Как найти приближенное значение величины

Содержание:

1. Приближённые вычисления
2. Абсолютная и относительная погрешности
3. Выполнение действий над приближёнными числами
4. Выполнение действий без точного учёта погрешности

Приближённые вычисления

Приближённые вычисления — вычисления, в которых данные и результат (или только результат) являются числами, приближенно представляющими истинные значения соответствующих величин. Числовые данные, полученные измерением реальных объектов, редко бывают точными значениями соответствующей величины, а обычно имеют некоторую погрешность

Абсолютная и относительная погрешности

При решении практических задач часто приходится иметь дело с приближёнными значениями разных числовых величин. К ним относятся: результаты измерения разных величин с помощью приборов; значения полученные при считывании на графиках, диаграммах, номограммах; проектные данные; результаты округления чисел; результаты действий над приближёнными числами; табличные значения некоторых величин; результаты вычислений значений функции. Приближённые значения (приближение, приближённые числа) могут значительно отличаться от точных, либо быть близкими к ним.

Для оценки отклонения приближённых чисел от точных используют такие понятия как абсолютная и относительная погрешности.

Абсолютной погрешностью  приближённой называется модуль разности между точным значением величины  и её приближённым значением х, то есть

Пример.

Абсолютная погрешность приближённого числа  числом 0,44 составляет

Если точное число неизвестно, то найти абсолютную погрешность  невозможно. На практике вводят оценку допустимой при данных измерениях или вычислениях абсолютной погрешности, которую называют пределом абсолютной погрешности и обозначают буквой h. Считают, что h. Как правило, предел абсолютной погрешности устанавливают из практических соображений, например, при измерениях  пределом абсолютной погрешности считают наименьшее деление прибора.

При записи приближённых чисел часто используют понятия верной и сомнительной цифры.

Цифра  называется верной, если предел абсолютной погрешности данного приближения не превышает единицы того разряда, в котором записана эта цифра. В другом случае цифра называется  сомнительной.

Например: в числе две цифры верны, поскольку погрешность 0,04 не превышает единицу разряда десятых. Цифры 9 и 7 верны, поскольку  а цифры 4 и 6 являются сомнительными, поскольку 

В конечной записи приближённого числа сохраняют только верные цифры. Так число  можно записать в виде  , число  в виде  Если в десятичной дроби последние верные цифры — нули, то их оставляют в записи числа.

Например: если , то правильной записью числа будет 0,260.

Если в целом числе последние нули являются сомнительными, их исключают из записи числа.

Именно поэтому при работе с приближёнными числами широко используют стандартную форму записи числа.

Например: в числе  верными являются три первые цифры, а два последних нуля — сомнительные цифры. Запись числа возможна только в виде: 

Следовательно, в десятичной записи приближённого числа последняя цифра указывает на точность приближённости, то есть предел абсолютной погрешности не превышает единицу последнего разряда.

Например:

1. Запись  означает, что , то есть предел абсолютной погрешности h=0,01.

2. Запись 

3. Если 

В десятичной записи числа значимыми цифрами называются все его верные цифры начиная с первой слева, отличной от нуля.

Например: в числе 1,13 — три значимых цифры, в числе 0,017 — две, в числе 0,303 — три, в числе 5,200 — четыре, в числе 25_*10³ — две значимых цифры.

При таком подходе к записи приближенного числа необходимо уметь округлять числа.

Правила округления чисел:

— Если первая цифра, которую отбрасываем является меньше пяти, то в основном разряде, который сохраняется цифра не меняется. Например: 879,673≈879,67.

— Если первая цифра, которую отбрасываем больше пяти, то в последнем разряде, который сохраняется цифра увеличивается на единицу. Например: 456,87≈456,9.

— Если первая цифра, которая отбрасывается пять и за ней есть ещё отличны от нуля, то в последнем разряде, который сохраняется цифра увеличивается на единицу. Например: 1246,5002≈1247.

— Если первая цифра, которая отбрасывается — пять и за ней нет больше никаких цифра, то в последнем разряде, который сохраняется цифра увеличивается на единицу. Например: 0,275≈0,28; 1,865≈1,86.

Абсолютная погрешность не полностью характеризует точность приближения. Например,  будет грубой ошибкой при измерении жука, и незначительной при измерении кита. Тоже самое можно сказать и про предел абсолютной погрешности. Качество (точность) приближённости лучше характеризуется относительной погрешностью.

Относительной погрешностью  (омега) приближённости х величины  называется отношением абсолютной погрешности  этого приближения к модулю приближённого значения х, то есть 

Поскольку абсолютная погрешность  обычно бывает неизвестна, то на практике оценивают модуль относительной погрешности некоторым числом, которое не меньше чем этот модуль: 

Число  называется пределом относительной погрешности.

Предел относительной погрешности можно вычислить по формуле: 

Конечно относительная погрешность выражается в процентах.

С помощью относительной погрешности легко установить точность приближённости.

Пример 1. Найти относительную погрешность числа 

Решение: Имеем 

Следовательно 

Пример 2. Сравнить точность измерения толщины книги d (см) и высоты стола H (см), если известно, что  .

Решение: 

Как видим, точность измерения высоты стола значительно выше.

Выполнение действий над приближёнными числами

Результат арифметических действий над приближёнными числами является также приближённым числом.

Необходимо уметь устанавливать погрешности результатов вычислений. Их находят с точным и без точного учёта погрешностей исходных данных. Правила нахождения погрешностей результатов действий с точным учётом погрешности приведены в таблице (обозначения –  исходные данные;  пределы абсолютных погрешностей относительно чисел; пределы относительных погрешностей).

Пример 3. Вычислить приближение значения выражения  и найти предел погрешностей результата.

Решение: находим значение квадрата числа 5,62 и квадратного корня из числа 18,50.

