Новочеркасск 2012

Определение. Пусть х – некоторое число, число а называется его приближенным значением, если а в определенном смысле мало отличается от х и заменяет х в вычислениях, .

Определение. Погрешностью приближенного значения а числа х называется разность , а модуль этой погрешностью называется абсолютной погрешностью.

Если , то а взято с недостатком.

Если , то а взято с избытком.

Определение. Границей погрешности приближенного значения а числа х называется всякое неотрицательное число , которое не меньше модуля погрешности: .

Говорят, что приближение а приближает число х с точностью до , если , , .

Пример. Пусть а=0,273 – приближенное значение х с точность до 0,001. Указать границы, в которых заключается х.

При округлении чисел считают, что границы погрешности округления равна половине единицы округляемого разряда:

, α – порядок округления разряда.

Определение. Относительной погрешностью приближенного значения а числа х называется отношение

.

Пример. Округлить до десятых число 27,52 и найти погрешность и относительную погрешность округления:

,

,

.

Также как и абсолютная погрешность относительная погрешность не всегда может быть вычислена и приходится оценивать ее модуль. Модуль относительной погрешности выражается в процентах. Чем меньше модуль относительной погрешности, тем выше качество приближения.

Определение. Границей относительной погрешности приближенного значения а числа х называется всякое неотрицательное число , которое не меньше модуля относительной погрешности: .

Установим связь между границами погрешностей абсолютной и относительной:

- граница относительной погрешности;

- граница абсолютной погрешности.

.

§2. Оценка погрешностей результатов действий над приближенными значениями чисел. (Строгий учет погрешности)

Пусть , где – число с заданными своими приближениями с точностью до : .

Обозначим через .

, где - граница погрешности суммы приближенного значения .

Утверждение 1. Сумма границ погрешностей приближенных слагаемых является границей погрешности их алгебраической суммы.

Доказательство: .

ЧТД.

Утверждение 2. Среди границ относительной погрешности суммы приближенных слагаемых существует такая, которая не превосходит наибольшей из границ относительной погрешности слагаемых:

.

Утверждение 3. Сумма границ относительных погрешностей сомножителей является границей относительной погрешности их произведения:

.

Следствие 1. При умножении приближенных значений числа на точный множитель к, граница относительной погрешности не меняется, а граница абсолютной погрешности увеличивается в раз.

Следствие 2. Произведение границы относительной погрешности приближенного значения а числа х на является границей относительной погрешности результата возведения числа а в целую положительную степень n:

.

Следствие 3. Частное границы относительной погрешности приближенного значения а числа х и n является границей относительной погрешности корня n-й степени из а:

.

Следствие 4. Сумма границ относительных погрешностей приближенных значений делимого и делителя является границей относительной погрешности частного.

§3. Приближенные вычисления без учета погрешностей.

Правило 1. Для того, чтобы вычислить алгебраическую сумму приближенных слагаемых нужно:

1. среди слагаемых выбрать наименее точное (имеет наименьшее число разрядов после запятой);

2. все остальные слагаемые округлить, сохраняя один запасной разряд, следующий за последним разрядом выделенного слагаемого;

3. сложить полученные после округления числа;

4. округлить полученный результат до предпоследнего разряда.

Пример. S=2.737+0.77974+27.1+0.283 2.74+0.78+27.1+0.28 30.90 30.9.

Определение 1. Значащими цифрами в десятичной записи числа называется все его цифры кроме нулей, записанных слева от первой цифры не равной 0.

0,00237 – 3 значащие цифры;

0,02000 – 4 значащие цифры.

Правило 2. Для того, чтобы вычислить произведение (деление) приближенных чисел нужно:

1. выделить сомножитель, содержащий наименьшее число значащих цифр;

2. округлить остальные сомножители, оставляя на одну значащую цифру больше, чем в выделенном сомножителе;

3. произвести умножение (деление);

4. округлить полученный результат, сохраняя столько значащих цифр, сколько их в выделенном сомножителе.

Пример. Р=3,34*0,7*4,748=4,7*3,3*0,7 10,657 1* .

Правило 3. При возведении приближенного значения в квадрат или куб, при извлечении квадратного или кубического корня, в результате следует оставлять столько значащих цифр, сколько их имеет основание.

Правило 4. Если число является результатом промежуточных действий, то следует сохранить в нем на 1-2 цифры больше, чем указано в правилах 1-3.

§4. Связь между числом количества верных цифр

и относительной погрешностью.

Пусть .

Определение. Цифра приближенного значения а называется верной, если модуль его погрешности не превосходит половины единицы этого разряда.

.

Очевидно, что все цифры, стоящие слева от верной цифры – верные.

Пример. Пусть х=27,421, а=27,381, .

Выясним, какие цифры верные в приближении а?

4 – , следовательно, 4 – неверная;

8 – , следовательно, 8 – неверная;

3 – , следовательно, 3 – верная.

3,2,7 – верные цифры.

Пусть известно количество n верных значащих цифр в приближении а, тогда а запишем:

.

Так как цифра, стоящая в разряде -(n-1) верна, то погрешность

,

тогда .

В качестве границы относительной погрешности можно взять .

Итак, доказана теорема 1.

Теорема 1. Если приближение имеет n верных значащих цифр, то число является границей его относительной погрешности.

Теорема устанавливает связь между числами верных значений и его относительной погрешностью.

Замечание. Пусть приближение имеет n верных значащих цифр и – его первая значащая цифра, тогда число является границей относительной погрешности.

Пример. .

Итак, граница относительной погрешности приближенного значения зависит от первой значащей цифры , количества верных цифр приближения, но не зависит от порядка приближения.

Теорема 2. Если граница относительной погрешности приближения равна , то приближение имеет не менее n значащих цифр.

Доказательство. Пусть - первая значащая цифра приближения а и n – порядок, тогда .

Из определения следует, что –(m-1) – цифра, записанная в этом разряде верная, цифры, записанные левее тоже верные, то есть m верных цифр.

ЧТД.

Пример. Если известно, что относительная погрешность приближения , то согласно теореме 2, это приближение имеет ровно 3 верные значащие цифры.

, следовательно, по теореме 2, приближение имеет не менее 3-х верных значащих цифр.

§5. Прямая задача теории погрешностей

(функции от приближенных значений аргументов).

Пусть функция определена и непрерывно-дифференцируема по всем переменным в области .

Переменные заданы своими приближениями:

и точка

Известна погрешность элементов . Необходимо оценить погрешность .

.

Предположим, что малы, поэтому их произведениями, квадратами и более высокими степенями можно пренебречь.

Если , то последнюю часть можно поделить на функцию

.

Пример. Вычислить величину погрешности приближенного значения большего корня уравнения .

В приближенной записи используют только верные цифры, обусловленные погрешностью приближенных значений коэффициентов.

,

.

Теперь обозначим .

Рассмотрим

.

§6. Обратная задача теории погрешностей.

Все задачи теории погрешностей делятся на прямые и обратные.

Прямая задача: определить погрешность данной функции от приближенных значений аргументов, заданных с известной относительной погрешностью или с заданной точностью.

Обратная задача: какими должны быть относительная и абсолютная погрешности, чтобы модуль относительной или абсолютной погрешности заданной функции не превышал заданной величины.