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数值分析大作业三

1、算法设计

1、使用牛顿迭代法,对原题中给出的xi=0.08i,yj=0.5+0.05j,(0<=i<=10,0<=j<=20),的11*21组xi,yj分别求出原题中方程组的一组解,于是得到一组和(xi,yj)对应的(ui,tj)。

2、对于已求出的(ui,tj),使用分片二次代数插值法对原题中关于(z,t,u)的数表进行插值得到zij。

于是产生了z=f(xi,yj)的11*21个数值解。

3、从k=1开始逐渐增大k的值,并使用最小二乘法曲面拟合法对z=f(xi,yj)进行拟合,得到每次的k,σ。

当σ<10-7时结束计算,输出拟合结果。

4、计算f(xi*,yj*),p(xi*,yj*)(i=1,2,...8;j=1,2,..,5)的值并输出结果,以观察p(x,y)逼近f(x,y)的效果。

其中xi*=0.1i,yj*=0.5+0.2j。

2、结果

分片二次多项式插值得到的f(xi,yj):

zx

y

0.00

0.08

0.16

0.24

0.50

4.465040184799E-01

6.380152265097E-01

8.400813957651E-01

1.051515091802E+00

0.55

3.246832629272E-01

5.066117551462E-01

6.997641656725E-01

9.029274308300E-01

0.60

2.101596866830E-01

3.821763692773E-01

5.660614423514E-01

7.605802668592E-01

0.65

1.030436083159E-01

2.648634911535E-01

4.391716081174E-01

6.247151981441E-01

0.70

3.401895562711E-03

1.547802002849E-01

3.192421380407E-01

4.955197560010E-01

0.75

-8.873581363801E-02

5.199268349087E-02

2.063761923873E-01

3.731340427743E-01

0.80

-1.733716327497E-01

-4.346804020491E-02

1.006385238914E-01

2.576567488723E-01

0.85

-2.505346114666E-01

-1.316010567885E-01

2.060740067833E-03

1.491505594102E-01

0.90

-3.202765063876E-01

-2.124310883088E-01

-8.935402476700E-02

4.764698677337E-02

0.95

-3.826680661097E-01

-2.860045510581E-01

-1.736269688649E-01

-4.684932320143E-02

1.00

-4.377957667383E-01

-3.523860789794E-01

-2.507999561599E-01

-1.343567603849E-01

1.05

-4.857589414438E-01

-4.116554565222E-01

-3.209322694446E-01

-2.149133449274E-01

1.10

-5.266672548835E-01

-4.639049115188E-01

-3.840977350046E-01

-2.885737006348E-01

1.15

-5.606384797965E-01

-5.092367247006E-01

-4.403821754175E-01

-3.554063647857E-01

1.20

-5.877965387677E-01

-5.477611179623E-01

-4.898811523126E-01

-4.154913964886E-01

1.25

-6.082697790899E-01

-5.795943883391E-01

-5.326979655338E-01

-4.689182499695E-01

1.30

-6.221894528764E-01

-6.048572588895E-01

-5.689418792921E-01

-5.157838831247E-01

1.35

-6.296883781856E-01

-6.236734213318E-01

-5.987265495151E-01

-5.561910752001E-01

1.40

-6.308997600028E-01

-6.361682484133E-01

-6.221686297503E-01

-5.902469305629E-01

1.45

-6.259561525454E-01

-6.424676566901E-01

-6.393865356972E-01

-6.180615482412E-01

1.50

-6.149885466094E-01

-6.426971026996E-01

-6.504993507878E-01

-6.397468392579E-01

zx

y

0.32

0.4

0.48

0.56

0.50

1.271246751481E+00

1.498321052479E+00

1.731892740380E+00

1.971221786403E+00

0.55

1.115002018147E+00

1.334998632065E+00

1.562034577210E+00

1.795329599501E+00

0.60

9.646077272154E-01

1.177125123740E+00

1.397216918208E+00

1.624067113228E+00

0.65

8.203473694750E-01

1.025024055020E+00

1.237801006741E+00

1.457830582708E+00

0.70

6.824476781794E-01

8.789600231744E-01

1.084087532678E+00

1.296954649752E+00

0.75

5.510852085975E-01

7.391451087034E-01

9.363227723148E-01

1.141718105447E+00

0.80

4.263923859016E-01

6.057448714869E-01

7.947044490537E-01

9.923495333242E-01

0.85

3.084629956332E-01

4.788838610661E-01

6.593871980283E-01

8.490326633294E-01

0.90

1.973571296921E-01

3.586506258818E-01

5.304875868398E-01

7.119113522641E-01

0.95

9.310562085941E-02

2.451022361965E-01

4.080886854543E-01

5.810941589217E-01

1.00

-4.285992234087E-03

1.382683509284E-01

2.922442012296E-01