Найдём границу относительной погрешности результата:

Граница абсолютной погрешности результата:

Ответ: 

Пример 4. Вычислить приближение значения выражения   и найти предел погрешностей результата.

Решение: находим значение квадратного корня из числа 6,24 и , имеем:

Граница относительной погрешности результата:

Граница абсолютной погрешности результата: 

Ответ: 

Выполнение действий без точного учёта погрешности

Точный учёт погрешности усложняет вычисление. Поэтому, если не надо учитывать погрешность промежуточных результатов, можно использовать более простые правила. 

Сложение и вычитание приближённых вычислений рекомендуется выполнять так:

а) выделить слагаемое с наименьшим числом верных десятичных знаков;

б) округлить другие слагаемые так, чтобы каждое из них содержало на один десятичный знак больше чем выделенное;

в) выполнить действия, учитывая все сохранённые десятичные знаки;

г) результаты округлить и сохранить столько десятичных знаков, сколько их есть в приближённом числе с наименьшим числом десятичных знаков.

Умножение и деление приближённых вычислений рекомендуется выполнять так:

а) выделить среди данных чисел, число с наименьшим количеством верных значимых цифр;

б) округлить оставшиеся данные так, чтобы каждое из них содержало на одну значащую цифру больше, чем в выделенном;

в) выполнить действия — сохранить все значимые цифры;

г) сохранять в результате столько значащих цифр, сколько их имеет выделенное число с наименьшим количеством верных значимых цифр.

При возведении в степень приближённого числа в результате сохраняют столько значимых цифр, сколько верных значимых цифр имеет основа степени.

При извлечении корня из приближённого числа в результате сохраняют столько верных цифр, сколько имеет подкоренное число.

Лекция №2

«Приближённые вычисления. Приближённое
значение величины и погрешности приближений. Тождественные преобразования
алгебраических и числовых выражений.»

1. Приближённые
вычисления — вычисления, в которых данные и результат (или, по крайней мере,
только результат) являются числами, лишь приближённо представляющими истинные
значения соответствующих величин. Приближенное значение величины записывается
следующим образом: x

Округление с избытком и округление с недостатком.

Задание: Округлить
с избытком до 100, 10 и единиц число 15,368.

Решение: До сотых:
15,368=15,37; до десятых 15,368=15,4; до единиц 15,368=16

Задача: Округлить с недостатком до 100, 10 и единиц число 44,376.

Решение:  До 100 –  44,376=44,37; да 10 — 44,376=44,3; до единиц
— 44,376=44

2. Приближенное значение величины называют приближенным числом.
Истинное значение величины называют точным числом. Приближенное число имеет
практическую ценность лишь тогда, когда мы можем определить, с какой степенью
точности оно дано или определено, т.е. оценить его погрешность.

Погрешность приближения представляет собой взятую по модулю
разность между точным значением числа и его приближенным значением. Если a —
это точное значение числа, а b — его приближенное значение, то погрешность
приближения определяется по формуле |a – b|=

Дельта — есть погрешность приближения.

Например, если число 3,756 заменить его приближенным значением
3,7, то погрешность будет равна: Δ = 3,756 — 3,7 = 0,056. Если в
качестве приближенного значения взять 3,8, то погрешность будет равна:
 Δ = 3,756 — 3,8 = —0,044.

Задание: 1. Округлить с избытком до 100, 10,1 и определить
погрешность приближения следующих чисел: 71,685; 2,381; 3,14159;

2. Округлить с недостатком до 100, 10,1 и определить погрешность
приближения следующих чисел: 71,685; 2,381; 3,14159

3. Алгебраическим выражением называется выражение, в котором числа и буквы соединены
действиями сложения, вычитания, умножения, деления, возведения в степень или
извлечения арифметического корня.

Равенство, обе части
которого принимают одинаковые числовые значения при любых допустимых значениях
входящих в него букв, называется тождеством.

Например, каждая из формул
сокращенного умножения представляет собой тождество, ибо левая и правая части
каждого из равенств:

равны друг другу при любых
значениях a и b. При этом одно выражение преобразуется
в другое, ему тождественно равное.

При выполнении
тождественных преобразований алгебраических выражений необходимо знать порядок
выполнения действий, действия с дробями и степенными выражениями, формулы
сокращенного умножения и др

Задание перед лекцией:

1. Сократить дроби с
нахождением НОД:

24/60; 45/105; 39/130;
64/144; 210/315; 72/60; 150/225; 130/360

2. Вычислите:

3/16+5/8; 19/20-3/4;
8/13*2/7; 7/15*10/9; 4/25:8

Приближенным
числом или приближением называется
число,
незначительно отличающееся от точного
значения величины и заменяющее его в
вычислениях. Под погрешностью же принято
понимать разность между абсолютным
значением и его приближением.

Наличие
погрешности обусловлено рядом весьма
глубоких причин.

• Математическая
  модель является лишь приближенным
  описанием реального процесса.
  Характеристики процесса, вычисленные
  в рамках принятой модели, заведомо
  отличаются от истинных характеристик,
  причем их погрешность зависит от степени
  адекватности модели реальному процессу.

• Исходные
  данные, как правило, содержат погрешности,
  поскольку они либо получаются в
  результате экспериментов (измерений),
  либо являются результатом решения
  некоторых вспомогательных задач.

• Применяемые
  для решения задачи методы в большинстве
  случаев являются приближенными. Найти
  решение возникающей на практике задачи
  в виде конечной формулы возможно только
  в отдельных, очень упрощенных ситуациях.

• При
  вводе исходных данных в ЭВМ, выполнении
  арифметических операций и выводе
  результатов производятся округления.

