$
- 相对误差表示为 $E_r = |x - x_0|/|x_0|$
而数值分析中的误差主要分为舍入误差和截断误差：
- 舍入误差：计算时需要将无限小数缩小，所得的有限小数即为舍入误差。
- 截断误差：数值分析方法需要将所选的计算公式在某些地方进行近似，所得结果与精确解之差即为截断误差。
在实际数值分析中，误差的控制非常重要，因为误差可能会对
最终的计算结果产生很大影响。
数值分析中有很多减小误差的方法，比如增加小数位数、选择合适的计算公式和算法等等。
在实际应用中，要注意以下事项：
- 尽量避免使用不同原理的仪器测量或者使用测量范围不同的
仪器测量。
- 合理判断和控制误差对计算结果的影响。
- 遵循科学测量的要求，确保测量结果真实可靠，如果实验数
据存在异常，应根据科学理论和实验规律分析异常产生的原因，选
择合适的方法处理。
因此，在数值分析中，通过合理分析误差因素的影响，在实验
设计、计算方法选择等方面坚持精益求精，不断提高数值分析水平，是获取精确结果的重要途径。
数值分析中的误差分析
数值分析中的误差分析
误差与数值计算的误差估计
误差可以分为以下四种 • • • • 模型误差 观测误差 截断误差 舍如误差
误差与有效数字
• 绝对误差与绝对误差限 设某一量的精确值为x，其近似值为 X * ，则称 为近似值 X 的绝对误差，简称误差 当E（x）>0时,称为弱近似值或亏近似值，当E(x)<0时，称 X *为强近似值或盈近似值． 一般的，某一量的精确值x是不知道的，因而E(x)也无法求 出，但往往可以估计出E(x)的上界，即存在，使得
E ( x) = x − X x) |=| x − x* |<= η
此时，称为近似值的绝对误差限，简称误差限或精度
• 相对误差与相对误差限 E ( x) x − x* Er( x) = = 绝对误差与精度值之比，即称 x X * X 的相对误差．在实际中，由于精确值x一般无 为近似值 x − x* * 法知道，因此往往取 Er ( x) = 作为近似值的相对误差．
x*
类似于绝对误差的情况，若存在 δ ＞０ ，使得 x − x* * | Er ( x) |=| * |<= δ 则称 δ 为近似值 X 的相对误差限， x 相对误差是无量刚的数，通常用百分比表示，称为百分误 差．
• 有效数字 为了能给出一种数的表示法，使之能表示其 大小，又能表示其精确程度，于是需要引 进有效数字的概念．再实际计算中，当准 确值x有很多位时，我们常按四舍五入得到 的近似值． ｜若近似值的绝对误差限
数值分析中的误差分析与收敛性
数值分析中的误差分析与收敛性数值分析是一门研究使用计算机进行数值计算的学科，它广泛应用于工程、科学和金融等领域。
在数值计算中，误差分析和收敛性是两个重要的概念。
本文将深入探讨数值分析中的误差分析和收敛性，并介绍它们的应用和意义。
一、误差分析在数值计算中，由于使用的是有限的计算机资源和近似的计算方法，无法得到完全准确的结果。
因此，误差分析成为一项必不可少的工作。
误差可以分为绝对误差和相对误差两种。
绝对误差是指数值计算的结果与真实值之间的差别，常用符号表示为Δx。
相对误差是指绝对误差与真实值之比，常用符号表示为εx。
绝对误差和相对误差可以通过以下公式计算：绝对误差：Δx = |x - x*|相对误差：εx = |(x - x*)/x*|其中，x表示近似值，x*表示真实值。
误差分析的目的是评估数值计算的精度和稳定性。
当误差较小且符合预期范围时，可以认为数值计算结果是可靠的。
二、收敛性在数值分析中，收敛性是指使用逼近方法得到的数值序列逐渐接近于准确值的性质。
收敛性分析是评估逼近方法有效性的重要手段。
常见的收敛性准则包括绝对收敛和相对收敛。
绝对收敛是指逼近序列的差值趋近于零，即对于任意给定的正数ε，存在正整数N，对于所有n>N，有|xn+1 - xn| < ε。
相对收敛是指逼近序列的比值趋近于一，即对于任意给定的正数ε，存在正整数N，对于所有n>N，有|(xn+1 -xn)/xn| < ε。
收敛性分析可以帮助我们评估数值计算方法的有效性和稳定性。
当逼近序列满足收敛准则时，可以认为该方法是可靠且收敛的。
否则，需要重新评估和改进计算方法。
三、误差分析与收敛性的应用误差分析和收敛性是数值分析中不可或缺的工具，其应用广泛且重要。
1. 误差分析在数值模拟中的应用数值模拟是利用数值方法来模拟和求解物理问题的过程。
在数值模拟中，误差分析可以帮助我们判断计算结果的可靠性，评估模拟的精度和稳定性。
通过分析误差来源和大小，可以优化计算方法，提高模拟结果的准确性。
数值分析_第一章_误差
的关系. 解
e( y ) e( x n ) nx n1e( x )
e( y ) nx n1e( x ) e( x ) er ( y ) n ner ( x ) n y x x
所以xn 的相对误差是 x 的相对误差的n倍. x2的相对误差是 x 的相对误差的 2 倍,
x 的相对误差是 x 的相对误差的 1/2 倍.
