数值计算方法(第4版)
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1.3.1 绝对误差

定义1-1x*是准确值x的一个近似值,则

称为近似值x*的绝对误差,简称误差。在不易混淆时,ex*)简记为e*

从定义1-1可以看出,e*可正可负,当e*>0时,x*称为x的弱(不足)近似值;当e*<0时,x*称为x的强(过剩)近似值。的大小标志着x*的精度。一般地,在同一量的不同近似值中,越小,x*的精度越高。e*是有量纲的。

一般情况下,无法准确知道绝对误差e*的大小,但根据具体测量或计算情况,可以事先估计出误差的绝对值不超过某个正数ε*,这个正数ε*叫作误差绝对值的上界或误差限。

定义1-2 如果

则称εx*)为x*近似x的绝对误差限,简称误差限(界),用它反映近似数的精度。在不易混淆时,εx*)简记为ε*

从定义1-2可以看出,ε*是一个正数。又因为在任何情况下都有

x * *xx**

这就表明准确值x在区间[x**,x*+ε*]内,用x=x*±ε*来表示近似数x*的精确度,或准确值所在的范围。同样有*e*ε*,即是在ε*的范围内,所以ε*应取得尽可能小。例如,x=4.3762816…,取近似数x*=4.376,则x-x*=0.0002816…,这时

同样

显然,0.3×10-3和0.29×10-3都是的上界,都可以作为近似值x*的绝对误差限,即

ε * =0.3×10-3ε*=0.29×10-3

由此可见,绝对误差限ε*不是唯一的,这是因为一个数的上界不唯一。但是ε*越小,x*近似真值x的程度越好,即x*的精度越高。在实际应用中,往往根据需要对准确值取近似值,按四舍五入原则取近似值是使用最广泛的取近似值的方法。

例1-1 用一把有毫米刻度的尺子测量桌子的长度,读出来的值x*=1235mm,这是桌子实际长度x的一个近似值,由尺子的精度可以知道,这个近似值的误差不会超过1/2mm。

这表明真值x在区间[1234.5,1235.5]内,写成

x=(1235±0.5)mm

这里绝对误差限ε*=0.5mm,即绝对误差限是末位的半个单位。

下面讨论“四舍五入”的绝对误差限。

x为一实数,其十进制表示的标准形式(十进制规格化浮点数形式)是

x=±0.x1x2…×10m

其中,m是整数;x1x2,…是0,1,…,9中的任一数,但x1≠0。若经过四舍五入保留n位数字,得到近似值

四舍时的绝对误差

五入时的绝对误差

由于此时xn+1≥5,所以,有

所以,四舍五入得到的近似数的绝对误差限是其末位的半个单位,即

例1-2 圆周率π=3.14159…,用四舍五入取小数点后4位时,近似值为3.1416,此时m=1,n=5,m-n=1-5=-4,故绝对误差限。同样,取小数点后2位时,近似值为3.14,其绝对误差限

对于用四舍五入取得的近似值,专门定义有效数字来描述它。