第一章 绪论习题一
1.设x>0,x*的相对误差为δ,求f(x)=ln x的误差限。
解:求lnx的误差极限就是求f(x)=lnx的误差限,由公式(1.2.4)有

已知x*的相对误差满足,而,故

即
2.下列各数都是经过四舍五入得到的近似值,试指出它们有几位有效数字,并给出其误差限与相对误差限。

解:直接根据定义和式(1.2.2)(1.2.3)则得
有5位有效数字,其误差限,相对误差限
有2位有效数字,
有5位有效数字,
3.下列公式如何才比较准确?
(1)
(2)
解:要使计算较准确,主要是避免两相近数相减,故应变换所给公式。
(1)
(2)
4.近似数x*=0.0310,是 3 位有数数字。
5.计算取,利用, 式计算误差最小。
四个选项:
第二、三章 插值与函数逼近习题二、三
1,给定的数值表

用线性插值与二次插值计算ln0.54的近似值并估计误差限.
解,仍可使用n=1及n=2的Lagrange插值或Newton插值,并应用误差估计(5.8)。线性插值时,用0.5及0.6两点,用Newton插值

误差限,因,故

二次插值时,用0.5,0.6,0.7三点,作二次Newton插值

误差限,故

2,在-4≤x≤4上给出的等距节点函数表,若用二次插值法求的近似值,要使误差不超过,函数表的步长h应取多少?
解:用误差估计式(5.8),

令
因
得
3,若,求和.
解:由均差与导数关系

于是
4,若互异,求的值,这里p≤n+1.
解:,由均差对称性可知当有
而当P=n+1时

于是得
5,求证.
解:解:只要按差分定义直接展开得

6,已知的函数表

求出三次Newton均差插值多项式,计算f(0.23)的近似值并用均差的余项表达式估计误差.
解:根据给定函数表构造均差表

由式(5.14)当n=3时得Newton均差插值多项式
N3(x)=1.0067x+0.08367x(x-0.2)+0.17400x(x-0.2)(x-0.3)
由此可得
f(0.23) N3(0.23)=0.23203
由余项表达式(5.15)可得

由于

7,给定f(x)=cosx的函数表

用Newton等距插值公式计算cos 0.048及cos 0.566的近似值并估计误差解:先构造差分表

计算,用n=4得Newton前插公式

误差估计由公式(5.17)得

其中
计算时用Newton后插公式(5.18)

误差估计由公式(5.19)得

这里仍为0.565
求一个次数不高于四次的多项式p(x),使它满足
解:这种题目可以有很多方法去做,但应以简单为宜。此处可先造使它满足
,显然,再令
p(x)=x2(2-x)+Ax2(x-1)2
由p(2)=1求出A=,于是

9,令称为第二类Chebyshev多项式,试求的表达式,并证明是[-1,1]上带权的正交多项式序列。
解:因

10,用最小二乘法求一个形如的经验公式,使它拟合下列数据,并计算均方误差.

解:本题给出拟合曲线,即,故法方程系数

法方程为

解得
最小二乘拟合曲线为
均方程为

11,填空题
(1) 满足条件的插值多项式p(x)=( ).
(2) ,则f[1,2,3,4]=( ),f[1,2,3,4,5]=( ).
(3) 设为互异节点,为对应的四次插值基函数,则=( ),=( ).
(4) 设是区间[0,1]上权函数为ρ(x)=x的最高项系数为1的正交多项式序列,其中,则=( ),=( )
答:
(1)
(2)
(3)
(4)
第4章 数 值 积 分与数值微分习题4
1,分别用复合梯形公式及复合Simpson公式计算下列积分.
 
解 本题只要根据复合梯形公式(6.11)及复合Simpson公式(6.13)直接计算即可。
对,取n=8,在分点处计算f(x)的值构造函数表。按式(6.11)求出,按式(6.13)求得,积分
2,用Simpson公式求积分,并估计误差解:直接用Simpson公式(6.7)得

由(6.8)式估计误差,因,故

3,确定下列求积公式中的待定参数,使其代数精确度尽量高,并指明求积公式所具有的代数精确度.
(1) 
(2) 
(3) 
解:本题直接利用求积公式精确度定义,则可突出求积公式的参数。
(1)令代入公式两端并使其相等,得