一位的所有数字均称为有效数字.
例： 3.1415926535 897932 ......;
问： *有几位有效数字？ 解： |π * π| 0.5 10 3
* 3.1415
* 有4 位有效数字，精确到小数点后第3 位
3
例
已知下列近似值的绝对误差限都是0.005, 问
问应取几位有效数字？ 解 由于 2 1.414, 则近似值x*可写为
x* 0.a1a2 an 101 ,
a1 1 0.
令
1 2 x * 101 n 10 5 2
故取 n=6，即取 6 位有效数字. 此时 x*=1.41421.
5
例
设 y=xn, 求 y 的相对误差与 x 的相对误差之间
例 用毫米刻度的米尺测量一长度 x, 如读出的长度
是 x*=765 mm, 由于误差限是 0.5 mm, 故准确值
x [764.5 mm , 765.5 mm ].
精确值x , 近似值 x* 和误差限 之间满足：
x * x x *
通常记为
x x *
1
例 设 x*=1.24是由精确值 x 经过四舍五入得到的 近似值, 求x*的绝对误差限和相对误差限. 解 由已知可得: 1.235 x 1.245
《数值分析》第一章 数值计算中的误差
值，其绝对误差限等于该近似值末位的半个单位。
14
§2 舍入方法与有效数字
2.2 舍入方法
2.2.2四舍五入法
• 例：设a=-2.18和b=2.1200是分别由准确值x和y 经过四舍五入而得到的近似值，问: a、b的绝 对误差限、相对误差限各是多少？
解： (a) 0.005 0.5 102
(b) 0.00005 0.5104
n位
≤ 0 . 0 … 0 999... < 0 . 0 … 0 1=1×10－n
n位
n-1位
• 截断法产生的绝对误差限不超过近似数a最末位 的1个单位。
11
§2 舍入方法与有效数字
2.2 舍入方法
2.2.2四舍五入法
• 四舍情况，
A=a0 a1 … am . am+1 … am+n
• 当am+n+1 =0,1,2,3,4时，
4
§2 舍入方法与有效数字
5
§2 舍入方法与有效数字
2.1 绝对误差与相对误差
• 近似数a的绝对误差 ， 简称误差 设a是精确值A的近似值，
=a－A
• 绝对误差限 ||=|a－A|<(上界)
• 由上式可推知 a－ <A<a+，也可表示为A=aAFra biblioteka-a
a+
6
§2 舍入方法与有效数字
2.1 绝对误差与相对误差
• 相对误差 ： 绝对误差与精确值之比 =/A。 • 实际计算/a。
代替后误差
a A 1 2
A a Aa
Aa
• 相对误差限 ||=|/a |< /|a|＝ (上界)
• 绝对误差是有量纲的量，相对误差没有量纲,有时 亦用百分比、千分比表示。
数值分析中的误差分析方法
数值分析中的误差分析方法数值分析是一门研究离散数据逼近和连续函数求解的学科，广泛应用于科学、工程和金融等领域。
在数值计算过程中，误差是不可避免的，因此准确评估和分析误差是至关重要的。
本文将介绍数值分析中常用的误差分析方法，以帮助读者更好地理解误差来源和影响，从而提高数值计算的准确性和可靠性。
一、绝对误差和相对误差绝对误差是指数值计算结果与真实值之间的差异。
在数值分析中，我们往往无法得知真实值，因此无法直接计算绝对误差。
相对误差则是相对于近似值的误差，它可以更好地反映计算结果的准确性。
二、截断误差截断误差是由于采用有限的计算步骤或取舍了一些无限级数的项而引入的误差。
在数值计算中，我们通常使用近似方法，如级数展开和数值积分等。
由于截断误差的存在，我们得到的结果与真实值之间会有一定的差距。
截断误差的大小取决于所采用的数值方法和步长，可以通过逐步减小步长来减小截断误差。
三、舍入误差舍入误差是由于对无限精度数进行有限舍入导致的误差。
计算机中的数值表示是有限的，而真实数值通常是无限的。
因此，在计算机中进行数值计算时，会存在一定程度的舍入误差。
舍入误差可以通过采用更高精度的数据类型或者使用舍入误差分析技术来减小。