Классификация
погрешностей измерений

По
форме представления погрешности
разделяются на: абсолютные, относительные
и приведённые

По
причине возникновения: инструментальные,
методические погрешности, субъективные

По
характеру проявления: случайная,
систематическая, прогрессирующая
(дрейфовая),

грубая
погрешность (промах)

По
способу измерения: погрешность прямых
измерений, погрешность косвенных
воспроизводимых измерений

Абсолютная
погрешность
– разность между приближенным значением
некоторой величины и ее точным значением

Относительная
погрешность
— отношение абсолютной погрешности к
тому значению, которое принимается за
истинное.

Значащими
цифрами называются все цифры, кроме
нуля, а также и нуль в двух случаях:

• когда
  нуль стоит между значащими цифрами;

• когда
  нуль стоит в конце числа, если известно,
  что единиц соответствующего разряда
  в данном числе не имеется.

а)
1 кг = 1000 г;

б)
население США по одной из переписей
составляло 195530000

человек

В
первом случае имеем точное соотношение,
поэтому все нули здесь – значащие цифры.
Во втором случае нули стоят вместо
неизвестных цифр, и число имеет только
5 значащих цифр. Для того чтобы избежать
недоразумения, никогда не следует писать
нули вместо неизвестных цифр, а лучше
применять такую форму записи:

19553
⋅104
или
1,9553
⋅108

Связь
относительной погрешности с количеством
верных знаков числа

Если
положительное приближенное число имеет
относительную погрешность , то количество
верных знаков n данного числа можно
определить по формуле

и
в качестве n взять ближайшее целое к
число.

Пр.
округления Если абсолютная погрешность
начинается с 1 или 2,

например,
(136; 2489; 0,01567; 0,00202; 0,1450),

то
оставляем две значащие цифры (140; 2500;
0,016; 0,0020; 0,15).

Если
абсолютная погрешность начинается с 3
и более,

например,
(32; 456; 99; 0,98; 0,0791),

то
оставляем одну значащую цифру (30; 500;
100; 1; 0,08).

Основная
задача теории погрешностей состоит в
оценке погрешности результата вычислений
при известных погрешностях исходных
данных.

15.
Применение дифференциального исчисления
при оценке погрешности. Обратная задача
теории погрешностей.

Обратная
задача теории погрешностей

состоит
в том, чтобы определить с какой точностью
необходимо задавать значения аргументов
функции , чтобы ее погрешность не
превосходила заданной величины ? Эта
задача математически неопределена, так
как заданную погрешность можно обеспечить
при любом наборе предельных абсолютных
погрешностей аргументов удовлетворяющих
условию:

Простейшее
решение обратной задачи дает принцип
равных влияний, согласно кото- рому
вклады всех аргументов в формирование
абсолютной погрешности функции равны:

Отсюда

,
где

Иногда
при решении обратной задачи по принципу
равных влияний абсолютные погрешности
отдельных аргументов оказываются
настолько малыми, что вычислить или
измерить эти величины с соответствующей
точностью невозможно. В таком случае
отступают от принципа равных влияний,
чтобы увеличение погрешности одних
переменных компенсировать уменьшением
погрешности других.

16
Алгоритмизация
и программирование. Алгоритм и его
свойства.

Алгоритм
– это определённая последовательность
действий, которые необходимо выполнить,
чтобы получить результат. Алгоритм
может представлять собой некоторую
последовательность вычислений, а может
– последовательность действий
нематематического характера. Для любого
алгоритма справедливы общие закономерности
– свойства алгоритма.

Дискретность
– это свойство алгоритма, когда алгоритм
разбивается на конечное число элементарных
действий (шагов).

Понятность
– свойство алгоритма, при котором каждое
из этих элементарных действий (шагов)
являются законченными и понятными.

Детерминированность
– свойство, когда каждое действие
(операция.указание.шаг.требование)
должно пониматься в строго определённом
смысле, чтобы не оставалась места
произвольному толкованию. чтобы каждый,
прочитавший указание, понимал его
однозначно.

Массовость
– свойство, когда по данному алгоритму
должна решаться не одна, а целый класс
подобных задач.

Результативность
– свойство, при котором любой алгоритм
в процессе выполнения должен приводить
к определённому результату. Отрицательный
результат также является результатом.

Изобразительные
средства для описания (представление)
алгоритма

Для
записи алгоритма решения задачи
применяются следующие изобразительные
способы их представления:

• Словесно-
  формульное описание

• Блок-схема
  (схема графических символов)

• Алгоритмические
  языки

• Операторные
  схемы

• Псевдокод

Для
записи алгоритма существует общая
методика:

Каждый
алгоритм должен иметь имя, которое
раскрывает его смысл.

Необходимо
обозначить начало и конец алгоритма.

Описать
входные и выходные данные.

Указать
команды, которые позволяют выполнять
определенные действия над выделенными
данными

Человеку
в жизни и практической деятельности
приходится решать множество различных
задач. Решение каждой из них описывается
своим алгоритмом, и разнообразие этих
алгоритмов очень велико. Тем не менее
можно выделить лишь три основных вида
алгоритмов (для краткости далее будем
называть их просто: линейные, разветвляющиеся
и циклические алгоритмы):

линейной
структуры,

разветвляющейся
структуры,

циклической
структуры.

Линейный
алгоритм
– алгоритм, в котором порядок действий
фиксирован и каждое действие выполняется
только один раз. Разветвляющийся алгоритм
– алгоритм, порядок действий в котором
зависит от некоторых условий. Разнообразие
же алгоритмов определяется тем, что
любой алгоритм распадается на части,
фрагменты и каждый фрагмент представляет
собой алгоритм одного из трех указанных
видов. Поэтому важно знать структуру
каждого из алгоритмов и принципы их
составления.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

ПРИБЛИЖЕННЫЕ ЧИСЛА И ДЕЙСТВИЯ НАД НИМИ

1. Приближенное значение величины. Абсолютная и относительная погрешности
2. Верные и значащие цифры. Запись приближенных значений.
3. Вычисление погрешностей величин и арифметических действий
4. Методы оценки погрешности приближенных вычислений

1. Приближенное значение величины. Абсолютная и относительная погрешности

Решение практических задач, как правило, связано с числовыми значениями величин. Эти значения получаются либо в результате измерения, либо в результате вычислений. В большинстве случаев значения величин, которыми приходится оперировать, являются приближенными.

