Как найти абсолютную погрешность приближенного значения

Чтобы узнать, на сколько приближенное значение отличается от точного, надо из большего числа вычесть меньшее. Иначе говоря, надо найти модуль разности точного и приближенного значений. Этот модуль разности называют абсолютной погрешностью.

Абсолютной погрешностью, или, короче, погрешностью приближенного числа, называется разность между этим числом и его точным значением (из большего числа вычитается меньшее).

Пример 1. На предприятии 1284 рабочих и служащих. При округлении этого числа до 1300 абсолютная погрешность составляет 1300 – 1284 = 16. При округлении до 1280 абсолютная погрешность составляет 1284 – 1280 = 4.

Относительной погрешностью приближенного числа называется отношение абсолютной погрешности приближенного числа к самому этому числу.

Пример 2. В школе 197 учащихся. Округляем это число до 200. Абсолютная погрешность составляет 200 – 197 = 3. Относительная погрешность равна (frac{3}{197}) или, округленно, (frac{3}{197}) = 1,5 %.

В большинстве случаев невозможно узнать точное значение приближенного числа, а значит, и точную величину погрешности. Однако почти всегда можно установить, что погрешность (абсолютная или относительная) не превосходит некоторого числа.

Абсолютная и относительная погрешность


Абсолютная и относительная погрешность

4.2

Средняя оценка: 4.2

Всего получено оценок: 2187.

4.2

Средняя оценка: 4.2

Всего получено оценок: 2187.

Абсолютную и относительную погрешность используют для оценки неточности в производимых расчетах с высокой сложностью. Также они используются в различных измерениях и для округления результатов вычислений. Рассмотрим, как определить абсолютную и относительную погрешность.

Опыт работы учителем математики — более 33 лет.

Абсолютная погрешность

Абсолютной погрешностью числа называют разницу между этим числом и его точным значением.
Рассмотрим пример: в школе учится 374 ученика. Если округлить это число до 400, то абсолютная погрешность измерения равна 400-374=26.

Для подсчета абсолютной погрешности необходимо из большего числа вычитать меньшее.

Существует формула абсолютной погрешности. Обозначим точное число буквой А, а буквой а – приближение к точному числу. Приближенное число – это число, которое незначительно отличается от точного и обычно заменяет его в вычислениях. Тогда формула будет выглядеть следующим образом:

Δа=А-а. Как найти абсолютную погрешность по формуле, мы рассмотрели выше.

На практике абсолютной погрешности недостаточно для точной оценки измерения. Редко когда можно точно знать значение измеряемой величины, чтобы рассчитать абсолютную погрешность. Измеряя книгу в 20 см длиной и допустив погрешность в 1 см, можно считать измерение с большой ошибкой. Но если погрешность в 1 см была допущена при измерении стены в 20 метров, это измерение можно считать максимально точным. Поэтому в практике более важное значение имеет определение относительной погрешности измерения.

Записывают абсолютную погрешность числа, используя знак ±. Например, длина рулона обоев составляет 30 м ± 3 см. Границу абсолютной погрешности называют предельной абсолютной погрешностью.

Относительная погрешность

Относительной погрешностью называют отношение абсолютной погрешности числа к самому этому числу. Чтобы рассчитать относительную погрешность в примере с учениками, разделим 26 на 374.

Получим число 0,0695, переведем в проценты и получим 7 %. Относительную погрешность обозначают процентами, потому что это безразмерная величина. Относительная погрешность – это точная оценка ошибки измерений. Если взять абсолютную погрешность в 1 см при измерении длины отрезков 10 см и 10 м, то относительные погрешности будут соответственно равны 10 % и 0,1 %. Для отрезка длиной в 10 см погрешность в 1 см очень велика, это ошибка в 10 %. А для десятиметрового отрезка 1 см не имеет значения, всего 0,1 %.

Различают систематические и случайные погрешности. Систематической называют ту погрешность, которая остается неизменной при повторных измерениях. Случайная погрешность возникает в результате воздействия на процесс измерения внешних факторов и может изменять свое значение.

Правила подсчета погрешностей

Для номинальной оценки погрешностей существует несколько правил:

  • при сложении и вычитании чисел необходимо складывать их абсолютные погрешности;
  • при делении и умножении чисел требуется сложить относительные погрешности;
  • при возведении в степень относительную погрешность умножают на показатель степени.

Приближенные и точные числа записываются при помощи десятичных дробей. Берется только среднее значение, поскольку точное может быть бесконечно длинным. Чтобы понять, как записывать эти числа, необходимо узнать о верных и сомнительных цифрах.