4.566585132334E-01

1.05

-9.483392529683E-02

3.815486540702E-02

1.829822068535E-01

3.386544961395E-01

1.10

-1.785729903639E-01

-5.525282116811E-02

8.030849403542E-02

2.271082557697E-01

1.15

-2.555537790546E-01

-1.419868808137E-01

-1.579041305168E-02

1.220250891932E-01

1.20

-3.258401501575E-01

-2.220944390959E-01

-1.053445516210E-01

2.339221963760E-02

1.25

-3.895069883634E-01

-2.956352324598E-01

-1.883980906096E-01

-6.881870197107E-02

1.30

-4.466382045995E-01

-3.626795115028E-01

-2.650071493189E-01

-1.546493442129E-01

1.35

-4.973249517677E-01

-4.233061642240E-01

-3.352378389040E-01

-2.341526664587E-01

1.40

-5.416640326994E-01

-4.776010361324E-01

-3.991645038868E-01

-3.073910919133E-01

1.45

-5.797564797958E-01

-5.256554266672E-01

-4.568681433016E-01

-3.744348623481E-01

1.50

-6.117062881476E-01

-5.675647436551E-01

-5.084349932782E-01

-4.353605565359E-01

zx

y

0.64

0.72

0.8

0.50

2.215667863689E+00

2.464684222660E+00

2.717811109466E+00

0.55

2.034201133607E+00

2.278058979398E+00

2.526399501258E+00

0.60

1.856955143619E+00

2.095251250840E+00

2.338411386860E+00

0.65

1.684358164161E+00

1.916718127997E+00

2.154329377280E+00

0.70

1.516776352400E+00

1.742854628776E+00

1.974574556652E+00

0.75

1.354519041151E+00

1.573998427333E+00

1.799510579100E+00

0.80

1.197844086672E+00

1.410434835231E+00

1.629448220554E+00

0.85

1.046963049420E+00

1.252401750608E+00

1.464650043751E+00

0.90

9.020460838022E-01

1.100094409628E+00

1.305334967651E+00

0.95

7.632264776629E-01

9.536698512612E-01

1.151682621307E+00

1.00

6.306048219542E-01

8.132510552488E-01

1.003837419905E+00

1.05

5.042528145972E-01

6.789307429660E-01

8.619123372279E-01

1.10

3.842167155456E-01

5.507748485043E-01

7.259923711114E-01

1.15

2.705204766410E-01

4.288256769730E-01

5.961377115201E-01

1.20

1.631685723996E-01

3.131047717400E-01

4.723866279136E-01

1.25

6.214855811677E-02

2.036155140327E-01

3.547580958979E-01

1.30

-3.256661939683E-02

1.003454782409E-01

2.432541841813E-01

1.35

-1.210165348444E-01

3.268565186589E-03

1.378622225247E-01

1.40

-2.032513996228E-01

-8.765306591329E-02

3.855677032640E-02

1.45

-2.793303595584E-01

-1.724672478189E-01

-5.469859593446E-02

1.50

-3.493199575400E-01

-2.512302207523E-01

-1.419496597088E-01

分片二次多项式插值得到的f(xi*,yj*):

zx

y

0.1

0.2

0.3

0.4

0.70

1.947204079177E-01

4.059791892882E-01

6.347771951510E-01

8.789600231744E-01

0.90

-1.830370791887E-01

-2.251595837465E-02

1.588011688393E-01

3.586506258818E-01

1.10

-4.454976469148E-01

-3.382208160396E-01

-2.073656941709E-01

-5.525282116811E-02

1.30

-5.975667076413E-01

-5.444378315219E-01

-4.653579068978E-01

-3.626795115028E-01

1.50

-6.464595939011E-01

-6.473613385679E-01

-6.202709530749E-01

-5.675647436551E-01

zx

y

0.5

0.6

0.7

0.8

0.70

1.136610910158E+00

1.406041798905E+00

1.685783515309E+00

1.974574556652E+00

0.90

5.749803409475E-01

8.059414940633E-01

1.049881153064E+00

1.305334967651E+00

1.10

1.159923767920E-01

3.044292210453E-01

5.082937839397E-01

7.259923711114E-01

1.30

-2.385683040123E-01

-9.501613009962E-02

6.614879670641E-02

2.432541841813E-01

1.50

-4.914343936557E-01

-3.939023077456E-01

-2.768343417776E-01

-1.419496597088E-01

曲面拟合得到的p(xi*,yj*):