Пусть X – точное значение некоторой величины, а х – наилучшее из известных ее приближенных значений. В этом случае погрешность (или ошибка) приближения х определяется разностью Х-х. Обычно знак этой ошибки не имеет решающего значения, поэтому рассматривают ее абсолютную величину:

Величина ех, называемая абсолютной погрешностью приближенного значения х, в большинстве случаев остается неизвестной, так как для ее вычисления нужно точное значение X. Вместе с тем, на практике обычно удается установить верхнюю границу абсолютной погрешности, т.е. такое (по возможности наименьшее) число  для которого справедливо неравенство

Число  в этом случае называется предельной абсолютной погрешностью, или границей абсолютной погрешности приближения х.

Таким образом, предельная абсолютная погрешность приближенного числа х – это всякое число , не меньшее абсолютной погрешности ех этого числа.

Пример: Возьмем число . Если же вызвать  на индикатор 8-разрядного МК, получим приближение этого числа: Попытаемся выразить абсолютную погрешность значения . Получили бесконечную дробь, не пригодную для практических расчетов. Очевидно, однако, что  следовательно, число 0,00000006 = 0,6 * 10-7 можно считать предельной абсолютной погрешностью приближения , используемого МК вместо числа

Неравенство (2) позволяет установить приближения к точному значению X по недостатку и избытку:

которые могут рассматриваться как одна из возможных пар значений соответственно нижней границы (НГ) и верхней границы (ВГ) приближения х:

Во многих случаях значения границы абсолютной ошибки  так же как и наилучшие значения приближения х, получаются на практике в результате измерений. Пусть, например, в результате повторных измерений одной и той же величины х получены значения: 5,2; 5,3; 5,4; 5,3. В этом случае естественно принять за наилучшее приближение измеряемой величины среднее значение х=5,3. Очевидно также, что граничными значениями величины х в данном случае будут НГХ= 5,2, ВГХ = 5,4, а граница абсолютной погрешности х может быть определена как половина длины интервала, образуемого граничными значениями НГХ и ВГХ,

т.е.

По абсолютной погрешности нельзя в полной мере судить о точности измерений или вычислений. Качество приближения характеризуется величиной относительной погрешности, которая определяется как отношение ошибки ех к модулю значения X(когда оно неизвестно, то к модулю приближения х).

 Предельной относительной погрешностью (или границей относительной погрешности)  приближенного числа называется отношение предельной абсолютной погрешности к абсолютному значению приближения х:

Формула (5) позволяет при необходимости выражать абсолютную погрешность через относительную:

Относительную погрешность выражают обычно в процентах.

Пример  Определим предельные погрешности числа х=3,14 как приближенного значения π. Так как π=3,1415926…., то  |π-3,14|<0,0015927<0,0016=по формуле связи получаем таким образом

1. Верные и значащие цифры. Запись приближенных значений

Цифра числа называется верной (в широком смысле), если ее абсолютная погрешность не превосходит единицы разряда, в котором стоит эта цифра.

Пример. Х=6,328 Х=0,0007 X<0,001 следовательно цифра 8-верная

Пример: А). Пусть 0 = 2,91385,  В числе а верны в широком смысле цифры 2, 9, 1.

Б) Возьмем в качестве приближения к числу = 3,141592… число = 3,142. Тогда  (рис.) откуда следует, что в приближенном значении = 3,142 все цифры являются верными.

В) Вычислим на 8-разрядном МК частное точных чисел 3,2 и 2,3, получим ответ: 1,3913043. Ответ содержит ошибку, поскольку

Рис.  Приближение числа π

разрядная сетка МК не вместила всех цифр результата и все разряды начиная с восьмого были опущены. (В том, что ответ неточен, легко убедиться, проверив деление умножением: 1,3913043 2,3 = 3,9999998.) Не зная истинного значения допущенной ошибки, вычислитель в подобной ситуации всегда может быть уверен, что ее величина не превышает единицы самого младшего из изображенных на индикаторе разряда результата. Следовательно, в полученном результате все цифры верны.

Первая отброшенная (неверная) цифра часто называется сомнительной.

Говорят, что приближенное данное записано правильно, если в его записи все цифры верные. Если число записано правильно, то по одной только его записи в виде десятичной дроби можно судить о точности этого числа. Пусть, например, записано приближенное число а = 16,784, в котором все цифры верны. Из того, что верна последняя цифра 4, которая стоит в разряде тысячных, следует, что абсолютная погрешность значения а не превышает 0,001. Это значит, что можно принять  т.е. а = 16,784±0,001.

Очевидно, что правильная запись приближенных данных не только допускает, но и обязывает выписывать нули в последних разрядах, если эти нули являются выражением верных цифр. Например, в записи = 109,070 нуль в конце означает, что цифра в разряде тысячных верна и она равна нулю. Предельной абсолютной погрешностью значения , как следует из записи, можно считать  Для сравнения можно заметить, что значение с = 109,07 является менее точным, так как из его записи приходится принять, что

Значащими цифрами в записи числа называются все цифры в его десятичном изображении, отличные от нуля, и нули, если они расположены между значащими цифрами или стоят в конце для выражения верных знаков.

Пример  а) 0,2409 – четыре значащие цифры; б) 24,09 – четыре значащие цифры; в) 100,700 – шесть значащих цифр.