Верными называются такие цифры, разряд которых превосходит абсолютную погрешность числа. Если же разряд цифры меньше абсолютной погрешности, она называется сомнительной. Например, для дроби 3,6714 с погрешностью 0,002 верными будут цифры 3,6,7, а сомнительными – 1 и 4. В записи приближенного числа оставляют только верные цифры. Дробь в этом случае будет выглядеть таким образом – 3,67.

Заключение

Что мы узнали?

Абсолютные и относительные погрешности используются для оценки точности измерений. Абсолютной погрешностью называют разницу между точным и приближенным числом. Относительная погрешность – это отношение абсолютной погрешности числа к самому числу. На практике используют относительную погрешность, так как она является более точной.

Тест по теме

Доска почёта

Доска почёта

Чтобы попасть сюда — пройдите тест.

  • Светлана Лобанова-Асямолова

    10/10

  • Валерий Соломин

    10/10

  • Анастасия Юшкова

    10/10

  • Ксюша Пономарева

    7/10

  • Паша Кривов

    10/10

  • Евгений Холопик

    9/10

  • Guzel Murtazina

    10/10

  • Максим Аполонов

    10/10

  • Olga Bimbirene

    9/10

  • Света Колодий

    10/10

Оценка статьи

4.2

Средняя оценка: 4.2

Всего получено оценок: 2187.


А какая ваша оценка?

Содержание:

  1. Приближённые вычисления
  2. Абсолютная и относительная погрешности
  3. Выполнение действий над приближёнными числами
  4. Выполнение действий без точного учёта погрешности

Приближённые вычисления

Приближённые вычисления — вычисления, в которых данные и результат (или только результат) являются числами, приближенно представляющими истинные значения соответствующих величин. Числовые данные, полученные измерением реальных объектов, редко бывают точными значениями соответствующей величины, а обычно имеют некоторую погрешность

Абсолютная и относительная погрешности

При решении практических задач часто приходится иметь дело с приближёнными значениями разных числовых величин. К ним относятся: результаты измерения разных величин с помощью приборов; значения полученные при считывании на графиках, диаграммах, номограммах; проектные данные; результаты округления чисел; результаты действий над приближёнными числами; табличные значения некоторых величин; результаты вычислений значений функции. Приближённые значения (приближение, приближённые числа) могут значительно отличаться от точных, либо быть близкими к ним.

Для оценки отклонения приближённых чисел от точных используют такие понятия как абсолютная и относительная погрешности.

Абсолютной погрешностью  приближённой называется модуль разности между точным значением величины Приближённые вычисления в математике и её приближённым значением х, то есть

Приближённые вычисления в математике

Пример.

Абсолютная погрешность приближённого числа Приближённые вычисления в математике числом 0,44 составляет

Приближённые вычисления в математике

Если точное число неизвестно, то найти абсолютную погрешность Приближённые вычисления в математике невозможно. На практике вводят оценку допустимой при данных измерениях или вычислениях абсолютной погрешности, которую называют пределом абсолютной погрешности и обозначают буквой h. Считают, что hПриближённые вычисления в математике. Как правило, предел абсолютной погрешности устанавливают из практических соображений, например, при измерениях  пределом абсолютной погрешности считают наименьшее деление прибора.

При записи приближённых чисел часто используют понятия верной и сомнительной цифры.

Цифра Приближённые вычисления в математике называется верной, если предел абсолютной погрешности данного приближения не превышает единицы того разряда, в котором записана эта цифра. В другом случае цифра называется  сомнительной.

Например: в числе Приближённые вычисления в математикедве цифры верны, поскольку погрешность 0,04 не превышает единицу разряда десятых. Цифры 9 и 7 верны, поскольку Приближённые вычисления в математике а цифры 4 и 6 являются сомнительными, поскольку Приближённые вычисления в математике

В конечной записи приближённого числа сохраняют только верные цифры. Так число Приближённые вычисления в математике можно записать в виде  Приближённые вычисления в математике, число Приближённые вычисления в математике в виде Приближённые вычисления в математике Если в десятичной дроби последние верные цифры — нули, то их оставляют в записи числа.

Например: если Приближённые вычисления в математике, то правильной записью числа будет 0,260.

Если в целом числе последние нули являются сомнительными, их исключают из записи числа.

Именно поэтому при работе с приближёнными числами широко используют стандартную форму записи числа.

