数值分析习题集及答案.docx

1、数值分析习题集及答案数值分析习题集适合课程数值方法 A 和数值方法 B)长沙理工大学第一章 绪 论1.设x0, x的相对误差为3 ,求的误差.2.设 x 的相对误差为 2, 求的相对误差 .3.下列各数都是经过四舍五入得到的近似数 , 即误差限不超过最后一位的半个单位 , 试指 出它们是几位有效数字 :4.利用公式求下列各近似值的误差限 :其中均为第 3 题所给的数 .5.计算球体积要使相对误差限为 1%，问度量半径R时允许的相对误差限是多少 ？6.设按递推公式(n=1,2,)计算到若取 (五位有效数字)，试问计算将有多大误差 ？7.求方程的两个根，使它至少具有四位有效数字 (-.8.当 N

2、充分大时 , 怎样求 ?9.正方形的边长大约为 100 cm ,应怎样测量才能使其面积误差不超过 1 cm ?10.设假定 g 是准确的 , 而对 t 的测量有秒的误差 , 证明当 t 增加时 S 的绝对误差增加 , 而 相对误差却减小 .11.序列满足递推关系 (n=1,2, ), 若( 三位有效数字 ), 计算到时误差有多大 ?这个计算过程稳定吗 ?12.计算 , 取, 利用下列等式计算 , 哪一个得到的结果最好 ?13., 求 f (30) 的值. 若开平方用六位函数表 , 问求对数时误差有多大 ?若改用另一等价公式计算 , 求对数时误差有多大 ?14.试用消元法解方程组假定只用三位数计

3、算 , 问结果是否可靠 ?15.已知三角形面积其中 c 为弧度 , 且测量 a , b , c 的误差分别为证明面积的误差满足第二章 插值法1.根据定义的范德蒙行列式 , 令证明是 n 次多项式 , 它的根是 , 且2.当x= 1 , -1 , 2 时，f(x)= 0,-3,4 , 求f(x)的二次插值多项式3.给出f(x)=In x的数值表用线性插值及二次插值计算 In 的近似值.xln x4.给出cos x,0 x w 90的函数表，步长h =1 =(1/60) ,若函数表具有 5位有效数字,研究用线性插值求 cos x近似值时的总误差界5.设，k=0,1,2,3,求.6.设为互异节点(j

4、 =0,1,n),求证：i)ii)7.设且,求证8.在上给出的等距节点函数表 ，若用二次插值求的近似值，要使截断误差不超过，问使用函数表的步长应取多少？9.若,求及.10.如果是次多项式，记,证明的阶差分是次多项式，并且为正整数).11.证明.12.证明13.证明14.若有个不同实根，证明15.证明阶均差有下列性质：i)若，则；ii)若，则.16.,求及.17.证明两点三次埃尔米特插值余项是并由此求出分段三次埃尔米特插值的误差限 .18.求一个次数不高于 4次的多项式，使它满足并由此求出分段三次埃尔米特插值的误差限19. 试求出一个最高次数不高于 4次的函数多项式，以便使它能够满足以下边界条件

5、 ”.20.设,把分为等分，试构造一个台阶形的零次分段插值函数并证明当时 ，在上一致收敛到.21.设,在上取，按等距节点求分段线性插值函数 ，计算各节点间中点处的与的值 ，并估计误差.22.求在上的分段线性插值函数，并估计误差.23.求在上的分段埃尔米特插值,并估计误差.24.给定数据表如下：试求三次样条插值并满足条件i)ii)25.若,是三次样条函数，证明i);ii)若,式中为插值节点，且,则.26.编出计算三次样条函数系数及其在插值节点中点的值的程序框图 (可用式的表达式).第三章函数逼近与计算1.(a)利用区间变换推出区间为的伯恩斯坦多项式(b)对在上求1次和三次伯恩斯坦多项式并画出图形

6、 ，并与相应的马克劳林级数部分和误差做比较2.求证：（a）当时,.（b） 当时,.3.在次数不超过6的多项式中，求在的最佳一致逼近多项式.4.假设在上连续，求的零次最佳一致逼近多项式 .5.选取常数，使达到极小，又问这个解是否唯一 ？6.求在上的最佳一次逼近多项式，并估计误差.7.求在上的最佳一次逼近多项式 .8.如何选取，使在上与零偏差最小？是否唯一 ？9.设，在上求三次最佳逼近多项式 .10.令，求.11. 试证是在上带权的正交多项式 .12.在上利用插值极小化求 1的三次近似最佳逼近多项式 .13.设在上的插值极小化近似最佳逼近多项式为 ，若有界，证明对任何，存在常数、，使14.设在上，