Выдача числовых значений в ЭВМ, как правило, устроена таким образом, что нули в конце записи числа, даже если они верные, не сообщаются. Это означает, что если, например, ЭВМ показывает результат 247,064 и в то же время известно, что в этом результате верными должны быть восемь значащих цифр, то полученный ответ следует дополнить нулями: 247,06400.

В процессе вычислений часто происходит округление чисел, т.е. замена чисел их значениями с меньшим количеством значащих цифр. При округлении возникает погрешность, называемая погрешностью округления. Пусть х – данное число, а х1 – результат округления. Погрешность округления определяется как модуль разности прежнего и нового значений числа:

В отдельных случаях вместо ∆окр приходится использовать его верхнюю оценку.

Пример  Выполним на 8-разрядном МК действие 1/6. На индикаторе высветится число 0,1666666. Произошло автоматическое округление бесконечной десятичной дроби 0,1(6) до числа разрядов, вмещающихся в регистре МК. При этом можно принять

Цифра числа называется верной в строгом смысле, если абсолютная погрешность этого числа не превосходит половины единицы разряда, в котором стоит эта цифра.

Правила записи приближенных чисел.

1. Приближенные числа записываются в форме х ± х. Запись X = х ± x означает, что неизвестная величина X удовлетворяет следующим неравенствам:     x-x <= X <= x+x

При этом погрешность х рекомендуется подбирать так, чтобы

а) в записи х было не более 1-2 значащих цифр;

б) младшие разряды в записи чисел х и х соответствовали друг другу.

Примеры:  23,4±0,2 ;   2,730±0,017 ;   -6,970,10.

1. Приближенное число может быть записано без явного указания  его  предельной абсолютной погрешности. В этом случае в его  записи  (мантиссе)  должны  присутствовать только верные цифры (в широком смысле, если не сказано обратное). Тогда по самой записи числа можно судить о его точности.

Примеры. Если в числе А=5,83 все цифры верны в строгом смысле, то А=0,005. Запись В=3,2 подразумевает, что В=0,1. А по записи С=3,200 мы можем заключить, что С=0,001. Таким образом, записи 3,2 и 3,200  в теории приближенных вычислений означают не одно и то же.

 Цифры в записи приближенного числа, о которых нам неизвестно, верны они или нет, называются сомнительными. Сомнительные цифры (одну-две) оставляют в  записи чисел промежуточных результатов для сохранения  точности  вычислений.  В окончательном результате сомнительные цифры отбрасываются.

Округление чисел.

1. Правило округления. Если в старшем из отбрасываемых  разрядов  стоит  цифра меньше пяти, то содержимое сохраняемых разрядов числа не изменяется. В противном случае в младший сохраняемый разряд добавляется единица с тем же знаком, что и у самого числа.
2. При округлении числа, записанного в форме х±х, его  предельная  абсолютная погрешность увеличивается с учетом погрешности округления.

Пример: Округлим до сотых число 4,5371±0,0482. Неправильно было бы записать 4,54±0,05 ,  так как погрешность  округленного числа складывается из погрешности исходного числа и погрешности округления.  В данном случае она равна 0,0482 + 0,0029 = 0,0511 .  Округлять погрешности всегда следует с избытком, поэтому окончательный ответ:  4,54±0,06.

Пример  Пусть в приближенном значении а = 16,395 все цифры верны в широком смысле. Округлим а до сотых: a1 = 16,40. Погрешность округления  Для нахождения полной погрешности , нужно сложить c погрешностью исходного значения а1 которая в данном случае может быть найдена из условия, что все цифры в записи а верны: = 0,001. Таким образом, . Отсюда следует, что в значении a1 = 16,40 цифра 0 не верна в строгом смысле.

1. Вычисление погрешностей арифметических действий

1. Сложение и вычитание. Предельной абсолютной погрешностью алгебраической суммы является сумма соответствующих погрешностей слагаемых:

Ф.1                               (X+Y) = Х + Y ,       (X-Y) = Х + Y .

Пример.  Даны приближенные числа Х = 34,38 и Y = 15,23 , все цифры верны в строгом смысле. Найти (X-Y) и (X-Y). По формуле Ф.1 получаем:

(X-Y) = 0,005 + 0,005 = 0,01.

Относительную погрешность получим по формуле связи:

2. Умножение и деление. Если   Х << |Х| и Y << |Y|,   то имеет место следующая формула:

Ф.2                                     (X · Y) = (X/Y) = X + Y.

Пример. Найти (X·Y) и (X·Y) для чисел из предыдущего примера. Сначала с помощью формулы Ф.2 найдем (X·Y):

(X·Y)= X + Y=0,00015+0,00033=0,00048

Теперь (X·Y) найдем с помощью формулы связи:

(X·Y) = |X·Y|·(X·Y) = |34,38 -15,23|·0,00048  0,26 .

3. Возведение в степень и извлечение корня. Если   Х << |Х| , то справедливы формулы

Ф.З

4. Функция одной переменной. 

Пусть даны аналитическая функция f(x) и приближенное число с ± с. Тогда, обозначая через  малое приращение аргумента, можно написать

Если f ‘(с)  0, то приращение функции f(с+) – f(c) можно оценить ее дифференциалом:

f(c+) – f(c)  f ‘(c) ·.

Если погрешность с достаточно мала, получаем окончательно следующую формулу:

Ф.4                                               f(c) = |f ‘(с)|· с .

Пример.  Даны   f(x) = arcsin x , с = 0,5 , с = 0,05 . Вычислить f(с).

Применим формулу Ф.4:    

5. Функция нескольких переменных.

Для функции нескольких переменных f(x1, … , хn) при xk= ck ± ck справедлива формула, аналогичная Ф.4:

Ф.5             f(c1, … ,сn)  l df(c1, … ,сn) | = |f ‘x1 (с1)|·с1+… + |f ‘xn (сn)|· сn.