Например: в числе Приближённые вычисления в математике верными являются три первые цифры, а два последних нуля — сомнительные цифры. Запись числа возможна только в виде: 

Приближённые вычисления в математике

Следовательно, в десятичной записи приближённого числа последняя цифра указывает на точность приближённости, то есть предел абсолютной погрешности не превышает единицу последнего разряда.

Например:

1. Запись Приближённые вычисления в математике означает, что Приближённые вычисления в математике, то есть предел абсолютной погрешности h=0,01.

2. Запись Приближённые вычисления в математике

3. Если Приближённые вычисления в математике

В десятичной записи числа значимыми цифрами называются все его верные цифры начиная с первой слева, отличной от нуля.

Например: в числе 1,13 — три значимых цифры, в числе 0,017 — две, в числе 0,303 — три, в числе 5,200 — четыре, в числе 25*10— две значимых цифры.

При таком подходе к записи приближенного числа необходимо уметь округлять числа.

Правила округления чисел:

— Если первая цифра, которую отбрасываем является меньше пяти, то в основном разряде, который сохраняется цифра не меняется. Например: 879,673≈879,67.

— Если первая цифра, которую отбрасываем больше пяти, то в последнем разряде, который сохраняется цифра увеличивается на единицу. Например: 456,87≈456,9.

— Если первая цифра, которая отбрасывается пять и за ней есть ещё отличны от нуля, то в последнем разряде, который сохраняется цифра увеличивается на единицу. Например: 1246,5002≈1247.

— Если первая цифра, которая отбрасывается — пять и за ней нет больше никаких цифра, то в последнем разряде, который сохраняется цифра увеличивается на единицу. Например: 0,275≈0,28; 1,865≈1,86.

Абсолютная погрешность не полностью характеризует точность приближения. Например, Приближённые вычисления в математике будет грубой ошибкой при измерении жука, и незначительной при измерении кита. Тоже самое можно сказать и про предел абсолютной погрешности. Качество (точность) приближённости лучше характеризуется относительной погрешностью.

Относительной погрешностью Приближённые вычисления в математике (омега) приближённости х величины Приближённые вычисления в математике называется отношением абсолютной погрешности Приближённые вычисления в математике этого приближения к модулю приближённого значения х, то есть 

Приближённые вычисления в математике

Поскольку абсолютная погрешность Приближённые вычисления в математике обычно бывает неизвестна, то на практике оценивают модуль относительной погрешности некоторым числом, которое не меньше чем этот модуль: 

Приближённые вычисления в математике

Число Приближённые вычисления в математике называется пределом относительной погрешности.

Предел относительной погрешности можно вычислить по формуле: Приближённые вычисления в математике

Конечно относительная погрешность выражается в процентах.

С помощью относительной погрешности легко установить точность приближённости.

Пример 1. Найти относительную погрешность числа Приближённые вычисления в математике

Решение: Имеем Приближённые вычисления в математике

Следовательно Приближённые вычисления в математике

Пример 2. Сравнить точность измерения толщины книги d (см) и высоты стола H (см), если известно, что  Приближённые вычисления в математике.

Решение: 

Приближённые вычисления в математике

Как видим, точность измерения высоты стола значительно выше.

Выполнение действий над приближёнными числами

Результат арифметических действий над приближёнными числами является также приближённым числом.

Необходимо уметь устанавливать погрешности результатов вычислений. Их находят с точным и без точного учёта погрешностей исходных данных. Правила нахождения погрешностей результатов действий с точным учётом погрешности приведены в таблице (обозначения — Приближённые вычисления в математике исходные данные; Приближённые вычисления в математике пределы абсолютных погрешностей относительно чисел; Приближённые вычисления в математикепределы относительных погрешностей).

Приближённые вычисления в математике

Пример 3. Вычислить приближение значения выражения Приближённые вычисления в математике и найти предел погрешностей результата.

Решение: находим значение квадрата числа 5,62 и квадратного корня из числа 18,50. Приближённые вычисления в математике

Найдём границу относительной погрешности результата:

Приближённые вычисления в математике

Граница абсолютной погрешности результата:

Приближённые вычисления в математике

Ответ: Приближённые вычисления в математике

Пример 4. Вычислить приближение значения выражения Приближённые вычисления в математике  и найти предел погрешностей результата.

Решение: находим значение квадратного корня из числа 6,24 и Приближённые вычисления в математике, имеем:

Приближённые вычисления в математике

Граница относительной погрешности результата:

Приближённые вычисления в математике

Граница абсолютной погрешности результата: Приближённые вычисления в математике

Ответ: Приближённые вычисления в математике

Выполнение действий без точного учёта погрешности

Точный учёт погрешности усложняет вычисление. Поэтому, если не надо учитывать погрешность промежуточных результатов, можно использовать более простые правила. 