7、试将降低到3次多项式并估计误差.15.在上利用幕级数项数求的 3次逼近多项式，使误差不超过.16.是上的连续奇（偶）函数，证明不管是奇数或偶数，的最佳逼近多项式也是奇 （偶）函数.17.求、使为最小.并与1题及6题的一次逼近多项式误差作比较 .18.、，定义问它们是否构成内积？19.用许瓦兹不等式估计的上界，并用积分中值定理估计同一积分的上下界 ，并比较其结果20.选择，使下列积分取得最小值:.21.设空间，分别在、上求出一个元素，使得其为的最佳平方逼近，并比较其结果.22.在上，求在上的最佳平方逼近.23.是第二类切比雪夫多项式，证明它有递推关系24.将在上按勒让德多项式及切比雪夫多项式展开

8、 ，求三次最佳平方逼近多项式并画出误差图形，再计算均方误差.25.把在上展成切比雪夫级数.26.用最小二乘法求一个形如的经验公式，使它与下列数据拟合，并求均方误差.192531384427.观测物体的直线运动，得出以下数据时间（秒）0距离（米）010305080110求运动方程.28.在某化学反应里，根据实验所得分解物的浓度与时间关系如下时间0510152025303540455055浓度0用最小二乘拟合求.29.编出用正交多项式做最小二乘拟合的程序框图30.编出改进FFT算法的程序框图.31.现给出一张记录，试用改进FFT算法求出序列的离散频谱第四章数值积分与数值微分1.确定下列求积公式中的

9、待定参数 ，使其代数精度尽量高，并指明所构造出的求积公式所具有的代数精度：；.2.分别用梯形公式和辛普森公式计算下列积分 ：； ； (4).3.直接验证柯特斯公式具有 5次代数精度.4.用辛普森公式求积分并计算误差 5.推导下列三种矩形求积公式 ：(1)；.6.证明梯形公式和辛普森公式当时收敛到积分7.用复化梯形公式求积分，问要将积分区间分成多少等分 ，才能保证误差不超过(设不计舍入误差)?8.用龙贝格方法计算积分，要求误差不超过.9.卫星轨道是一个椭圆，椭圆周长的计算公式是，这里是椭圆的半长轴，是地球中心与轨道 中心(椭圆中心)的距离，记为近地点距离，为远地点距离，公里为地球半径，则.我国第

10、一 颗人造卫星近地点距离公里，远地点距离公里，试求卫星轨道的周长.10.证明等式试依据的值，用外推算法求的近似值.11.用下列方法计算积分并比较结果 .(1)龙贝格方法；(2)三点及五点高斯公式；(3)将积分区间分为四等分，用复化两点高斯公式.12.用三点公式和五点公式分别求在 ，和处的导数值，并估计误差.的值由下表给出第五章常微分方程数值解法1.就初值问题分别导出尤拉方法和改进的尤拉方法的近似解的表达式， 并与准确解相比较。2.用改进的尤拉方法解初值问题取步长h=计算，并与准确解相比较。3.用改进的尤拉方法解取步长h=计算，并与准确解相比较。4.用梯形方法解初值问题证明其近似解为并证明当时，

11、它原初值问题的准确解。5.利用尤拉方法计算积分在点的近似值。6.取h=，用四阶经典的龙格一库塔方法求解下列初值问题：1 )2 )7.证明对任意参数 t ，下列龙格库塔公式是二阶的：8.证明下列两种龙格库塔方法是三阶的：1）2）9.分别用二阶显式亚当姆斯方法和二阶隐式亚当姆斯方法解下列初值问题： 取计算并与准确解相比较。10.证明解的下列差分公式 是二阶的，并求出截断误差的首项。11.导出具有下列形式的三阶方法：12.将下列方程化为一阶方程组：1）2）3）13.取h=,用差分方法解边值问题14.对方程可建立差分公式 试用这一公式求解初值问题 验证计算解恒等于准确解15.取山=用差分方法解边值问题

12、第六章 方程求根1.用二分法求方程的正根，要求误差 。2.用比例求根法求在区间 0,1 内的一个根，直到近似根满足精度时终止计算。3.为求方程在附近的一个根，设将方程改写成下列等价形式，并建立相应的迭代公式。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，并选取一种公式求出具有四位有效数字的近似根。4.比较求的根到三位小数所需的计算量；1 ）在区间 0,1 内用二分法；2） 用迭代法，取初值。5.给定函数，设对一切存在且，证明对于范围内的任意定数 入，迭代过程均收敛于的根。6.已知在区间 a,b 内只有一根，而当 axb 时，试问如何将化为适于迭代的形式？将化为