四、传播误差传播误差是由于输入数据的不确定性或测量误差在数值计算过程中扩散而引入的误差。
在实际问题中，输入数据通常带有不确定性，例如测量误差或近似值。
这些不确定性会随着计算的进行而传播，影响到计算结果的准确性。
传播误差需要通过敏感性分析等方法来进行评估和控制。
五、误差估计误差估计是通过数值分析方法来评估近似解与真实解之间的误差。
常用的误差估计方法包括残差估计、收敛性分析和算例分析等。
残差估计法通过计算数值解与原方程的残差来估计误差的大小。
收敛性分析则通过逐步减小步长和比较不同精度下的数值解来判断数值方法是否收敛。
算例分析是通过计算实际问题的已知解或近似解来评估数值方法的误差。
六、误差限制和误差控制误差限制和误差控制是保证数值计算结果准确性和可靠性的重要手段。
数值分析中的误差传播理论
数值分析中的误差传播理论数值分析是研究如何通过数值方法解决实际问题的学科。
在数值计算过程中，误差是无法避免的，而误差传播理论则是用来分析误差如何随着计算过程的进行逐渐累积和传播的。
一、误差的来源在数值计算中，误差主要来自以下几个方面：1. 输入数据的误差：由于测量误差或者实验误差，导致输入数据的不准确性。
2. 近似误差：由于进行数值计算时，所使用的近似方法无法完全准确地表示原始问题。
3. 舍入误差：由于计算机进行运算时，只能表示有限位数的数字，因此在计算过程中会产生舍入误差。
4. 算法误差：由于所采用的数值方法本身的局限性，导致计算结果与真实值之间存在误差。
二、误差的传播误差传播是指在一个数值计算中，初始误差如何通过各种计算过程逐渐传递，并最终影响到计算结果。
误差传播的过程可以用以下公式表示：Δf = |df/dx₁ * Δx₁| + |df/dx₂ * Δx₂| + ... + |df/dxₙ * Δxₙ|其中，Δf表示结果的误差，df/dx₁表示函数f对于变量x₁的偏导数，Δx₁表示变量x₁的误差，以此类推。
误差传播可以分为两种主要类型：1. 绝对误差传播：在绝对误差传播中，初始误差的大小会随着计算过程的进行而不断增加。
这是因为误差在各个计算步骤中会相互累积，并最终导致结果的误差变大。
2. 相对误差传播：在相对误差传播中，初始误差的大小会随着计算过程的进行而缩小。
相对误差传播通常发生在一些迭代计算方法中，例如牛顿迭代法。
三、控制误差传播的方法为了控制误差传播，保证计算结果的准确性，我们可以采取以下方法：1. 提高数值计算的精度：使用更高精度的计算方法和数据类型，以减小舍入误差的影响。
2. 选择合适的数值方法：根据问题的特点选择适当的数值方法，尽可能减小近似误差。
3. 将问题转化为良条件问题：通过改变问题的形式，使得计算过程中的误差更容易被控制和减小。
4. 进行误差估计和控制：在计算过程中，通过估计误差的大小，并及时进行误差控制，可以最大限度地减小误差的传播和累积。
第一章数值分析(误差分析)
* e x x * e r * * x x x x* er 则称η 为 x* 的相对误差限。 x
如果
这时 x=10,
x*=10±1;
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第一章 绪论与误差分析
2
本章内容安排
1. 目的意义：了解计算数学的背景知识；掌握误 差的基本知识 2.重 点：误差来源、误差表示、误差传播 及算法设计原则 3.难 点：有效数字 4.内容分配： 第 1 次：§1 计算数学研究的对象和内容 第
§2 误差的来源和分类 2 次：§3 误差的表示 §4 误差的传播 §5 算法设计的若干原则
由于计算机的字长有限，参加运算的数据以及计算结 果在计算机上存放时，计算机会按舍入原则舍去每个数据 字长之外的数字，从而产生误差，这种误差称为舍入误差 或计算误差。 例如，在十进制十位的限制下，会出现 (1.000002)2-1.000004=0