Сложение и вычитание приближённых вычислений рекомендуется выполнять так:

а) выделить слагаемое с наименьшим числом верных десятичных знаков;

б) округлить другие слагаемые так, чтобы каждое из них содержало на один десятичный знак больше чем выделенное;

в) выполнить действия, учитывая все сохранённые десятичные знаки;

г) результаты округлить и сохранить столько десятичных знаков, сколько их есть в приближённом числе с наименьшим числом десятичных знаков.

Умножение и деление приближённых вычислений рекомендуется выполнять так:

а) выделить среди данных чисел, число с наименьшим количеством верных значимых цифр;

б) округлить оставшиеся данные так, чтобы каждое из них содержало на одну значащую цифру больше, чем в выделенном;

в) выполнить действия — сохранить все значимые цифры;

г) сохранять в результате столько значащих цифр, сколько их имеет выделенное число с наименьшим количеством верных значимых цифр.

При возведении в степень приближённого числа в результате сохраняют столько значимых цифр, сколько верных значимых цифр имеет основа степени.

При извлечении корня из приближённого числа в результате сохраняют столько верных цифр, сколько имеет подкоренное число.

Лекции:

  • Уравнение сферы
  • Пределы: примеры решения
  • Площадь поверхности конуса
  • Целые рациональные выражения
  • Числовые ряды. Числовой ряд. Сумма ряда
  • Свойства логарифмов
  • Линейные дифференциальные уравнения первого порядка
  • Скрещивающиеся прямые
  • Скалярное призведение двух векторов
  • Теоремы, связанные с понятием производной

АБСОЛЮТНАЯ ПОГРЕШНОСТЬ И ЕЕ ГРАНИЦА.

ЗАПИСЬ ПРИБЛИЖЕННОГО ЧИСЛА.

ВЕРНЫЕ И ЗНАЧАЩИЕ ЦИФРЫ ЧИСЛА

х – точное число

а – приближенное число

Разность   х – а    между точным числом х и приближенным числом а называется погрешностью приближения.

Модуль погрешности называется абсолютной погрешностью и обозначается ∆:

| х – а | = ∆

Погрешность и абсолютная погрешность имеют ту же размерность, что и рассматриваемая величина

Граница абсолютной погрешности ∆а – положительное число, которое больше или равно абсолютной погрешности или:

| х – а | ≤ ∆а

Если задана граница абсолютной погрешности ∆а, то число а есть приближенное значение числа х с точностью до ∆а и записывают

х = а ± ∆а, например: 94,5 ± 0,3

В отличие от абсолютной погрешности, граница абсолютной погрешности не определяется однозначно, поэтому на практике выбирается такое значение границы абсолютной погрешности, которое удобно для вычислений и обеспечивает максимальную точность.

Цифра приближенного числа а, записанного в виде десятичной дроби, называется верной (точной), если граница абсолютной погрешности числа не превышает (меньше или равно) единицы того разряда, в котором стоит эта цифра. В противном случае она называется сомнительной, например:

25,63 ± 0,2

Граница погрешности 0,2 , поэтому рассмотрим

цифру 5, разряд единицы, единица разряда 1 и 0,2 < 1 (граница погрешности не превышает единицу разряда), значит цифра 5 – верная, тогда цифра десятков – 2  данного числа тоже верная.

Цифра 6, разряд десятые, единица разряда 0,1 и 0,2 > 0,1  (граница погрешности превышает единицу разряда), значит цифра 6 – сомнительная. Значит и цифра 3 (сотые) будет также сомнительной

2 и 5 – верные цифры, 6 и 3 – сомнительные цифры числа

Запись чисел с сохранением только верных цифр широко используется во всех математических таблицах, в справочниках (физика, астрономия, техника). При этом, по записи приближенного числа можно оценить погрешность приближения, например:

табличные данные: температура кипения золота – 2700 ºС, значит граница абсолютной погрешности 1 ºС, температура кипения йода – 182,8 ºС, значит граница абсолютной погрешности 0,1 ºС.

Записи приближенных чисел 0,3; 0,30; 0,300 – неравносильны, т.к. приближенное число 0,3 имеет погрешность не более 0,1;

приближенное число 0,30 имеет погрешность не более 0,01;

приближенное число 0,300 имеет погрешность не более 0,001.

Если целое число содержит в конце нули, не являющиеся верными цифрами, то их заменяют множителем 10р, где р – число таких нулей.