13、适于迭代的形式，并求 x=（弧度）附近的根。7.用下列方法求在附近的根。根的准确值=1.，要求计算结果准确到四位有效数字。1） 用牛顿法；2） 用弦截法，取；3） 用抛物线法，取。8.用二分法和牛顿法求的最小正根。9.研究求的牛顿公式证明对一切且序列是递减的。10.对于的牛顿公式，证明收敛到，这里为的根。11.试就下列函数讨论牛顿法的收敛性和收敛速度：1)2)12.应用牛顿法于方程，导出求立方根的迭代公式，并讨论其收敛性。13.应用牛顿法于方程，导出求的迭代公式，并用此公式求的值。14.应用牛顿法于方程和，分别导出求的迭代公式，并求15.证明迭代公式是计算的三阶方法。假定初值充分靠近根，求第七

14、章 解线性方程组的直接方法1.考虑方程组：(a)用高斯消去法解此方程组(用四位小数计算) ，(b)用列主元消去法解上述方程组并且与 (a) 比较结果。2.(a) 设A是对称阵且，经过高斯消去法一步后， A约化为证明A2是对称矩阵。(b)用高斯消去法解对称方程组：4.设A为n阶非奇异矩阵且有分解式 A=LU,其中L为单位下三角阵，U为上三角阵，求证 A的所有顺序主子式均不为零。5.由高斯消去法说明当时，贝U A=LU,其中L为单位下三角阵，U为上三角阵。6设A为n阶矩阵，如果称 A为对角优势阵。证明：若 A是对角优势阵，经过高斯消去法 一步后，A具有形式。7.设A是对称正定矩阵，经过高斯消去法一

15、步后， A约化为其中证明(1) A的对角元素( 2) A2 是对称正定矩阵；( 3)(4)A的绝对值最大的元素必在对角线上；( 5)( 6)从( 2)，( 3)，( 5)推出，如果，贝对所有 k8.设为指标为 k 的初等下三角阵，即(除第 k 列对角元下元素外，和单位阵 I 相同) 求证当时，也是一个指标为 k 的初等下三角阵，其中为初等排列阵。9.试推导矩阵A的Crout分解A=LU的计算公式，其中 L为下三角阵，U为单位上三角阵。10.设，其中 U 为三角矩阵。(a)就U为上及下三角矩阵推导一般的求解公式，病写出算法。(b)计算解三角形方程组的乘除法次数。(c)设 U 为非奇异阵，试推导求

16、的计算公式。11.证明(a)如果A是对称正定阵，则也是正定阵；(b)如果A是对称正定阵，则 A可唯一写成，其中L是具有正对角元的下三角阵。12.用高斯约当方法求 A 的逆阵：13.用追赶法解三对角方程组，其中14.用改进的平方根法解方程组15.下述矩阵能否分解为 LU (其中L为单位下三角阵，U为上三角阵)？若能分解， 那么分解是否唯一？16.试划出部分选主元素三角分解法框图，并且用此法解方程组17.如果方阵A有，则称A为带宽2t+1的带状矩阵，设 A满足三角分解条件，试推导的计 算公式，对1) ；2) .18.设计算A的行范数，列范数，2-范数及F-范数。19.求证(a)，(b)。20.设

17、且非奇异，又设为上一向量范数，定义。 试证明是上的一种向量范数。21.设为对称正定阵，定义试证明为上向量的一种范数。22.设，求证。23.证明：当且尽当 x 和 y 线性相关且时，才有。24.分别描述中(画图)。25.令是(或)上的任意一种范数，而 P是任意非奇异实(或复)矩阵，定义范数，证明。26.设为上任意两种矩阵算子范数，证明存在常数，使对一切满足27.设，求证与特征值相等，即求证。28.设 A 为非奇异矩阵，求证。29.设 A 为非奇异矩阵，且，求证存在且有估计30.矩阵第一行乘以一数，成为证明当时，有最小值。31.设A为对称正定矩阵，且其分解为，其中，求证(a)(b)32.设计算 A