解此方程组得,于是有

再令,得
故求积公式具有3次代数精确度。
(2)令代入公式两端使其相等,得

解出得

而对不准确成立,故求积公式具有3次代数精确度。
(3)令代入公式精确成立,得

解得,得求积公式

对

故求积公式具有2次代数精确度。
4,计算积分,若用复合Simpson公式要使误差不超过,问区间要分为多少等分?若改用复合梯形公式达到同样精确度,区间应分为多少等分?
解:由Simpson公式余项及得

即,取n=6,即区间分为12等分可使误差不超过
对梯形公式同样,由余项公式得

即
取n=255才更使复合梯形公式误差不超过
5,用Romberg求积算法求积分,取
解:本题只要对积分使用Romberg算法(6.20),计算到K=3,结果如下表所示。

于是积分,积分准确值为0.713272
用三点Gauss-Legendre求积公式计算积分.
 
解:本题直接应用三点Gauss公式计算即可。
由于区间为,所以先做变换

于是

本题精确值
用三点Gauss-Chebyshev求积公式计算积分
解:本题直接用Gauss-Chebyshev求积公式计算

即
于是,因n=2,即为三点公式,于是
,即
故
8,试确定常数A,B,C,及α,使求积公式
 
有尽可能高的代数精确度,并指出所得求积公式的代数精确度是多少.它是否为Gauss型的求积公式?
解:本题仍可根据代数精确度定义确定参数满足的方程,令对公式精确成立,得到

由(2)(4)得A=C,这两个方程不独立。故可令,得
(5)
由(3)(5)解得,代入(1)得
则有求积公式

令公式精确成立,故求积公式具有5次代数精确度。三点求积公式最高代数精确度为5次,故它是Gauss型的。
第五章  解线性方程组的直接法习题五
1,用Gauss消去法求解下列方程组.

解 本题是Gauss消去法解具体方程组,只要直接用消元公式及回代公式直接计算即可。

故
2,用列主元消去法求解方程组并求出系数矩阵A的行列式detA的值解:先选列主元,2行与1行交换得
消元
3行与2行交换 消元
回代得解

行列式得

3,用Doolittle分解法求的解.
解:由矩阵乘法得

再由求得

由解得

4,下述矩阵能否作Doolittle分解,若能分解,分解式是否唯一?

解:A中,若A能分解,一步分解后,,相互矛盾,故A不能分解,但,若A中1行与2行交换,则可分解为LU
对B,显然,但它仍可分解为

分解不唯一,为一任意常数,且U奇异。C可分解,且唯一。

5,用追赶法解三对角方程组Ax=b,其中

解:用解对三角方程组的追赶法公式(3.1.2)和(3.1.3)计算得

6,用平方根法解方程组
解:用分解直接算得

由及求得

7,设,证明 
解:
即,另一方面

故
设计算A的行范数,列范数及F-范数和2范数解:

故
设为 上任一种范数,是非奇异的,定义,证明
证明:根据矩阵算子定义和定义,得

令,因P非奇异,故x与y为一对一,于是

10,求下面两个方程组的解,并利用矩阵的条件数估计.
,即
,即
解:记

则的解,而的解
故



由(3.12)的误差估计得


表明估计略大,是符合实际的。
11.是非题(若"是"在末尾()填+,"不是"填-):题目中
(1)若A对称正定,,则是上的一种向量范数 (  )
(2)定义是一种范数矩阵 (  )
(3)定义是一种范数矩阵 (  )
(4)只要,则A总可分解为A=LU,其中L为单位下三角阵,U为非奇上三角阵 (   )
(5)只要,则总可用列主元消去法求得方程组的解 (  )
(6)若A对称正定,则A可分解为,其中L为对角元素为正的下三角阵 (  )
(7)对任何都有 (  )
(8)若A为正交矩阵,则 (  )
答案: (1)(+)(2)(-)(3)(+)(4)(-)
(5)(+)(6)(+)(7)(-)(8)(+)
第六章 解线性方程组的迭代法习题六证明对于任意的矩阵A,序列收敛于零矩阵解:由于而
故
2,方程组

(1) 考查用Jacobi法和GS法解此方程组的收敛性.
(2) 写出用J法及GS法解此方程组的迭代公式并以计算到为止解:因为
具有严格对角占优,故J法与GS法均收敛。
(2)J法得迭代公式是

取,迭代到18次有

GS迭代法计算公式为

取

3,设方程组

证明解此方程的Jacobi迭代法与Gauss-Seidel迭代法同时收敛或发散解:Jacobi迭代为
其迭代矩阵
,谱半径为,而Gauss-Seide迭代法为

其迭代矩阵
,其谱半径为
由于,故Jacobi迭代法与Gauss-Seidel法同时收敛或同时发散。
4,下列两个方程组Ax=b,若分别用J法及GS法求解,是否收敛?
 