В записи приближенных чисел принято соблюдать следующие правила:

  • Оставлять в записи приближенного числа только верные цифры;
  • Если в десятичной дроби последние верные цифры нули, то их надо выписать;
  • Если число содержит в конце нули, не являющиеся верными цифрами, то они должны быть заменены на 10р , где р – число нулей, которые надо заменить

Например,

Записать правильно следующие приближенные числа:  

  1. а = 0,075 ± 0,000005 – здесь погрешность меньше, чем 0,00001 (0,000005<0,00001), значит а = 0,07500 (последние верные цифры нули и их надо выписать, см. правило)
  2. а = 746000000 ± 5000 здесь погрешность меньше, чем 10000 (5000<10000), значит последние четыре нуля не являются верными цифрами и их надо заменить на  10р  а = 74600·104
  3. а = 0,35  ∆а = 0,00005 – здесь погрешность меньше, чем 0,0001 значит

а = 0,3500 (последние верные цифры нули)

  1. а = 765000  ∆а = 5 – здесь погрешность  5<10  значит а = 76500·10, т.к. последний нуль не является верной цифрой
  2. а = 0,3700  ∆а = 0,05 – здесь погрешность 0,05<0,1 и цифра 7 не является верной, она отбрасывается, значит а = 0,4

В некоторых заданиях необходимо наоборот определить абсолютную погрешность по записи приближенного числа, например,

Указать абсолютную погрешность приближенных чисел:

  1. а = 14,5 ·10, значит ∆а = 10
  2. а = 34,20 т.к. последний нуль является верной цифрой, то ∆а = 0,01
  3. а = 263·104 , значит ∆а = 10000

Число в стандартном виде записывают так:

а = а0, а1 а2 … а·10m , где 1 ≤ а0 ≤ 10,

а0, а1 а2 … аk  –  все верные цифры числа,

показатель m – называется порядком числа.

Если число, записанное в виде десятичной дроби содержит все верные цифры, то все его цифры, начиная с первой слева отличной от нуля, называют значащими, например:

7,03 – три значащие цифры

4400 – четыре значащие цифры

0,000270 – три значащие цифры (нули, расположенные левее первой, отличной   от нуля цифры, не считаются значащими  0,000270).

Округление числа – это замена его числом с меньшим количеством значащих цифр. При округлении числа до m значащих цифр отбрасывают все цифры, стоящие правее m-ой значащей цифры, заменяя их на нули (при сохранении разряда). При этом, если первая из отбрасываемых цифр ≥ 5, то последнюю оставшуюся цифру увеличивают на единицу,

например:

Округлить число с заданной точностью:

  • с точностью до 10-3   (10-3  = 0,001)

1,5783

Значащие цифры – 1, 5, 7  и 8, цифра 3 – сомнительная, т.к. 0,001 > 0,0001 (единицы разряда)

1,5783 ≈ 1,578 (последняя из отбрасываемых цифр 3<5, значит предыдущую оставляем без изменений)

23,4997

Значащие цифры – 2, 3, 4, 9 и 9, цифра 7 – сомнительная

7>5, значит предыдущую увеличиваем на 1, получим

23,4997 ≈ 23,500

  • с точностью до 10-2  (10-2  = 0,01)

4,761 ≈ 4,76

31,009 ≈ 31,01

  • с точностью до 103  (103 = 1000)

159734 ≈ 160000 = 160·103

28,34 ≈ 0 – ни одна из цифр не является значащей 1000 > 10, т.к. задана точность 1000, а заданное число меньше, чем погрешность.

Лисичкин В.Т., Соловейчик И.Л. Сборник задач по математике с решениями для техникумов (учебное пособие)

Раздел
1

Приближенные
числа и действия над ними

Лекция 1.

1.1.
Приближенное
значение величины. Абсолютная и относительная погрешности

План лекции

1.       Приближенное значение величины. Погрешность

2.       Численные методы

3.       Абсолютная и относительная погрешности

1. Приближенное значение величины.
Погрешность

В процессе решения задачи вычислитель сталкивается с
различными числами, которые могут быть точными или приближенными. Точные числа
дают истинное значение величины числа, приближенные – близкое к истинному,
причем степень близости определяется погрешностью вычисления.

