数值分析教案

1数值分析教案重庆大学数理学院信息与计算科学系谭宏2006年9月4日2一、课程基本信息1、课程英文名称：NumericalAnalysis2、课程类别：专业基础课程3、课程学时：总学时30，实验学时124、学分：25、先修课程：《高等数学》、《线性代数》、《FORTRAN语言》6、适用专业：土木工程、给水排水、机电7、大纲执笔：谭宏8、大纲审批：数理学院信息与计算科学系9、制定(修订)时间：2006年9月4日二、课程的目的与任务：数值分析是信息与计算科学专业的重要理论基础课程，是现代数学的一个重要分支。其主要任务是介绍进行科学计算的理论方法，即在计算机上对来自科学研究和工程实际中的数学问题进行数值计算和分析的理论和方法。通过本课程的学习，不仅使学生初步掌握数值分析的基本理论知识，而且使学生具备一定的科学计算的能力、分析问题和解决问题的能力，为学习后继课程以及将来从事科学计算、计算机应用和科学研究等工作奠定必要的数学基础。三、课程的基本要求：1．掌握数值分析的常用的基本的数值计算方法2．掌握数值分析的基本理论、分析方法和原理3．能利用计算机解决科学和工程中的某些数值计算应用问题，增强学生综合运用知识的能力4．了解科学计算的发展方向和应用前景四、教学内容、要求及学时分配：(一)理论教学：引论（2学时）第一讲（1-2节）1．教学内容：数值分析(计算方法)这门课程的形成背景及主要研究内容、研究方法、主要特点；算法的有关概念及要求；误差的来源、意义、及其有关概念。数值计算中应注意的一些问题。2．重点难点：算法设计及其表达法；误差的基本概念。数值计算中应注意的一些问题。33．教学目标：了解数值分析的基本概念；掌握误差的基本概念：误差、相对误差、误差限、相对误差限、有效数字；理解有效数字与误差的关系。学会选用相对较好的数值计算方法。A算法B误差典型例题第一章插值方法（6学时）第二讲（3-4节）1.教学内容：代数插值多项式的存在唯一性；Lagrange插值及其误差估计。2．重点难点：Lagrange插值基函数、插值公式的构造、插值余项。3．教学目标：了解插值问题的背景及提法、代数插值多项式的存在唯一性；掌握Lagrange插值基函数及其构造法。1．问题的提出2．拉格朗日查值公式3．插值余项典型例题第三讲（5-6节）教学内容：差商、差分的概念与性质，Newton插值公式及其余项。重点难点：差商表、差分表，Newton插值公式的构造。4教学目标：理解差商、差分的定义及其性质，掌握Newton插值公式及其余项。4．牛顿插值公式5．埃尔米特插值典型例题第四讲（7-8节）1．教学内容：曲线拟合的概念、直线拟合、多项式拟合、正则方程组。2．重点难点：拟合曲线的类型、正则方程组的建立、拟合多项式的求解。3．教学目标：了解曲线拟合的概念、对给出的一组数据点，能判断其拟合曲线的类型、建立相应的正则方程组、求得拟合多项式6．曲线拟合的最小二乘法典型例题第二章数值积分与数值微分（6学时）第五讲（9-10节）1．教学内容：代数精度的概念、插值型的求积公式、牛顿-柯特斯公式、数值积分的误差估计。2．重点难点：代数精度的概念、插值型的求积公式、牛顿-柯特斯公式、数值积分的误差估计。3．教学目标：了解代数精度的概念、掌握插值型的求积公式、牛顿-柯特斯公式；对给出的一组数据点，能正确使用插值型的求积公式、牛顿-柯特斯公式进行数值计算，并能够进行误差分析。51．机械求积2．牛顿—柯特斯公式典型例题第六讲（11-12节）1．教学内容：梯形法的递推化、龙贝格公式、龙贝格算法程序设计2．重点难点：龙贝格算法的思想、龙贝格算法加速的过程、龙贝格算法程序设计3．教学目标：了解梯形法的递推化的方法、掌握龙贝格算法的加速过程、能利用变步长的梯形法和龙贝格公式计算实际问题、编写龙贝格算法程序3．龙贝格算法典型例题第七讲（13-14节）1．