Пример  Пусть х = 1,5, причем  т.е. все цифры в числе х верны в строгом смысле. Вычислим значение tg x. С помощью МК получаем: tgl,5= 14,10141994. Для определения верных цифр в результате оценим его абсолютную погрешность:  отсюда следует, что в полученном значении tgl,5 ни одну цифру нельзя считать верной.

1. Методы оценки погрешности приближенных вычислений

Существуют строгие и нестрогие методы оценки точности результатов вычислений.

1.   Строгий метод итоговой оценки. Если приближенные вычисления выполняются по сравнительно простой формуле, то с помощью формул Ф.1-Ф.5 и формул связи погрешностей можно вывести формулу итоговой погрешности вычислений. Вывод формулы и оценка погрешности вычислений с ее помощью составляют суть данного метода.

Пример Значения a = 23,1 и b = 5,24 даны цифрами, верными в строгом смысле. Вычислить значение выражения

С помощью МК получаем В = 0,2921247. Используя формулы относительных погрешностей частного и произведения, запишем:

 т.е.

Пользуясь МК, получим 5, что дает . Это означает, что в результате две цифры после запятой верны в строгом смысле: В=0,29±0,001.

2.   Метод строгого пооперационного учета погрешностей. Иногда попытка применения метода итоговой оценки приводит к слишком громоздкой формуле. В этом случае более целесообразным может оказаться применение данного метода. Он заключается в том, что оценивается точность каждой операции вычислений отдельно с помощью тех же формул Ф.1-Ф.5 и формул связи.        

3.   Метод подсчета верных цифр. Данный метод относится к нестрогим. Оценка точности вычислений, которую он дает, в принципе не гарантирована (в отличие  от строгих методов), но на практике является довольно надежной. Суть метода заключается в том, что после каждой операции вычислений в полученном числе определяется количество верных цифр с помощью нижеследующие правил.

П.1. При сложении и вычитании приближенных чисел в результате верными следует считать, те цифры, десятичным разрядам которых соответствуют верные цифры во всех слагаемых. Цифры всех других разрядов кроме самого старшего из них перед выполнением сложения или вычитания должны быть округлены во всех слагаемых.

П.2. При умножении и делении приближенных чисел в результате верными следует считать столько значащих цифр, сколько их имеет приближенное данное с наименьшим количеством верных значащих цифр. Перед  выполнением  этих  действий среди приближенных данных нужно выбрать число с наименьшим количеством значащих цифр и округлить остальные числа так, чтобы они имели лишь на одну значащую цифру больше него.

П.З. При возведении в квадрат или в куб, а также при извлечении квадратного или кубического корня в результате следует считать верными столько значащих цифр, сколько имелось верных значащих цифр в исходном числе.

П.4. Количество верных цифр в результате вычисления функции зависит от величины модуля производной и от количества верных цифр в аргументе. Если модуль производной близок к числу 10k  (k – целое), то в результате количество верных цифр относительно запятой на k меньше (если k отрицательно, то – больше), чем их было в аргументе. В данной лабораторной работе для  определенности  примем соглашение считать модуль, производной близким к 10k , если имеет  место  неравенство:

0,2·10K  < |f ‘(X) |  2·10k  .

П.5. В промежуточных результатах помимо верных цифр следует оставлять одну  сомнительную цифру (остальные сомнительные цифры можно округлять) для сохранения точности вычислений. В окончательном результате оставляют только верные цифры.

Вычисления по методу границ

Если нужно иметь абсолютно гарантированные границы возможных значений вычисляемой величины, используют специальный метод вычислений – метод границ.

Пусть f(x, у) – функция, непрерывная и монотонная в некоторой области допустимых значений аргументов х и у. Нужно получить ее значение f(a, b), где а и b – приближенные значения аргументов, причем достоверно известно, что

Здесь НГ, ВГ – обозначения соответственно нижней и верхней границ значений параметров. Итак, вопрос состоит в том, чтобы найти строгие границы значения f(a, b), при известных границах значений а и b.

Допустим, что функция f(x, у) возрастает по каждому из аргументов x и y. Тогда

f(НГа, НГb< f(a, b)<f(ВГa ВГb).

Пусть f(x, у) возрастает по аргументу х и убывает по аргументу у. Тогда будет строго гарантировано неравенство

f(НГa ВГb)< f(a, b)< f(ВГa, НГb).

Указанный принцип особенно очевиден для основных арифметических действий. Пусть, например, f(x, у)=х + у. Тогда очевидно, что

Точно так же для функции f2(x, у) = х–у (она по х возрастает, а по у убывает) имеем

Аналогично для умножения и деления:

	НГа*НГb<а * b<ВГa*ВГb.
	НГа/ВГb<а / b<ВГa/НГb.

Пример. Вычислите значение где 2,57<=x<=2,58;  1,45<=y<=1,46;  8,33<=z<=8,34

Действие	Содержимое	НГ	ВГ
1	X	2.57	2.58
2	Y	1.45	1.46
3	Z	8.33	8.34
4	x+y	4.02	4.04
5	x-y	1.11	1.13
6	(x-y)z	9.24	9.43
7		2.28	2.35

Пример. В табл.  приведены вычисления по формуле  методом границ. Нижняя и верхняя границы значений a и b определены из условия, что в исходных данных а = 2,156 и b = 0,927 все цифры верны в строгом смысле (∆a = ∆b = 0,0005), т.е. 2,1555<а<2,1565; 0,92650,9275.

	a	b	ea			b2	a+b2		A
НГ	2,1555	0,9265	8,63220	0,96255	9,59475	0,85840	3,01434	1,10338	8,6894
ВГ	2,15,65	0,9275	8,64084	0,96307	9,60391	0,86026	3,01676	1,10419	8,7041

Рис. Связь между абсолютной погрешностью и границами

Таким образом, результат вычислений значения А по методу границ имеет следующий вид:

8,6894 <А< 8,7041.

