本份复习资料,是我结合自己去年的学习心得,围绕张老师课程ppt的一些重点和难点根据自己的理解做了一些总结分析,对于一些比较难的内容,在这次准备中我也查阅了多份资料,结合着自己的理解补充在这份文档里。在大家学习过程中可能会发现ppt里的例子比较少,练手的机会不多,到临近考试的时候熟练度不够就开始慌乱,在这份文档我也会挑选一些习题供大家练习,之后也会给大家准备一些编程题,希望大家能实操下更全面把握这门课程。
当然,本份文档只是大家学习数值计算方法时的一点补充,大家还是要以老师的ppt和课本为主,把这份资料和ppt搭配食用效果更佳。
第一章:误差
“误差”这个概念想必经历过基物的你们都不陌生,好歹也做过不少的误差分析。误差有四种:模型误差,观测误差,截断误差和舍入误差。其实感觉也挺巧了,基物多分析的其实是前两种,不过这门课主要是后两种。前两种误差也比较好分辨,有些同学可能对后面两种误差有点混,因为它们都有“舍去”一部分的意思,具体理解上截断误差主要对表达式进行“舍去”,比如无穷级数只保留前面几项式子,而舍入误差对应的是数,即把无理数保留有限位数。具体可以看看ppt的例子理解理解。
第二部分就是绝对误差,绝对误差限,相对误差,相对误差限和有效数字的理解了,你需要了解的也就是把这些区分开,然后给你个数你能写出这几个值。这个部分老师的ppt老师讲的很详细了,大家理解起来估计也没什么难度。当然有一个点可以明确一下的就是我们是没法知道精确值的,只能获得一个近似值,因为精确值未知,所以绝对误差本质上也是不确定的(实际测量问题中),所以才有误差限这个概念,这里有点数分那味了。相对误差就是绝对误差比去准确值,但是准确值未知,就用近似值代替了。
这边多说一点误差的运算问题,设两个近似数和
的误差限分别为
和
,则它们进行加、减、乘、除运算得到的误差限分别满足不等式(其实就理解成求导嘛,就是误差只能变多)
更一般情况,当自变量有误差的时候计算函数值也产生误差,具体推导可用泰勒公式证得,在近似情况我们有公式:
有效数字基于四舍五入原则,也就是因为四舍五入,所以我们可以知道绝对误差限不超过最后一位数的半个单位(比如你四舍五入得到一个数2.11,那么准确数x就必须在(2.105,2.115)开区间里,就是最后一位数的半个单位)。具体定义时有效数字是根据误差限反着来定义的,实际上也不难,就注意下2.11和2.1100类似这样的区别。至于精确到多少就是这个数的最后一位数,前面的例子分别精确到0.01和0.0001。
上面主要讨论了有效数字和绝对误差限的联系,我们知道绝对误差限和相对误差限由准确值串起,另外需要注意的是讨论这块时已经全用规格化表示了,,(这里有个细节其实我盘了一会,就是m=0的时候其实才是对应着我们熟悉的科学计数法,而不是m=1)回到相对误差限,根据不等号方向,我们得让x*大于一个数,这里就取了
次方了,这个是m-1也就是前面注释的与科学计数法的差别,其实就是
。这部分讨论的其实是根据有效数字推相对误差限,那么同样定理2就是相对误差限推有效数字了,这里当然也用了绝对误差限做了桥梁,同时要理解|
这个式子,简单理解就是0.29999小于0.3这件事。之后大家着重看看ppt的例子,公式的话重在理解~
下一个部分主要讨论了有舍入误差时的计算注意原则,第一个就是避免两个相近的数相减,这会让有效数字变少,主要解决办法包括有理化化相减为相加,也可以用一些常见的展开公式(这边大家多总结)。关于数的运算规则,加减看小数点后位数最少,乘除看有效数字最少。具体理解就是为什么是这么运算入手,这两个其实都是短板效应,当某个数只能精确到小数点后两位时,那么显然之后的位数都是不准确的,即使其它值能更精确但也要以这个为准的,(如果只能精确到0.01,那么你无法确定2.11是2.110还是2.114,如果你按照这个原则就相当于你默认这个值是2.110了,那么显然是不对的),加减和乘除的区别在于具体运算时的对齐方式,大家可以画个竖式看看(加法是小数点对齐,乘法其实算是最后一位有效数字对齐)。第三个注意事项是绝对值太小的数不适合做分母,稳定性比较差,另外就是运算是先把小的数加起来看看能不能进位啥的。就是所谓避免大数吃小数。