教学内容：通过对高斯公式的定义的讲解，介绍什么是高斯公式、什么是高斯点、什么是高斯求积系数；然后对高斯点的基本特性进行分析分析，推导出节点是高斯点的充分必要条件，从而引导出几种求高斯点的方法及勒让德多项式。从微分的定义出发，用差商引导出几个微分的数值方法；再对中心差商公式，介绍一种加速的方法；然后利用插值公式，推导出插值型的数值微分公式并进行误差估计。2．重点难点：高斯点的基本特性、正交多项式、高斯点的计算3．教学目标：理解高斯公式的定义、掌握高斯点的基本特性、能利用梯形法的递推化的方法、掌握龙贝格算法的加速过程、能利用勒让德多项式得出几个低阶的高斯公式并能利用高斯公式解决实际问题。了解差商公式及插值型求导公式，并能利用它们进行数值微分的计算。4．高斯公式5．数值微分典型例题第三章常微分方程数值解（4学时）6第八讲（15-16节）1．教学内容：Euler方法：Euler公式，单步显式公式极其局部截断误差；后退Euler公式，单步隐式公式极其局部截断误差；梯形公式，预测校正公式与改进Euler公式。2．重点难点：Euler公式，预测校正公式与改进Euler公式3．教学目标：了解欧拉方法的几何意义、对给出的初值问题，能利用Euler公式，改进Euler公式进行微分方程数值求解1．欧拉法2．改进欧拉法典型例题第九讲（17-18节）1．教学内容：龙格-库塔方法：龙格-库塔方法的设计思想、二阶龙格-库塔方法、三阶龙格-库塔方法、四阶龙格-库塔方法、变步长的龙格-库塔方法；亚当姆斯方法：亚当姆斯格式、亚当姆斯预报-效正系统、误差分析。2．重点难点：龙格-库塔方法的设计思想；各阶龙格-库塔方法系数的确定。3．教学目标：理解龙格-库塔方法的设计思想，熟悉二阶龙格-库塔方法的推导，能利用龙格-库塔方法进行微分方程数值求解。了解亚当姆斯格式。3．龙格—库塔法4．亚当姆斯典型例题第四章方程求根的迭代法（4学时）第十讲（19-20节）1．教学内容：首先，简单介绍二分法；然后讲解迭代法的设计思想、通过对同一方程的不同迭代格式的计算结果的分析，推导出迭代收敛性定理及局部迭代迭代收敛性定理。然后对收敛速度进行分析。讲解迭代加速的方法，并介绍埃特金加速算法的程序设计。2．重点难点：牛顿迭代法及局部收敛性、迭代法及收敛性定理73．教学目标：了解欧拉方法的几何意义、对给出的初值问题，能利用Euler公式，改进Euler公式进行数值求解1．二分法2．迭代法的概念典型例题第十一讲（21-22节）1．教学内容：首先介绍牛顿迭代公式及其几何意义，分析其收敛速度；然后利用牛顿迭代公式推导出开方公式，并分析其收敛速度；讲解牛顿下山法的基本思想及下山因子的选取。最后介绍牛顿迭代法的程序设计。2．重点难点：牛顿迭代法及局部收敛性、牛顿下山法及下山因子的选取3．教学目标：掌握牛顿迭代法，能利用牛顿迭代法进行方程求根的数值计算。并能够编制相应的应用程序。3．牛顿法典型例题第五章线性方程组的迭代法（2学时）第十二讲（23-24节）1．教学内容：首先通过例子介绍解线性方程组的迭代法的基本思想；然后介绍雅可比迭代公式及其程序设计；介绍高斯-塞德尔迭代公式；超松驰迭代法及其程序设计；以及迭代公式的矩阵表示。2．重点难点：雅可比迭代法、高斯—塞德尔迭代法、超松驰迭代法3．教学目标：8掌握三种迭代公式，能利用这三种迭代公式进行线性方程组的迭代求解，并编制相应的应用程序。1．雅可比迭代法2．高斯—塞德尔迭代法3．超松驰迭代法典型例题第六章线性方程组的直接法（4学时）第十三讲（25-26节）1．教学内容：线性方程组的消去法、Gauss消去法及其Gauss列主元素消去法的计算过程；三种消去法的程序设计。2．重点难点：约当消去法，Gauss消去法，Gauss列主元素消去法3．教学目标：了解线性方程组的解法；掌握约当消去法、Gauss消去法、Gauss列主元素消去的基本思想；能利用这三种消去法对线性方程组进行求解，并编制相应的应用程序。1、约当消去法2、Gauss消去法3、Gauss列主元素消去法典型例题第十四讲（27-28节）1．