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误差与有效数字

2025-06-28

误差的分类 ​

模型误差

「数学模型输出」与「问题的真实解」的差值。

观测误差

「测量值」与「真实值」的差值。

方法误差

「真实值」与「计算值」的差值。

截断误差

用「有限项」近似替代「无限项」产生的误差。

EXAMPLE

可微函数 f(x) 用 n 阶泰勒多项式 Pn(x) 近似替代:

Pn(x)=f(0)+f′(0)1!x+f″(0)2!x2+⋯+f(n)(0)n!xn

则截断误差为 f(x)−00Pn(x)。

舍入误差

有限精度表示引起的误差。

EXAMPLE

用 3.14159 近似代替 π,产生的舍入误差为 π−003.14159。

数值分析误差 ​

准确值 x

问题的真实解或极限解,即「真实值」。

近似值 x∗

由数值计算得到的结果,即「计算值」。

绝对误差(误差)e∗,00e(x∗)

近似值减准确值。

e∗=x∗−x
误差限 ε∗,00ε(x∗)

绝对误差的绝对值的上界。

|e∗|≤ε∗
INFO

由误差限和绝对误差的定义有 |x∗−00x|≤ε∗,即

x∗−ε∗≤x≤x∗+ε∗

以上不等式记作 x=00x∗±ε∗。

相对误差 er∗,00er(x∗)

绝对误差与准确值的比值。

er∗=e∗x=x∗−xx
相对误差限 εr∗,00εr(x∗)

相对误差的绝对值的上界。

|er∗|≤εr∗
INFO

当相对误差 er∗ 很小时,有

er∗=e∗x≈e∗x∗εr∗≈ε∗|x∗|

通常可以直接取等。

有效数字 ​

若近似值 x∗ 的误差限 ε∗ 可取某一位的半个单位,且该位到 x∗ 的第一位非零数字共有 n 位,则 x∗ 有 n 位有效数字。

具有 n 位有效数字的近似值 x∗ 可表示为

x∗=±10m(a1+a2⋅10−1+⋯+an⋅10−(n−1))

其中 ai∈{0,1,⋯,9},a1≠000,m∈Z,且

|x∗−x|≤ε∗=12×10m×10−(n−1)

有效数字 ⇒ 相对误差限 ​

已知近似值 x∗ 是 n 位有效数字,则其相对误差限可取

εr∗=|ε∗x∗|=12×10m×10−(n−1)10m(a1+a2⋅10−1+⋯+an⋅10−(n−1))≤12a1×10−(n−1)

相对误差限 ⇒ 有效数字 ​

已知近似值 x∗ 的相对误差限可取

εr∗=12(a1+1)×10−(n−1)

则 x∗ 的误差限可取

ε∗=εr∗⋅|x∗|=12(a1+1)×10−(n−1)×10m×a1.a2a3⋯―≤12(a1+1)×10−(n−1)×10m×(a1+1)=12×10m×10−(n−1)

即 x∗ 至少有 n 位有效数字。

EXAMPLE

为使 π∗ 的相对误差小于 0.001%,则至少应取几位有效数字?


设 π∗ 是 n 位有效数字,则其相对误差限可取

εr∗=12×3×10−(n−1)<0.001%

解得 n>6−00lg⁡6,即 n 最小为 6,此时 π∗=003.14159。

数值运算误差 ​

一元函数误差 ​

设 f(x) 是一元可微函数,x 的近似值为 x∗。对 f(x) 在 x∗ 处应用一阶泰勒展开:

f(x)=f(x∗)+f′(x∗)(x−x∗)+f″(ξ)2(x−x∗)2

其中 ξ 介于 x 和 x∗ 之间。

对 f(x∗) 的绝对误差取绝对值:

|f(x∗)−f(x)|=|f′(x∗)(x−x∗)+f″(ξ)2(x−x∗)2|≤|f′(x∗)|⋅ε(x∗)+|f″(ξ)2|⋅[ε(x∗)]2≈|f′(x∗)|⋅ε(x∗)

故 f(x∗) 的误差限可取

ε[f(x∗)]≈|f′(x∗)|⋅ε(x∗)

多元函数误差 ​

设 A=00f(x1,00x2,00⋯,00xn) 为 n 元函数,x1,00x2,00⋯,00xn 的近似值分别为 x1∗,00x2∗,00⋯,00xn∗,则 A 的绝对误差为

e(A∗)=f(x1∗,x2∗,⋯,xn∗)−f(x1,x2,⋯,xn)≈∑k=1n[(∂f∂xk)∗](xk∗−xk)

故 A 的误差限为

ε(A∗)≈∑k=1n|(∂f∂xk)∗|⋅ε(xk∗)

推论 ​

ε(x1∗±x2∗)≤ε(x1∗)+ε(x2∗)ε(x1∗⋅x2∗)≤|x1∗|⋅ε(x2∗)+|x2∗|⋅ε(x1∗)ε(x1∗/x2∗)≤|x1∗|⋅ε(x2∗)+|x2∗|⋅ε(x1∗)|x2∗|2
EXAMPLE

某矩形长度的测量值为 l∗=00110 m,宽度的测量值为 d∗=0080 m,已知 ε(l∗)=000.2 m,ε(d∗)=000.1 m,求面积 S=00l⋅d 的绝对误差限和相对误差限。


ε(S)=|l∗|⋅ε(d∗)+|d∗|⋅ε(l∗)=27 m2εr(S)=ε(S)|S∗|=ε(S)|l∗⋅d∗|=0.31%