解:Jacobi法的迭代矩阵是

即,故,J法收敛、
GS法的迭代矩阵为

故,解此方程组的GS法不收敛。
5,设,detA≠0,用,b表示解方程组Ax=f的J法及GS法收敛的充分必要条件.
解 J法迭代矩阵为

,故J法收敛的充要条件是。GS法迭代矩阵为


由得GS法收敛得充要条件是
6,用SOR方法解方程组(分别取ω=1.03,ω=1,ω=1.1)

精确解,要求当时迭代终止,并对每一个ω值确定迭代次数解:用SOR方法解此方程组的迭代公式为

取,当时,迭代5次达到要求
若取,迭代6次得

7,对上题求出SOR迭代法的最优松弛因子及渐近收敛速度,并求J法与GS法的渐近收敛速度.若要使那么J法GS法和SOR法各需迭代多少次?
解:J法的迭代矩阵为

,故,因A为对称正定三对角阵,最优松弛因子

J法收敛速度

由于,故

若要求,于是迭代次数
对于J法,取K=15
对于GS法,取K=8
对于SOR法,取K=5
8,填空题
(1)要使应满足().
(2) 已知方程组,则解此方程组的Jacobi迭代法是否收敛().它的渐近收敛速度R(B)=().
(3) 设方程组Ax=b,其中其J法的迭代矩阵是().GS法的迭代矩阵是().
(4) 用GS法解方程组,其中a为实数,方法收敛的充要条件是a满足().
(5) 给定方程组,a为实数.当a满足(),且0<ω<2时SOR迭代法收敛.
答:
(1)
(2)J法是收敛的,
(3)J法迭代矩阵是,GS法迭代矩阵
(4)满足
(5)满足
第七章 非线性方程求根习题七用二分法求方程的正根,使误差小于0.05
解 使用二分法先要确定有根区间。本题f(x)=x2-x-1=0,因f(1)=-1,f(2)=1,故区间[1,2]为有根区间。另一根在[-1,0]内,故正根在[1,2]内。用二分法计算各次迭代值如表。

其误差
2,求方程在=1.5附近的一个根,将方程改写成下列等价形式,并建立相应迭代公式.
(1) ,迭代公式.
(2) ,迭代公式.
(3),迭代公式.
试分析每种迭代公式的收敛性,并选取一种收敛最快的方法求具有4位有效数字的近似根解:(1)取区间且,在且,在中,则L<1,满足收敛定理条件,故迭代收敛。
(2),在中,且,在中有,故迭代收敛。
(3),在附近,故迭代法发散。
在迭代(1)及(2)中,因为(2)的迭代因子L较小,故它比(1)收敛快。用(2)迭代,取,则

3,设方程的迭代法
 
 (1) 证明对,均有,其中为方程的根.
 (2) 取=4,求此迭代法的近似根,使误差不超过,并列出各次迭代值.
 (3) 此迭代法收敛阶是多少?证明你的结论解:(1)迭代函数,对有
,
(2)取,则有各次迭代值

取,其误差不超过
(3)
故此迭代为线性收敛
4,给定函数,设对一切x,存在,而且.证明对的任意常数,迭代法均收敛于方程的根解:由于,为单调增函数,故方程的根是唯一的(假定方程有根)。迭代函数,。令,则,由递推有
,即
5,用Steffensen方法计算第2题中(2)、(3)的近似根,精确到
解:在(2)中,令,,则有

令,得

,与第2题中(2)的结果一致,可取,则满足精度要求.
对(3)有,原迭代不收敛.现令



6,用Newton法求下列方程的根,计算准确到4位有效数字.
(1) 在=2附近的根.
(2) 在=1附近的根解:(1)
Newton迭代法

取,则,取
(2)
令,则,取
7,应用Newton法于方程,求立方根的迭代公式,并讨论其收敛性.
解:方程的根为,用Newton迭代法

此公式迭代函数,则,故迭代法2阶收敛。还可证明迭代法整体收敛性。设,对

一般的,当时有

这是因为当时成立。从而,即,表明序列单调递减。故对,迭代序列收敛于