这个结果是不准确的，准确的结果应是 (1.000002)2-1.000004 =1.000004000004-1.000004=4×10-12 这里所产生的误差就是计算舍入误差。 在数值分析中，一般总假定数学模型是准确的，因而 不考虑模型误差和观测误差，主要研究截断误差和舍入误 差对计算结果的影响。
则有误差限 |x-x*|≤1= εx ,
虽然εy是εx 的3倍，但在1000内差3显然比10内差1更精确 些。这说明一个近似值的精确程度除了与绝对误差有关 外，还与精确值的大小有关，所以这时可以用相对误差 来比较这两个近似数的准确度。
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第一章 绪论与误差分析
e x x 定义1 .2 记 er x x 则称其为近似值 x *的相对误差。 由于 x 未知， 实际使用时总是将 x * 的相对误差取为
数值分析误差及分析
数值分析误差及分析数值分析是一种通过数学方法和计算机模拟来处理和解决实际问题的方法。
然而，由于计算机的运算能力和存储能力有限，以及问题本身的复杂性，数值分析往往会引入一定的误差。
误差是指数值计算结果与真实值之间的差异，它分为截断误差和舍入误差两种类型。
截断误差是由于在数值分析过程中对无限小量和无限级数的截取而产生的误差。
无限小量是指小到可以忽略不计的量，无限级数是指由无限多个项相加的数列。
在实际计算过程中，为了获得可计算的结果，人们往往只考虑有限项的计算，这就导致了截断误差的出现。
截断误差的大小与问题本身的性质以及截止条件的选择有关。
舍入误差是由于计算机内部的浮点数表示方式而引入的误差。
计算机内部使用有限的位数来表示实数，这就不可避免地导致了浮点数的精度问题。
当计算结果需要表示的位数超过了计算机所能表示的范围时，就会发生舍入误差。
舍入误差的大小与计算机的表示精度以及计算过程中的计算次数有关。
为了减小误差，提高数值分析的精度，可以采取以下方法：1.增加计算机的位数：增加计算机的位数可以扩大浮点数的表示范围，从而减小舍入误差的发生概率。
2.使用更高精度的数据类型：在一些特殊情况下，为了提高计算结果的精度，可以使用更高精度的数据类型，如使用双精度浮点数代替单精度浮点数。
3.改进算法：优化算法可以减小截断误差的影响，例如使用数值积分的自适应算法、迭代法等。
4.选择合适的截止条件：在数值分析过程中，需要选择适当的截止条件。
截止条件的选择既不应过于严格，以免造成大的截断误差，也不应过于宽松，以免在计算机内部引入较大的舍入误差。
5.进行误差分析：在数值分析过程中，应该对误差进行分析和估计。
可以通过理论方法、数值试验和统计方法等途径来估计误差的上界或下界，从而评估计算结果的可靠性。
总而言之，数值分析误差是不可避免的，但可以通过增加计算机位数、改进算法、选择合适的截止条件、使用高精度数据类型和进行误差分析等方法来减小误差，提高数值分析的精度和可靠性。
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例 设 x*=1.24是由精确值 x 经过四舍五入得到的 近似值, 求x*的绝对误差限和相对误差限.
解 由已知可得: 1.235 x 1.245
所以 e =0.005,
er 0.005 1.24 0.4%.
一般地, 凡是由准确值经过四舍五入得到的近似 值, 其绝对误差限等于该近似值末位的半个单位.
7
模型误差 数学模型通常是由实际问题抽象得到 的，一般带有误差，这种误差称为模型误差.
观测误差 数学模型中包含的一些物理参数通常 是通过观测和实验得到的，难免带有误差，这种误 差称为观测误差.
截断误差 求解数学模型所用的数值方法通常 是一种近似方法，这种因方法产生的误差称为截 断误差或方法误差.
x [764.5 mm, 765.5 mm].
精确值x , 近似值 x* 和误差限 e 之间满足： x * e x x * e
通常记为
x x * e
12
绝对误差有时并不能完全地反映近似值的好坏， 如测量 100 m 和 10 m 两个长度，若它们的绝对误 差都是 1 cm，显然前者的测量结果比后者的准确.