Например, в утверждениях: «куб имеет 6 граней»; «на руке 5
пальцев»; «в классе 32 ученика»; «в книге 582 страницы» числа 6, 5, 32, 582 –
точные. В утверждениях: «ширина дома 14,25 м»; «вес коробки 50 г»; «в лесу
около 5000 деревьев» числа 14,25; 50; 5000 – приближенные. Измерение ширины
дома производится измерительными средствами, которые сами могут быть неточными;
кроме того, измеритель при измерении допускает ошибку (погрешность). При
взвешивании коробки также допускается ошибка, так как автоматические весы не
чувствительны к увеличению или уменьшению веса на 0,5 г. Произвести точно
подсчет количества деревьев в лесу невозможно, так как некоторые деревья могут
быть подсчитаны дважды; другие совсем не включались в счет; некоторые деревья
были отнесены к кустарникам и исключены из счета, и, наоборот, кустарники
включены в счет количества деревьев.

Во многих случаях жизни невозможно найти точное значение
величины числа и вычислителю приходится довольствоваться его приближенным
значением. Кроме того, очень часто вычислитель сознательно заменяет точное
значение приближенным в целях упрощения вычислений.

Таким образом, приближенным
числом а
называется число, незначительно
отличающееся от точного числа
А и заменяющее последнее в вычислениях.

При решении той или иной задачи вручную или на
вычислительной машине мы получаем числовой результат, который, как правило, не
является точным, так как при постановке задачи и в ходе вычислений возникают
погрешности. Поэтому любая задача, связанная с
массовыми действиями над числами, может быть решена с той или иной степенью
точности. В связи с этим при постановке задачи должна быть указана точность ее
решения, т. е. задана погрешность, максимально допустимая в процессе всех вычислений.

Источниками погрешностей (ошибок) могут быть:

1) неточное отображение реальных процессов с помощью
математики, в связи с чем рассматривается не сам процесс, а его
идеализированная математическая модель. Не всегда реальные явления природы
можно точно отобразить математически. Поэтому принимаются условия, упрощающие
решение задачи, что вызывает появление погрешностей. Некоторые задачи
невозможно решить в точной постановке и они могут заменяться другими задачами,
близкими по результатам первым. При этом также возникают погрешности;

2) приближенное выражение величин, входящих в условие
задачи, вследствие их неточного измерения. Это погрешности исходных данных,
физических констант, чисел π, е и др.;

3) замена бесконечных процессов, пределами которых являются
искомые величины, конечной последовательностью действий. Сюда относятся
погрешности, образующиеся в результате обрыва какого-то бесконечного процесса
на некотором этапе. Например, если в ряде

sin x = x-x3/3!+x5/5!-x7/7!+…

взять определенное количество членов и принять их сумму за
sin х, то мы, естественно, допускаем погрешность;

4) округление исходных данных, промежуточных или
окончательных результатов, когда при вычислениях используется лишь конечное
число цифр числа.

При отбрасывании младших разрядов числа имеет место
погрешность. Пусть, например, число 0,7835478931 требуется записать в ячейку
электронной цифровой вычислительной машины с разрядной сеткой, допускающей
запись семизначного десятичного числа. Поэтому данное число нужно округлить
так, чтобы в нем осталось не более семи знаков после запятой. Тогда округленное
число примет следующий вид: 0,7835479;

5) кроме указанных выше случаев, погрешности могут
появляться в результате действий над приближенными числами. В этом случае
погрешности исходных данных в какой-то мере переносятся на результат
вычислений.

Полная погрешность является результатом сложного
взаимодействия всех видов погрешностей. При решении конкретных задач те или
иные погрешности могут отсутствовать или мало влиять на образование полной
погрешности. Однако для полного анализа погрешностей необходимо учитывать все
их виды.

Во всех случаях полная погрешность не может превышать по
своей абсолютной величине суммы абсолютных величин всех видов погрешностей, но
обычно она редко достигает такой максимальной величины.

Таким образом, погрешности можно подразделить на три
большие группы:

1) исходные, или неустранимые, к которым относятся
погрешности, возникающие в результате приближенного описания реальных процессов
и неточного задания исходных данных, а также погрешности, связанные с
действиями над приближенными числами. Эти погрешности проходят через все
вычисления и, являются неустранимыми;

2) погрешности округления (зарождающиеся), которые
появляются в результате округления исходных данных, промежуточных и
окончательных результатов;

3) остаточные, возникающие в результате замены бесконечных
процессов конечной последовательностью действий;

2. Численные методы

На практике в большинстве случаев найти точное решение
математических задач не удается. Это происходит главным образом не потому, что
мы не умеем это сделать, а поскольку искомое решение обычно не выражается в
привычным для нас элементарных или других известных функциях. Поэтому важное
значение приобрели методы, особенно в связи с возрастанием роли математических
методов в различных областях науки и техники и с появлением высокопроизводительных
ЭВМ.

