对数值分析的认识.pdf

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《数值分析》课程体会

一对数值分析的认识

数值分析的定义:数值分析(numericalanalysis)是研究分

析用计算机求解数学计算问题的数值计算方法及其理论的学科,

是数学的一个分支,它以数字计算机求解数学问题的理论和方

法为研究对象。为计算数学的主体部分。

运用数值分析解决问题的过程:实际问题→数学模型→数值

计算方法→程序设计→上机计算求出结果

数值分析这门学科有如下特点:1·面向计算机2·有可

靠的理论分析3·要有好的计算复杂性4·要有数值

实验5.要对算法进行误差分析

本书主要内容:插值法,函数逼近与快速傅里叶变换,数

值积分,数值微分,解线性方程组的直接方法,解线性方程组

的迭代法,非线性方程与方程组的数值解法,矩阵特征值计算,

常微分方程初值问题的数值解法。

接下来我将就网上查的一些资料以及这学期从课堂上学到

的谈一下自己对着门课程的认识。

大学的时候也上过数值分析,上完这门课之后,具体的公式记

不清楚了,但留下很深印象的是一些计算数学的思想。比如说

迭代(iteration),再比如局部近似里的以直代曲其实就是数

值积分的思想,而不断的局部以直代曲,就是非线性方程牛顿

法的思想。还有其他一些思想,比如外推法等。因此,对这门

课的总体印象就是技巧性和实用性很强

科学研究方法可以分为理论分析、科学实验、科学计算。理

论分析和科学实验大家比较熟知,那什么是科学计算呢?许多

复杂的问题需要借助计算机快速准确的数据处理能力,用计算

机处理数值问题的方法就是所谓的科学计算。数值分析这门课

的主旨就是将分析问题代数化,培养计算思维,研究如何借助

计算工具求得数值问题(问题本身反映了初始数据和要求的数值

型数据之间的某种确定性关系)的数值解。其实有数学以来就

有数值计算,数百年前,人类已经将数学应用在建筑、战争、

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会计,以及许多领域之上,最早的数学大约是西元前1800年巴

比伦人泥板(Babyloniantablet)上的计算式子。例如所谓

的勾股数(毕氏三元数),(3,4,5),是直角三角形的三边

长比,在巴比伦泥板上已经发现了开根号的近似值。当今,随

着计算机的出现和发展,数值计算迅速发展并形成数学科学的

一个独立的分支—计算数学。

那么数值分析在现实中有哪些应用?首先整理下用数学解决

实际问题的步骤,一般有以下几步:

1.根据实际问题建立数学模型——应用数学

2.数学模型分析(比如模型解的存在、唯一、适定性)——基础

数学

3.针对相应的数值问题设计可靠高效的算法

4.计算结果可视化

5.计算结果分析

我觉得后面三步其实都可以划分到数值分析里,而这门课的核

心即是设计高效可靠的算法。举一些数值分析在实际中的应用。

凡是涉及到计算的地方几乎都需要数值分析,比如天气预报,

比如工程设计,比如流体固体计算,比如核武器的研制,比如

导弹和火箭的发射等等。因为这些问题大都会涉及方程组(线性,

非线性,微分)的求解,而多数情况下是无法给出解析解的。所

以需要考虑近似解析法(级数解法,逐次逼近法)和数值解法

(给出一些离散点处解的近似值),这正是数值分析研究的内

容。

具体介绍一下数值计算在天气预报中的应用:天气会受各种

因素的影响,稍微一些因素发生改变就会产生很大的变化,所

以天气预报其实是一件比较困难的工作(因为这是一个非线性

的问题)古代人们用占卜或者经验总结等方式来预计天气状况,

这倒更像是统计学。而有了计算机,我们就可以通过数值模拟

来预报天气。具体过程就是:首先根据大气运动列出数学物理

方程(偏微分),其次对空间进行网格划分,然后通过观测数

据给出初值条件,最后通过数值方法求解这些偏微分方程得到

网格点处的数值解。这也是为什么主持人总是说大概在...地区,

大致在...时段,可能有...量级的降水...因为时空是连续的,

而网格划分不可能无限密,所得的数值解也存在误差。

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二对插值法的体会与认识

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