教学内容：三对角方程组及其解的唯一性定理、追赶法的计算公式、追赶法的代数基础。2．重点难点：唯一性定理、追赶法的计算公式、追赶法的代数基础3．教学目标：了解追赶法的基本思想、掌握追赶法的计算公式，能运用追赶法对线性方程组进行求解。1、三对角方程组2、追赶法的计算公式93、追赶法的代数基础典型例题第十五讲（29-30节）总复习(二)实验教学：实验一、二插值方法(4学时)（1）实验目的：（1）学会拉格朗日插值、牛顿插值等基本方法（2）设计出相应的算法，编制相应的函数子程序（3）会用这些函数解决实际问题2．实验内容（1）设计拉格朗日插值算法，编制并调试相应的函数子程序（2）设计牛顿插值算法，编制并调试相应的函数子程序（3）给定函数四个点的数据如下：X1.12.33.95.1Y3.8874.2764.6512.117试用拉格朗日插值确定函数在x=2.101，4.234处的函数值。（4）已知，，，392411用牛顿插值公式求5的近似值。3．实验原理写出本次实验所用算法的算法步骤叙述或画出算法程序框图4．实验环境及实验文件存档名写出实验环境及实验文件存档名4．实验结果及分析输出计算结果，CPU时间，结果分析和小结等。实验三数值微积分(2学时)1．实验目的：（1）学会复化梯形、复化辛浦生求积公式的应用（2）学会数值微分方法的应用（3）设计出相应的算法，编制相应的函数子程序（4）会用这些函数解决实际问题2．实验内容（1）设计复化梯形公式求积算法，编制并调试相应的函数子程序（2）设计复化辛浦生求积算法，编制并调试相应的函数子程序（3）设计一种数值微分算法，编制并调试相应的函数子程序（4）分别用复化梯形公式和复化辛浦生公式计算定积分1010sindxxx取n=2，4，8，16，精确解为0.94608313、实验原理写出本次实验所用算法的算法步骤叙述或画出算法程序框图4．实验环境及实验文件存档名写出实验环境及实验文件存档名5．实验结果及分析输出计算结果，CPU时间，结果分析和小结等。实验四估计水塔的水流量(2学时)1．实验目的：（1）学会对实际问题的分析方法（2）学会利用所学的知识解决实际问题（3）设计出相应的算法，编制相应的应用程序2．实验内容某居民区，其自来水是有一个圆柱形水塔提供，水塔高12.2m，塔的直径为17.4m，水塔是由水泵根据水塔中的水位自动加水，一般水泵每天工作两次。按照设计，当水塔中的水位降低至最低水位，约8.2m时，水泵自动启动加水。当水位升至最高水位，约10.8m时，水泵停止工作。下表给出了某一天的测量记录，测量了28个时刻的数据，但由于水泵正向水塔供水，由3个时刻无法测量到水位（表中为—）。时刻00.9211.8432.9493.8714.9785.900水位9.6779.4799.3089.1258.9828.814.8.686时刻7.0067.9288.9679.98110.92510.94512.032水位8.5258.3888.220——10.82010.500时刻12.95413.87514.98215.90316.82617.93119.037水位10.2109.9369.6539.4099.1808.9218.662时刻19.95920.83922.01522.95823.88024.98625.908水位8.4338.220—10.82010.59110.35410.180试建立数学模型，计算居民的用水速度和日总用水量。3、实验原理写出本次实验所用算法的算法步骤叙述或画出算法程序框图4．实验环境及实验文件存档名写出实验环境及实验文件存档名6．实验结果及分析输出计算结果，CPU时间，结果分析和小结等。实验五常微分方程的数值解法(2学时)1．实验目的：（1）学会显式欧拉公式的使用（2）学会二阶龙格-库塔方法的使用11（3）设计出相应的算法，编制相应的函数子程序（4）会用这些函数解决实际问题2．实验内容（1）分别取h=0.05，N=10；h=0.025，N=20；h=