Под численными методами подразумевается методы решения
задач, сводящиеся к арифметическим и некоторых логическим действиям над
числами, т.е. к тем действиям, которые выполняет ЭВМ.

В зависимости от сложности задачи, заданной точности,
применяемого метода и т.д. может потребоваться выполнить от нескольких десятков
многих миллиардов действий. Если число действий не превышают тысячи, то с такой
задачей обычно может справиться человек, имя в распоряжении калькулятор и набор
таблиц элементарных функций. Однако без ЭВМ явно не обойтись, если для решения
задач нужно выполнить, скажем, порядка миллиона действий и тем более, когда
решение должно быть найдено в жатые сроки.

Решение, полученное численным методом, обычно является
приближенным, т.е. содержит некоторую погрешность.

Оценка погрешности может быть произведена: с помощью
абсолютной погрешности; с помощью относительной погрешности; с помощью
остаточного члена; с помощью статистических оценок.

При работе с приближенными величинами вычислитель должен
уметь:

а) давать математические характеристики точности
приближенных величин;

б) зная степень точности исходных данных, оценить степень
точности результатов;

в) брать исходные данные с такой степенью точности, чтобы
обеспечить заданную точность результата. В этом случае не следует слишком
завышать точность исходных данных, чтобы избавить вычислителя от бесполезных
расчетов;

г) уметь правильно построить вычислительный процесс, чтобы
избавить его от тех выкладок, которые не окажут влияния на точные цифры
результата.

3. Абсолютная и относительная
погрешности

Пусть a – точное, вообще говоря, неизвестное
числовое значение некоторой величины.

a* –
известное приближенное числовое значение этой величины (приближенное число).

Абсолютная величина разности между точным числом и его
приближенным значением  называется абсолютной погрешностью приближенного числа:

                                    
                                                                                   (1)

Здесь возможны два случая.

1. Точное чиcло а нам известно. Тогда абсолютная;
погрешность приближенного числа легко находится по формуле (1).

Пример 1. Пусть a
= 784,2737,
a* = 784,274; тогда; абсолютная погрешность Δа
= |а-
a*| = |784,2737—784,274| = 0,0003.

2. Точное число a нам неизвестно, тогда вычислить
абсолютную погрешность по формуле (1) нельзя. Поэтому пользуются понятием
границы абсолютной погрешности, удовлетворяющей неравенству

|a — a*|  Δа*

Граница абсолютной погрешности, т. е. число, заведомо
превышающее абсолютную погрешность (или в крайнем случае равное ей), называется
предельной абсолютной погрешностью.

Следовательно, если Δа*предельная
абсолютная погрешность
, то

Δ(а*) = |а- a*| Δа*                                                                                                                 (2)

Значение точного числа А всегда заключено в следующих
границах:

a* — Δа* a  a* + Δа*.                                                                                                            (3)

Выражение a* — Δа* есть приближение числа
a по недостатку, а а + Δа* – приближение числа a
по избытку. Значение числа a записывается так:

a = а ± Δа*                                                                                                                                 (3′)

Пример 2. Число 45,3 получено округлением. Точное
значение числа неизвестно, однако, пользуясь правилами округления чисел, можно
сказать, что абсолютная погрешность не превышает (меньше или равна) 0,05.

Следовательно, границей абсолютной
погрешности (предельной абсолютной погрешностью) можно считать 0,05. Записывают
это так: 45,3 ( ± 0,05). Скобки часто опускают, так что запись 45,3 ± 0,05
означает то же самое. Двойной знак ± означает, что отклонение приближенного
значения числа от точного возможно в обе стороны. В качестве границы абсолютной
погрешности берут по возможности наименьшее число.

Пример 3. При измерении длины отрезка оказалось,
что ошибка, допущенная нами, не превышает 0,5 см; тем более она не превышает 1,
2 или 3 см. Каждое из этих чисел можно считать границей абсолютной погрешности.
Однако нужно указать наименьшую из них, так как чем меньше граница абсолютной
погрешности, тем точнее выражается приближенное значение числа. В записи
приближенного числа, полученного в результате измерения, обычно отмечают его
предельную абсолютную погрешность.

На
практике часто применяют выражения типа: «с точностью до 0,01»; «с точностью до
1 см и т. д. Это означает, что предельная абсолютная погрешность соответственно
равна 0,01; 1 см и т. д.

