1、误差的来源

  • 模型误差:数学模型与实际问题之间的误差
  • 观测误差:测量数据与实际数据的误差
  • 方法误差:数学模型的精确解与数值方法得到的数值解之间的误差:例如
  • 舍入误差:对数据进行四舍五入后产生的误差

2、减少误差的几种方法

         现在,我们一般用计算机解决计算问题,使用最多的是Matlab软件。对实际问题进行数学建模时,可能存在模型误差,对数学模型进行数值求解时,我们使用的方法可能产生方法误差,我们输入计算机的数据一般是有测量误差的,计算机在运算过程的每一步又会产生舍入误差(十进制转化为二进制时可能产生舍入误差)。由此看来,解决一个问题,基本上会有以上四种四种误差。记得高中物理老师说过,错误是可以避免的,误差是不可避免的,我们只可以减少误差。下面我们就来介绍减少误差的几种方法:
  • 避免两个相近的数相减
                    eg:当x=10003时,计算的近似值。
                    如果使用6位十进制浮点运算,运算时取6位有效数字,结果如下:
                 
            结果只有一位有效数字,与之前相比,损失了5位有效数字。
                    如果使用下面的方法:
                 
            则结果有6位有效数字,与精确值0.00499912523117984……较为接近。
  •  防止重要的小数被大数吃掉
            eg: 已知,求

            如果按照的顺序来求的话,由于x远大于y,在计算机中可能导致x+y=x的情况,因此我们可以按照的顺序计算得到正确的结果。
  • 避免除数的绝对值远小于被除数的绝对值
            eg:用消去法解线性方程组
            
                
           这个方程组的正确解为:
             

          当我们用(1)/0.00003-(2)时,可以得到下面的化简和计算结果:
             

            显然上述结果严重失真,产生了很大的误差。这就是由于除数的绝对值远小于被除数的绝对值造成的。
           为了避免上述情况,我们可以用第二个方程消去第一个方程中的x1,即(2)*0.00003-(1),得到如下表达式和结果:
           

            将结果与正确解相比发现,这是一组相当好的近似解。                    
  •  注意算法的稳定性
            所谓算法的稳定性是指,一个算法如果输入数据有误差,而在计算过程中误差不增长,那么称此算法是数值稳定的。
   
  
        上面的部分基本上都来源于《数值分析》一书,讲的挺好的,这些减小误差的方法,我们平时需要多注意,在用c进行编程实现时需要注意,而用Matlab实现时,上面的问题都不是问题了,不过我们要学习的是这种方法和技巧。下面讲讲,在实现上述方法的Matlab的知识:1、精度控制;2、解线性方程组。


一、精度控制
     format  digits  vpa函数的使用
     format只用来控制显示精度的,并不控制计算精度,digits用来控制计算精度,vpa也是控制计算精度。
     digits必须与vpa配合使用,单独不起作用。
     vpa可单独控制计算精度
     
     具体操作如下图:
            1、format的操作
                

            2、digits的操作

               
            3、vpa的操作
               

     二、解非齐次线性方程组
           


             可以通过以下四种方法求解该方程组:
              用矩阵表示上述的线性方程组如下:

  • 求逆矩阵法
            


  • 矩阵左除法

                   
  • 初等行变换

                     
  • 卡莱姆法则
                       

具体的程序实现如下:
clear all
clc

A=[ 6 2 3 4 5
    2 -3 7 10 13
    3 5 11 -16 21
    2 -7 7 7 2
    7 3 -5 3 10]
b=[80 59 90 22 85]'

x1=inv(A)*b%逆矩阵法
x2=A\b%矩阵左除法
x3=rref([A b])%初等行变换

%克拉姆法则
for i=1:length(A)
    B=A;
    B(:,i)=b;
    x(i)=det(B)/det(A);
end
x'

运行结果如下图:

注意事项:当系数矩阵A不是方阵,或A的行列式为0时,逆矩阵法和克拉姆法则无法使用,而初等行变换能适用于各种线性方程组的求解。

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