20 < m < 30.

Заменив потом гирю  10 г  гирей  5 г, и убедимся, что масса детали больше  25 г,

То есть

25 < m < 30.

Положив на чашу весов с гирьками еще  2 г, заметим, что масса
детали меньше чем  27 г.

25 < m < 27.

Поскольку более мелких гирь нет, то процесс определения
массы на этом этапе закончим.

Взвешиваниями мы нашли приближенные значения массы детали
в граммах:

26 г – приближённое значение с
недостачей,

27 г – приближённое значение с излишком.

Другими словами, мы установили границы значения массы в
граммах. Число  26 – нижняя граница, число 
27 –
верхняя граница.

Заметим, что когда бы наименьшая гиря была бы равна  2
г, то границами значения массы детали в граммах были бы числа  25 г  и  27 г, то есть масса была бы определена менее точно.

Зная пределы
значения некоторой величины, можно оценить значение другой величины, которая
зависит от первой.

ПРИМЕР:

Пусть известны приближенные значения (в см) с недостачей и с излишком длины  а  стороны равностороннего треугольника:

5,4 ≤ а ≤ 5,5.

Надо найти пределы периметра  Р.

РЕШЕНИЕ:

Периметр равностороннего треугольника вычисляется по
формуле:

Р = 3а.

Из условия, что  а ≥ 5,4  выплывает, что  3а
≥ 16,2.

Из условия, что  а ≤ 5,5  выплывает, что  3а
≤ 16,5.

Числа  16,2  и  16,5
– приближенные значения периметра  (в см)  с недостачей и излишком:

16,2 ≤ Р ≤ 16,5.

Записать решение можно и так:

5,4 ≤ а ≤ 5,5,

5,4 ∙ 3 ≤ 3а ≤ 5,5 ∙ 3,

то есть

16,2 ≤ Р ≤ 16,5.

ПРИМЕР:

Пусть известны границы какого-то числа  х:

3 < х < 6.

Надо оценить значение выражения  ¹/_х.

РЕШЕНИЕ:

Из условия задачи определяем, что  х –
число положительное.

Поскольку  х ˃ 3, то

¹/_х < ¹/₃.

Поскольку  х < 6, то

¹/_х ˃ ¹/₆.

Выходит, что

¹/₆ < ¹/_х < ¹/₃.

Заменим границы значения выражения  ¹/_х  десятичными дробями. Число  ¹/₆  можно заменить лишь меньшим числом (любым приближением
с недостачей), а число ¹/₃ –
лишь больше (приближением с излишком). Поскольку

¹/₆ =
0,166…   

¹/₃ =
0,333… ,

то границами значения выражения  ¹/_х  могут быть десятичные дроби  0,1  и  0,4.

0,1 < ¹/_х < 0,4.

Заменив нижнюю границу
числом  0,1, а верхнюю – числом  0,4, мы
расширили промежуток, которому принадлежат значения выражения  ¹/_х.

Если бы мы сделали иначе, округлив бесконечные десятичные
дроби

0,166…  и  0,333…

по известным правилам округления, то получили бы, что

0,2 < ¹/_х < 0,3.

Но тогда неизвестное нам точное значение выражения  ¹/_х  могло бы очутиться вне полученных границах.

Способ записи приближённых чисел.

Приближённые
значения обычно записывают так, чтобы по записи можно было судить о точности
приближения.

ПРИМЕР:

На рулоне обоев написано, что его длина равна 

18 ±
0,3 м.

Эта запись означает, что длина рулона равна  18
м  с точностью до  0,3
м, то есть точное значение длины может отличаться от
приближённого значения, равного  18 м, не более чем на 
0,3 м.
Другими словами длина рулона должна находиться между 

18
– 0,3 = 17,7 м  и 

18
+ 0,3 = 18,3 м.

 ПРИМЕР:

Если измеряя длину 
х 
некоторой рейки, выявили, что она больше чем  6,427
м  и меньше чем  6,429
м, то записывают:

х = 6,428 ± 0,001 м.

Говорят, что значение длины рейки найдено с точностью
до 

0,001 м (одного миллиметра).

ПРИМЕР:

При приближённых вычислениях отличают запись  2,4  от  2,40, запись  0,02  от  0,0200  и так далее.

Запись  2,4  означает,
что верны только цифры целых и десятых, истинное же значение числа может быть,
например, 2,43 или  2,38 (при отбрасывании цифры  8  происходит округление в сторону увеличения
предшествующей цифры).

Запись  2,40  означает,
что верны и сотые доли, истинное число может быть  2,403  или  2,398, но не  2,421  и
не  2,382.

То же отличие производится и для целых чисел. Запись  382  означает, что все цифры верны, если же за
последнюю цифру ручаться нельзя, то число округляется, но записывается не в
виде  380,
а в виде  38
∙ 10. Запись же  380  означает, что
последняя цифра  (0)  верна.

Если в числе  4720  верны лишь первые
две цифры, его нужно записать в виде  47 ∙ 10²,
или это число можно также записать в виде 
4,7 ∙
10³  и так далее.

Значащими
цифрами называются все верные цифры числа, кроме нулей, стоящих впереди числа.

ПРИМЕР:

В числе 
0,00385  три значащие цифры.

В числе 
0,03085  четыре значащие цифры,

В числе 
2500 – четыре,

В числе 
2,5 ∙
10³ – две.

Число
значащих цифр некоторого числа называется его значностью.

