數值分析基礎

2022-09-01 16:00:23 字數 3003 閱讀 2697

如果$|x-x_a|\leqslant 0.5\times 10^$,k為指數,則稱xa為x的n位有效數字*似值。

準確性:誤差分析,輸入資料誤差,捨入誤差和截斷誤差。

穩定性:條件數分析,輸出誤差除以輸入誤差,包括問題本身(病態)和演算法過程的穩定性。

收斂性:範數分析,向量範數,矩陣範數,柯西不等式。

lagrange, 直接利用多項式空間的基函式$l_i(x_j)=\delta_=\prod_^\frac=\frac(x)}'(x_i)}$構造公式$l_n(x)=\sum_^nf_il_i(x)$,具有微分型餘項$r(x)=f(x)-l_n(x)=\frac(\xi )}\omega_(x)$。

newton:利用均差$f[x_0,...,x_k]=\frac]-f[x_0,...,x_]}$構造增量公式$l_n(x)=f[x_0]+...+f[x_0,...,x_k]\omega_k(x)$,具有均差型餘項,並且對於等距節點還可以利用差分使公式簡化$l_n(x_0+th)=\sum_^\binom\delta^kf_0$。

peano餘項泛函:可以確切給出餘項公式。

hermite:給定各個節點的值與導數,同樣可以利用基函式(包括導函式)來處理。

分段插值:為了避免高次插值的runge現象,採用分段低次插值來取得一致收斂的插值函式。

三次樣條:在區間上連續可導的三次多項式,滿足邊界條件,例如等於給定導數值。利用邊界條件形成三對角方程組,從而解得各個區間上的樣條引數

b-樣條:一組基函式,滿足$b_i^m(t)=0, t\in(-\infty,x_i]\bigcup [x_,\infty)\;\int_^}b_i^m(t)dt=1$具有遞推關係:$b_i^m(t)=\frac(\frac-x_i}b_i^(t)+\frac-t}-x_i}b_^(t))$

函式逼*:對於$f\in x$,求$p\in m$,使得f, p之差在某種量度下最小。通常x=c[a, b],m為便於計算的函式集合。常用量度有極大範數、*方範數兩種,分別稱為極大逼*和*方逼*。為了計算便利,可以引入帶權的量度函式。以權函式非零定義域覆蓋逼*函式的程度,可以區分為全域逼*和局域逼*。

$\min_\int_a^b\rho(\tau )\left \| f-p \right \|_2d\tau$。這裡$\left \| f\right \|_2=\sqrt$

函式插值:插值是一種簡單的函式逼*。一般情況下,只知道若干f(ti),m一般為多項式,而權函式$\rho(t)$為$\delta(t_i - t_j)$,其逼*量度一般應為零。對於分段插值而言,其逼*函式在不同分段上具有不同的表示式,因而也有不同的權函式。此時一般對pi(t)有連續性要求。特別地,當m為正交多項式,稱為正交逼*。

$\min_\int_a^b\delta_i(t_i-\tau_i)\left \| f-p \right \|_2d\tau$

函式微分逼*:對於這種問題,被逼*函式以微分形式給出,是用數值方法求解微分方程的基本原理。當權函式$\rho(t)$為$\delta(t_i - t_j)$的時候,為有限差分法。

$\min_\int_a^b\rho(\tau )\left \| f^-p^\right \|_2d\tau$

正交多項式:$(f,g)=\int_a^b\rho(x)f(x)g(x)dx=0$,在區間[-1,1]上,例如:

多項式序列有遞推關係:$\varphi_(x)=(\alpha_nx+\beta_n)\varphi_(x)+\gamma_\varphi_(x)$

最佳*方逼*:$\left \|f-s^* \right \|_2=\inf_\left \|f-s \right \|_2$。f在正交函式空間$\phi$中的最佳*方逼*函式為:$s_n^*(x)=\sum_^na_j^*\phi_j(x)$

最佳*方逼*問題離散化之後,稱為最小二乘問題:$\arg \min_\sum_^m\rho(x_j)[f(x_j)-s(x_j)]^2$

最佳一致逼*:$\left \|f-s^* \right \|_=\inf_\left \|f-s \right \|_$。$s_n^*$是$f\in c[a,b]$的最佳一致逼*的充要條件(chebyshev定理)是[a,b]上至少有n+2個正負偏差點。

chebyshev節約化:對於多項式$p_n(x)=a_nx^n+q(x)$這裡q(x)為次數小於n的多項式,那麼最佳一致逼*:$p_^*(x)=p_n(x)-a_n2^t_n(x)$

newton-cotes積分:先插值,再求積分。n=1為梯形公式,n=2為simpson公式。

gauss積分:通過選擇取樣點,提高積分公式的精度。$f(x)=\sum_^f(x_k)l_k(x)+f[x_1,...,x_n,x]\omega(x)$給定權函式為$\rho$的正交多項式序列$g_j\;f[x_1,...,x_n,x]=\sum_^c_kg_k(x)\rightarrow r_n[f]=\sum_^c_k\int_a^b\rho(x)\omega(x)g_k(x)dx$在$g_k$的零點取樣,精度可到2n-1。

romberg積分公式也稱為逐次分半加速法,是乙個遞推模式(richardson外推)。以梯形法$t_n$為例,$s=\fract_-\fract_n$可以提高到simpson方法的精度。

蒙特卡洛積分:對於概率密度f(x)求積分

方程$f(x)=0$,改造成迭代格式$x=\phi(x)$,求不動點:$x^*=\phi(x^*)$

brouwer不動點定理:設$\phi:d\subset r^n\to r^n,\phi$在有界閉集$d_0\subset d$上連續,且$\phi(x)\subset x$,則$\phi$在$d_0$中必存在不動點。

p階收斂:$\lim_\frac-x^k \right \|}=c$

lipschitz條件:$\left \| \phi(x)-\phi(x^*) \right \|\leqslant l\left \| x-x^* \right \|$

牛頓法:$\phi(x)=x-(f'(x))^f(x)$,對f'(x)採用*似方法,則稱為擬牛頓法。

$f(t,x,\dot)=0, f(t_0,x_0,\dot_0)=0$。通過對時間t離散化,用數值微分代替$\dot$,轉換成非線性方程組。

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