18、 的条件数。33.证明：如果 A 是正交阵，则。34.设且为上矩阵的算子范数，证明第八章 解方程组的迭代法1.设方程组(a) 考察用雅可比迭代法 , 高斯 - 塞德尔迭代法解此方程组的收敛性 ;(b) 用雅可比迭代法 , 高斯- 塞德尔迭代法解此方程组 , 要求当时迭代终止2.设, 证明 : 即使级数也收敛3.证明对于任意选择的 A, 序列收敛于零4 .设方程组迭代公式为求证 : 由上述迭代公式产生的向量序列收敛的充要条件是5.设方程组(a) (b) 试考察解此方程组的雅可比迭代法及高斯 - 塞德尔迭代法的收敛性。6.求证的充要条件是对任何向量 x ，都有7.5(a) 方设，其中 A 对称正定

19、，问解此方程组的雅可比迭代法是否一定收敛？试考察习题 程组。8.设方程组(a)求解此方程组的雅可比迭代法的迭代矩阵的谱半径；(b)求解此方程组的高斯塞德尔迭代法的迭代矩阵的谱半径；(c)考察解此方程组的雅可比迭代法及高斯塞德尔迭代法的收敛性。9.用SOF方法解方程组(分别取松弛因子)精确解要求当时迭代终止，并且对每一个值确定迭代次数。10.用SOR方法解方程组(取=)要求当时迭代终止。11.设有方程组，其中 A 为对称正定阵，迭代公式试证明当时上述迭代法收敛(其中) 。12.用高斯塞德尔方法解，用记的第 i 个分量，且。(a) 证明 ；(b) 如果，其中是方程组的精确解，求证：其中(c)设 A

20、 是对称的，二次型证明 。(d)由此推出，如果 A是具有正对角元素的非奇异矩阵，且高斯一塞德尔方法对任意初始向 量是收敛的，则 A是正定阵。13.设A与B为n阶矩阵，A为非奇异，考虑解方程组其中。(a)找出下列迭代方法收敛的充要条件(b)找出下列迭代方法收敛的充要条件比较两个方法的收敛速度。14.证明矩阵对于是正定的，而雅可比迭代只对是收敛的。15.设，试说明A为可约矩阵。16.给定迭代过程，其中，试证明：如果 C的特征值，则迭代过程最多迭代 n次收敛于方程组的解。17.画出SOR迭代法的框图。18.设A为不可约弱对角优势阵且，求证：解的 SOR方法收敛。19.设，其中A为非奇异阵。(a)求证

21、为对称正定阵；(b)求证。第九章 矩阵的特征值与特征向量计算1.用幂法计算下列矩阵的主特征值及对应的特征向量：(a) , (b) ,当特征值有 3 位小数稳定时迭代终止。2.方阵 T 分块形式为J其中为方阵， T 称为块上三角阵，如果对角块的阶数至多不超过 2，则称 T 为准三角形形 式，用记矩阵 T 的特征值集合，证明3.利用反幂法求矩阵的最接近于 6 的特征值及对应的特征向量。4.求矩阵与特征值 4对应的特征向量。5.用雅可比方法计算的全部特征值及特征向量，用此计算结果给出例 3的关于p的最优值。6.(a)设A是对称矩阵，入和是A的一个特征值及相应的特征向量， 又设P为一个正交阵，使证明的

22、第一行和第一列除了 入外其余元素均为零。(b) 对于矩阵入=9是其特征值，是相应于 9的特征向量，试求一初等反射阵 P,使，并计算。7.利用初等反射阵将正交相似约化为对称三对角阵。8.设，且不全为零，为使的平面旋转阵，试推导计算第行，第 j 行元素公式及第 i 列，第 j 列元素的计算公式。9.设是由豪斯荷尔德方法得到的矩阵，又设 y 是的一个特征向量。(a) 证明矩阵 A 对应的特征向量是；(b) 对于给出的 y 应如何计算 x ？10.用带位移的QF方法计算(a) , (b) 全部特征值。11.试用初等反射阵 A分解为QR其中Q为正交阵，R为上三角阵，数值分析习题简答(适合课程数值方法A和

23、数值方法B)长沙理工大学第一章 绪论习题参考答案1. ( lnx )。2 。3.有 5 位有效数字 ，有 2 位有效数字，有 4 位有效数字，有 5 位有效数字，有 2 位有效数字 。4.。5.。6.。7.，。8.9.。10.,故t增加时S的绝对误差增加，相对误差减小。11 . ，计算过程不稳定 。12.， 如果令 ， 则 ， 的结果最好 。13.，开平方时用六位函数表计算所得的误差为 ， 分别代入等价公式中计算 可得，。14.方程组的真解为 ，而无论用方程一还是方程二代入消元均解得 ， 结果十 分可靠。第二章 插值法习题参考答案1.2.3.线性插值：取，则二次插值：取，则4.，其中 . 所以

