计算机的错误计算(一百一十六)

摘要  计算机的错误计算(一百一十)分析了(二)中例1循环迭代错误计算的原因。应读者建议,本节将用错数讨论其例2的错误计算原因。

例1.  已知 f(x)=108-\frac{815}{x}+\frac{1500}{x^2}\,,  x_0=5\,.  计算 f(x) 在 x_0 的错数,并用实例分析计算过程中的错误数字数量。

       容易算得,f(x_0)=5\,,  f^{\prime}(x)|_{x=x_0}=8.6\,.  因此,根据计算机的错误计算(一百零四)中有关定义,m_1=m_2=1\,,  m_0=1\,.  这样,错数为 m_1-m_2+m_0=1-1+1=1\,,  或 1-1=0\,.  于是,若 x_0 有一点扰动,函数值可能并且最多有1位错误数字。

       不妨设

\tilde{x}_0=5.\underbrace{00000000000000\textcolor{red}0}_{\textup{\textcolor{red}{15} '0'}}4\,.

利用它计算 f(x_0)=5 的另一个近似值 f(\tilde{x}_0):

f(\tilde{x}_0)=108-\frac{815}{\tilde{x}_0}+\frac{1500}{\tilde{x}^2_0}=5.\underbrace{000000000000000}_{\textup{\textcolor{red}{14} '0'}}\textcolor{red}3...\,.

这样,\tilde{x}_0 有16位正确数字;而与 \tilde{x}_0 相比,f(\tilde{x}_0) 只有15位正确数字,即减少1位,正好与上面的错数吻合。

例2.  利用例1分析计算机的错误计算(二)中下列循环迭代错误计算的原因:

\left\{ \begin{array}{ll} y_1=4, & \\ y_2=4.25, & \\ y_n=108-\displaystyle{\frac{815}{y_{n-1}}+\frac{1500}{y_{n-1}y_{n-2}}}. & \end{array} \right.       

        由于迭代趋向于5,  因此,理论上,迭代若干次后,y_{n-1} 与 y_{n-2} 均很接近于5.  这样,不妨将迭代表达式简化为

108-\frac{815}{y_{n-1}}+\frac{1500}{y^2_{n-1}}\,.

这时,由例1知,表达式在5的错数为1(或0).  因此,5只要有一点扰动(或误差),输出就可能含有1位错误数字。而上述迭代具有除法,浮点运算下,必定有舍入,所以在迭代时,减少1位正确有效数字的概率为50%.  这样,在没有其它误差的情形下,最多经过约32次迭代后,16位正确数字全部消失。

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