Пример 4. Если длина отрезка l = 184 см измерена с точностью до 0,05
см, то пишут
l= 184 см ±0,05 см. Здесь предельная абсолютная
погрешность Δ
l*= 0,05 см, а точная величина
длины
l отрезка заключена в следующих
границах: 183,95 см  
l  184,05 см.

По
абсолютной и предельной абсолютной погрешностям нельзя судить о том, хорошо или
плохо произведено измерение.

Пример 5. Пусть при измерении книги и
длины стола были получены результаты:
l1 =
28,4 ±0,1 (см) и
l2 = 110,3 ±0,1 (см). И в первом, и во
втором случае предельная абсолютная погрешность составляет 0,1 см. Однако
второе измерение было произведено более точно, чем первое.

Для
того чтобы определить качество произведенных измерений, необходимо определить,
какую долю составляет абсолютная или предельная абсолютная погрешность от
измеряемой величины, В связи с этим вводится понятие относительной погрешности.

Относительной
погрешностью а
приближенного числа а называется
отношение абсолютной погрешности Δа к модулю точного числа А
0),
т.е.

а=                                          (4)

Отсюда

Δа = |A| а                                         (4’)

Число
*а, заведомо
превышающее относительную погрешность (или в крайнем случае равное ей),
называется предельной относительной погрешностью:

а*а
.         
                               
(5)

Из
соотношений (4) и (5) вытекает, что

*а; Δа|A| а*.

Из
определения предельной абсолютной погрешности следует, что ΔаΔа*.
Тогда можно записать

Δа*=|A| а*.          
                        
(6)

и
за предельную относительную погрешность приближенного числа а можно
принять

а* = .                                         (7)

Учитывая,
что А, как правило, неизвестно и  что А  а,
равенства (6) и (7) можно записать так:

Δа*=|a| а*,                                        
(6′)

а* = .                                         (7’)

Возвращаясь к примеру 5, найдем
предельные относительные погрешности измерения книги и стола:

*l1 = 0,1(см)/28,4(см) 0,0035, или 0,35%;

*l2 = 0,1(см)/110,3(см) 0,009, или 0,09%.

Таким образом, измерение стола было произведено
намного точнее.

Очевидно, что как
относительная погрешность, так и предельная относительная погрешность
представляют собой отвлеченные числа, не зависящие от единиц, в которых
выражаются результаты измерений.

Пример 6. Определить (в процентах) предельную
относительную погрешность приближенного числа а = 35,148 ±0,00074.

Решение. Воспользуемся формулой (7). Тогда

а* = =0,00074/35,148= 0,000021  0,0021%.

Пример 7. Определить предельную абсолютную
погрешность приближенного числа а = 4,123, если а* = 0,01%.

Решение. Запишем проценты в виде десятичной дроби
и для определения предельной абсолютной погрешности и воспользуемся формулой
(6′); тогда

Δа* = | а | а
= 4,123 • 0,0001 = 0,00042.

Пример 8. Определить относительные погрешности
чисел х и у, полученных при измерении углов. Какой из результатов
более точный?

X

Δx

Y

Δy

50030’10’’

3’’

45015’36’’

2’’

Решение. Переведем заданные значения x и у в секунды и определим относительные
погрешности измерений. Более точным измерением будет то, где относительная
погрешность меньше. Имеем:

x=
181810″ ±3″,   
x = 3/181810  0,000017
= 0,0017%;

у = 162936″±2″,    y=2/162936 0,000013 = 0,0013%.

Измерение y произведено более точно.

Пример 9. Определить, какое равенство точнее: a1= 13/19  0,684
или
a2 =  7,21?

Решение. Для нахождения предельных абсолютных
погрешностей берем числа
a1 и a2 с большим числом десятичных знаков: 13/19  0,68421;  7,2111. Определяем предельные абсолютные погрешности,
округляя их с избытком:

Δ*а1
= |0,68421
-0,684
|  0,00022

Δ*а2= | 7,2111-7,21|  0,0012.

Находим предельные относительные
погрешности:

*а1= Δ*а1/a1 = 0,00022/0,684  0,00033
= 0,033%;

*а2 = Δ*a2/a2 =
0,0012/7,21  0,00017=0,017%.

Второе равенство является более точным,
поскольку *а2 < *а1.

Понравилась статья? Поделить с друзьями:
  • Как найти знакомство инвалидов
  • Как найти удельное сопротивление никелина
  • Как найти объем тела ограниченного поверхностями калькулятор
  • Как найти владельца прицепа по номеру
  • Как найти радиус зная скорость период