24、总误差界5.当 时，取得最大值6.i) 对在处进行 n 次拉格朗日插值，则有 由于，故有 .ii) 构造函数在处进行 n 次拉格朗日插值，有 插值余项为 ，由于 故有令即得 .7.以 a, b 两点为插值节点作的一次插值多项式 据余项定理， 由于故8.截断误差 其中 则时取得最大值 由题意，所以，9.则可得， ，则可得10.数学归纳法证 当时，为 m1 次多项式； 假设 是 m-k 次多项式，设为，则 为m-(k+1)次多项式，得证11.右左12.13.12.由于是的n个互异的零点，所以对求导得则 ，记则由以上两式得13.i)ii) 证明同上。16.17.即均为的二重零点。因而有形式：作辅助函

25、数则由罗尔定理，存在使得类似再用三次罗尔定理，存在使得又可得即14.采用牛顿插值，作均差表：一阶均差二阶均差00111210-1/2又由得所以15.记则 因为，所以在上一致连续。当时，此时有由定义知当时，在上一致收敛于。16.在每个小区间上表示为计算各值的 C 程序如下：#include#include float f(float x) return(1/(1+x*x);float I(float x,float a,float b)return(x-b)/(a-b)*f(a)+(x-a)/(b-a)*f(b);void main() int i;float x11,xc,xx; x0=-5;

26、printf(x0=%fn,x0); for(i=1;i=10;i+) xi=xi-1+1;printf(x%d=%fn,i,xi); for(i=0;i10;i+) xc=(xi+xi+1)/2;I(xc,xi,xi+1); printf(I%d=%fn,i+1,I(xc,xi,xi+1); for(i=0;i10;i+) xx=(xi+xi+1)/2; f(xx);printf(f%d=%fn,i+1,f(xx);17.在每个小区间上为18.则在每个小区间上表示为23.则三次样条插值函数表达式为i)由，得关于的方程组为24. i) 因为所以 右=左。ii) 由于为三次函数，故为常数，又，则

27、 ，所以第三章 函数逼近与计算习题参考答案1.(a) 区间变换公式为 ，代入原公式可得新区间里的伯恩斯坦多项式为 ;(b)，相应的麦克劳林级数分别为 ， 部分和误差则为 ， 大于伯恩斯坦多项式 的误差。2. ，故， 当时，。3.，对任意不超过 6 次的多项式 ，在时，若有，则在上至少有 7个零点 ，这与不 超过 6次矛盾，所以 ，就是所求最佳一致逼近多项式 。4.设所求为 ，由 47 页定理 4 可知 在上至少有两个正负交错的偏差点，恰好分 别为的最大值和最小值处 ，故由 可以解得 即为所求。5.原函数与零的偏差极大值点分别为 ，故， 解方程可得出唯一解。6.，故 ，得，故所求最佳一次逼近多项

28、式为， 又因为两个偏差点必在区间端点， 故误差限为 。7.，故由可以解得 ，则有，故所求最佳一次逼近多项式为 。8.切比雪夫多项式在上对零偏差最小 ， 所求函数必为切比雪夫多项式的常数 倍，解得唯一解 。9.作变换代入得，则在上的三次最佳逼近多项式为，作逆变换 代入 ，则在上的 三次最佳逼近多项式为 。10.，其中 。11. ，故正交。12.用的 4 个零点做插值节点可求得三次近似最佳逼近多项式为 。13.，则有，其中。由拉格朗日插值的余项表达公式可得出，令 ， 则待证不等式成立，得证。14.由泰勒级数项数节约，在上有 ，即其中误差限为 。15.,取为的近似，误差限为，再对幕级数的项数进行节约就可以得到原函数的3次逼近多项式，其误差限为，即为所求16.当为上的奇函数时，设为原函数的最佳逼近多项式，则 ，对有，所以也是最佳逼近多项式，由最佳逼近多项式的唯一性，即是奇函数。同理可证，当为 上的偶函数时，最佳逼近多项 式也是偶函数。17.，为使均方误差最小，则有，解得。18.(a) ,，c为常数，但当时，,不满足定义，所以不构成内积。(b ),，且当且 仅当时，满足定义，所以构成内积。19.，其中，贝由此可知用积分中值定理估计比许瓦兹不等式估计更精确。20.，时最小。在时，值为，时，值为1，时，值为，时最