Через то, что мы не
можем выполнить бесконечного процесса деления, то мы должны прекратить деление
на каком-либо десятичном знаке, то есть выполнить приближенное деление. Мы
можем, например, прекратить деление на первом десятичном знаке, то есть
ограничиться десятыми частями; в случае потребности мы можем остановиться на
втором десятичном знаке, ограничиться сотыми частями, и так далее. В таких
случаях говорят о приближенном превращении обычных дробей в десятичные. В этих
случаях говорят, что мы округляем бесконечную десятичную дробь. Округление
делается с той точностью, которая нужна для решения данной задачи.

Вычисления с приближенными
данными.

Вычисления с
приближенными данными постоянно используется в практических задачах, при этом
результат вычислений обычно округляют. Результат действий с приближёнными
числами есть тоже приближённое число. Выполняя некоторые действия над точными числами,
можно так же получить приближённые числа.

При сложении и вычитании приближённых чисел в
результате следует сохранять столько десятичных знаков, сколько их в
приближённом данном с наименьшим числом десятичных знаков, то есть оставляют в
результате столько знаков после запятой, сколько их содержится в менее точном
данном числе.

ПРИМЕР:

Пусть 

х ≈ 17,2  и  у
≈ 8,407.

Найдём приближённое значение суммы  х 
и  у.

РЕШЕНИЕ:

Имеем:

х +
у ≈ 25,607.

Из данных приближённых значений  17,2 
и  8,407 
менее точным является первое. Округлив результат по первому данному, то
есть до десятых, получим:

х + у ≈ 25,6.

ПРИМЕР:

Пусть 

х ≈ 6,784  и 

у ≈ 4,91.

Найдём приближённое значение разности  х 
и  у.

РЕШЕНИЕ:

Имеем:

х –
у ≈ 1,874.

Из данных приближённых значений  6,784 
и  4,91 
менее точным является второе. Округлив результат по второму данному, то есть.
до сотых, получим:

х –
у ≈ 1,87.

ПРИМЕР:

Найдите разность приближенных значений 

х = 1,52
± 0,01  и 

у = 0,27
± 0,02.

РЕШЕНИЕ:

Данным приближенным значением отвечают двойные
неравенства

1,51 ≤ х ≤ 1,53  и 

0,25 ≤ у ≤ 0,29.

Умножим все части последнего двойного неравенства на  –1, получим

–0,29 ≤ –у ≤ –0,25.

Прибавив это двойное неравенство к первому, получим

1,22 ≤ х – у ≤ 1,28, или  

х – у = 1,25
± 0,03.

Несколько иначе
поступают при умножении и делении приближённых значений. Здесь округление
производится с учётом относительной точности данных. В
этом случае находят произведение или частное приближённых значений, и результат
округляют по менее точному данному, имея ввиду относительную точность. Для
этого исходные данные и полученный результат записывают в стандартном виде 

а × 10ⁿ,

и множитель  а  результата округляют, оставляя в нём столько
знаков после запятой, сколько их имеет соответствующий множитель в менее точном
данном.

ПРИМЕР:

Пусть 

х ≈ 0,86  и 

у ≈ 27,1.

Найдём приближённое значение произведения  х  и  у.

РЕШЕНИЕ:

Перемножив  0,86  и  27,1,  получим:

ху ≈
23,306.

Запишем данные числа и результат в стандартном виде:

0,86 = 8,6 × 10^-1;   

27,1 = 2,71 × 10¹;   

23,306 = 2,3306 × 10¹.

В множителе  8,6  одна цифра после запятой, а в множителе  2,71
две цифры после запятой. Округлим число  2,2306  по первому данному, то есть до десятых.
Получим:

ху ≈ 2,3 × 10¹ = 23.

ПРИМЕР:

Пусть 

х ≈ 60,2  и 

у ≈ 80,1.

Найдём приближённое значение произведения  х  и  у.

РЕШЕНИЕ:

Известно, что все выписанные цифры верны, так что
истинные величины могут отличаться от приближённых лишь сотыми, тысячными и так
далее долями.

В произведении получаем 
4822,02. Здесь
могут быть неверными не только цифры сотых и десятых, но и цифры единиц.

Пусть, например, сомножители получены округлением точных
чисел  60,23  и  80,14.
Тогда точное произведение будет  4826,8322, так что цифра единиц в приближённом произведении (2)
отличается от точной цифры  (6)  на  4  единицы.

ПРИМЕР:

Пусть 

х ≈ 563,2  и 

у ≈ 32.

Найдём приближённое значение частного  х  и  у.

РЕШЕНИЕ:

Разделив  563,2  на  32, получим:

х :
у ≈ 17,6.

Запишем данные числа и результат в стандартном виде:

563,2 = 5,632 × 10²;   

32 = 3,2 × 10;   

17,6 = 1,76 × 10.

Из этой записи видно, что число  1,76 
следует округлить по второму данному, то есть до десятых. Получим:

х :
у ≈ 1,8 × 10
≈ 18.

При умножении и делении приближённых чисел нужно в
результатах сохранять столько значащих цифр, сколько их было в приближённом
данном с наименьшим числом значащих цифр.

Таким образом, при
сложении, вычитании, умножении и делении приближённых значений результат
округляется по менее точному данному. При этом при сложении и вычитании данные
числа записываются в десятичных дробях и менее точное данное определяется по
абсолютной точности, а при умножении и делении данные числа записываются в
стандартном виде и менее точное данное определяется по относительной точности.

Теория приближённых
вычислений позволяет:

– зная степень точности данных, оценить степень
точности результатов ещё до выполнения действий;

– брать данные с надлежащей степенью точности,
достаточной для обеспечения требуемой точности результата, но не слишком
большой, чтобы избавить вычислителя от бесполезных расчётов;

– рационализировать сам процесс вычисления,
освободив его от тех выкладок, которые не окажут влияния на точные цифры
результата.