px

y

0.1

0.2

0.3

0.4

0.70

1.947303589099E-01

4.059895409397E-01

6.347874537249E-01

8.789698657421E-01

0.90

-1.830418357465E-01

-2.252111365296E-02

1.587962977548E-01

3.586460442403E-01

1.10

-4.455000363718E-01

-3.382240181155E-01

-2.073685772326E-01

-5.525543529708E-02

1.30

-5.975588481607E-01

-5.444304437654E-01

-4.653499182747E-01

-3.626710605192E-01

1.50

-6.464460978163E-01

-6.473480003306E-01

-6.202571316146E-01

-5.675505793308E-01

px

y

0.5

0.6

0.7

0.8

0.70

1.136620353233E+00

1.406050686499E+00

1.685791216195E+00

1.974581259623E+00

0.90

5.749758426295E-01

8.059373006568E-01

1.049877736812E+00

1.305332000187E+00

1.10

1.159893212557E-01

3.044258298113E-01

5.082910402588E-01

7.259893036741E-01

1.30

-2.385604197506E-01

-9.500894958283E-02

6.615634806610E-02

2.432607790330E-01

1.50

-4.914209015159E-01

-3.938898434997E-01

-2.768220548237E-01

-1.419388061602E-01

曲面拟合过程中的K,σ:

K=1,σ=3.220908973634E+000

K=2,σ=4.659960033303E-003

K=3,σ=1.721175379427E-004

K=4,σ=3.309534303841E-006

K=5,σ=2.541378347895E-008

K=5时即满足了精度要求,此时系数crs为

c00=+2.021230522022E+000c01=-3.668426815544E+000c02=+7.092486613401E-001c03=+8.486053638289E-001c04=-4.158974134096E-001c05=+6.743199023921E-002

c10=+3.191909010583E+000c11=-7.411103863748E-001c12=-2.697124579868E+000c13=+1.631183375948E+000c14=-4.847199620208E-001c15=+6.061427928551E-002

c20=+2.568898104996E-001c21=+1.579918684824E+000c22=-4.634081771761E-001c23=-8.134436451576E-002c24=+1.020942197230E-001c25=-2.101522642931E-002

c30=-2.692603658579E-001c31=-7.302475026124E-001c32=+1.076144754730E+000c33=-8.070124867669E-001c34=+3.028726459358E-001c35=-4.597260610859E-002

c40=+2.174598252989E-001c41=-1.783727616679E-001c42=-7.240501261680E-002c43=+2.433296784112E-001c44=-1.413343542190E-001c45=+2.651016847496E-002

c50=-5.590331236476E-002c51=+1.431994973296E-001c52=-1.362708978310E-001c53=+4.072014945137E-002c54=+3.774776079538E-003c55=-2.667652677300E-003

3、源程序

/**********************************************************************************

****************************************头文件************************************

**********************************************************************************/

//MatrixVector.h

#ifndefMATRIXVECTOR_H

#defineMATRIXVECTOR_H

typedefstructs_matrix{/*方阵*/

double*data;

intn;

}Matrix;

typedefstructs_vector{/*列向量*/

double*data;

intlength;

}Vector;

externconstMatrixNullMatrix;//空矩阵

externconstVectorNullVector;//空向量

//清空x所指向的内存

#defineclearMatrix(pm)(*pm=NullMatrix)

#defineclearVector(pv)(*pv=NullVector)

//获取矩阵A[k,j]元素的指针

#definepM(A,k,j)((A).data+(A).n*(k)+(j))

#defineM(A,k,j)(*(pM((A),(k),(j))))

#defineMLen(A)((A).n)

#definesetMLen(A,N)((A).n=(N))

//置矩阵A[k,j]=value

#definesetM(A,k,j,value)(*(pM((A),(k),(j)))=(((value))))

#definepV(v,k)((v).data+(k))

#defineV(v,k)(*(pV((v),(k))))

#defineVLen(v)((v).length)

#definesetV(V,k,value)(*(pV((V),(k)))=(value))

#definesetVLen(v,len)((v).length=len)

MatrixcreateMatrix(intN,doubleinitVal);//

voidfreeMatrix(Matrix*pm);//释放矩阵占有的内存

VectorcreateVector(intlength,doubleinitVal);

voidfreeVector(Vector*pv);//释放占用内存

int

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