矩阵特征值的计算
数值逼近：插值法，函数逼近
数值微分与数值积分
非线性方程求解 微分方程近似求解
常微分方程数值解法
偏微分方程数值解法
5
第一章 误差
§1 误差的来源
§2 绝对误差、相对误差和有效数字
§3 数值计算中误差的传播
§4 数值计算中应注意的几个问题
6
§1 差 截断误差 舍入误差
* 有4位有效数字，精确到小数点后第3位
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例 已知下列近似值的绝对误差限都是0.005, 问 它们具有几位有效数字? a=12.175, b=－0.10, c=0.1, d=0.0032
解 由于0.005＝0.5×10－2,
所以 a 有4位有效数字1, 2, 1,7; b 有2位有效数字1, 0; c 有1位有效数字1; d 没有有效数字.
εr
ε x*
0.5 10mn 0.a1a2 ... an 10m
10n 2 0.a1...
1 10n1 2a1
20
相对误差限 有效数字
已知 x* 的相对误差限可写为
解 由于 2 1.414 , 则近似值x*可写为 x* 0.a1a2 an 101, a1 1 0. 令 2 x * 1 101n 105 2
故取 n=6，即取 6 位有效数字. 此时 x*=1.41421.
19
相对误差限与有效数字之间的关系.
有效数字 相对误差限
已知 x* =0.a1a2…an×10m有 n 位有效数字，则其 相对误差限为
17
有效数字的另一等价定义
数x*总可以写成如下形式 x* 0.a1a2 an 10m.
其中m是整数, ai是0到9中的一个数字, a1 0. x* 作为x的近似值, 具有n位有效数字当且仅当
x* x 1 10mn 2
由此可见, 近似值的有效数字越多, 其绝对误差越小.
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例 为了使 x 2 的近似值的绝对误差小于10－5， 问应取几位有效数字？
教材
丁丽娟，程杞元，《数值计算方法》，北京 理工大学出版社
1
• 最后成绩=实验作业成绩(20%)+考试成绩(80%) • 实验作业：下列1和2选择一个,希望选2
1.课本每章后的一个数值实验题 2.结合所学专业自选题 (1)叙述实际问题 (2)建立数学模型(解常微分方程组，数据拟合等) (3)设计计算方法 (4)程序(matlab) (5)计算结果及分析 3.交打印文件或电子文档(一次交齐,最迟结课后一周交) 4.注意完全重复的实验作业没有实验作业成绩 2
因此，决定一个量的近似值的精确度，除了 要看绝对误差外，还必须考虑该量本身的大小.
13
➢ 相对误差
记 er
e x
x x*, x
称
er 为近似值
x* 的相对误差.
由于 x 未知，实际使用时总是将 x* 的相对误差取为
er
e x*
x
x* x*
e r e | x* | 称为近似值x*的相对误差限. | er | e r .
8
例如，利用 ln(x+1) 的Taylor公式计算 ln2,
ln( x 1) x 1 x2 1 x3 1 x4 1 x5 2345
实际计算时只能截取有限项代数和计算，如取前5 项有：
ln 2 1 1 1 1 1 2345
这里产生误差 (记作R5 )截断误差
R5
1 6
1 7
15
➢ 有效数字 若近似值 x*满足 | x x* | 1 10n , 则称 x*准
2 确到小数点后第n位. 并把从第一个非零数字到这 一位的所有数字均称为有效数字.
例： 3.1415926535897932......; * 3.1415 问： *有几位有效数字？
解： |π * π| 0.5 103
1 8
9
舍入误差 由于计算机只能对有限位数进行 运算，在运算中像 2, e, 1 3 等都要按舍入 原则保留有限位，这时产生的误差称为舍入误 差。
在数值分析中，均假定数学模型是准确的，因而 不考虑模型误差和观测误差，只讨论截断误差和 舍入误差对计算结果的影响.
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§2 绝对误差、相对误差和有效数字
➢ 绝对误差 设x* 是准确值x 的一个近似值，记 e=xx* 称 e为近似值 x* 的绝对误差，简称误差. 绝对误差一般很难准确计算, 但可以估计上界.
若e 满足 | e | e 则称 e为近似值 x* 的绝对误差限，简称误差限. e > 0 不唯一，当然 e 越小越具有参考价值.
11
例 用毫米刻度的米尺测量一长度 x, 如读出的长度 是 x*=765 mm, 由于误差限是 0.5 mm, 故准确值
•
数值分析是做什么用的？
输入复杂问题或运算
x,
ax,
ln x,
Ax
b,
b f ( x)dx,
d f ( x), ......
a
dx
近似解
计算机
数值 分析
3
研究对象 那些在理论上有解而又无法手工计算的 数学问题
例 解300阶的线性方程组 求6阶矩阵的全部特征值
4
数值代数
主要内容
近似求解线性方程组 (直接解法, 迭代解法)