题目
6 在 -4 le x le 4 上给出 f(x)=e^x 的等距节点函数表,若用二次插值求 e^x 的近似值使截断误差不超过 10^-6,问使用函数表的步长h应取多少?
6 在 $-4 \le x \le 4$ 上给出 $f(x)=e^{x}$ 的等距节点函数表,若用二次插值求 $e^{x}$ 的近似值使截断误差不超过 $10^{-6}$,问使用函数表的步长h应取多少?
题目解答
答案
设步长为 $h$,二次插值余项为 $R_2(x) = \frac{f'''(\xi)}{6} (x - x_{i-1})(x - x_i)(x - x_{i+1})$,其中 $f'''(x) = e^x$,最大值为 $e^4$。
余项绝对值最大值为 $\frac{e^4 h^3}{9\sqrt{3}}$,令其小于 $10^{-6}$,解得 $h \leq \sqrt[3]{\frac{9\sqrt{3} \cdot 10^{-6}}{e^4}} \approx 0.0066$。
答案: $\boxed{h \leq 0.0066}$
解析
本题考查等距节点函数表的二次插值以及截断误差的计算。解题思路是先确定二次插值余项的表达式,然后找出余项中函数的最大值,进而得到余项绝对值的最大值,最后根据截断误差不超过$10^{-6}$的条件来确定步长$h$的取值范围。
下面进行详细的计算:
- 确定二次插值余项的表达式:
二次插值余项为$R_2(x) = \frac{f'''(\xi)}{6} (x - x_{i-1})(x - x_i)(x - x_{i+1})$,其中$f'''(x) = e^x$。 - 找出余项中函数的最大值:
已知$-4 \le x \le 4$,因为$e^x$是单调递增函数,所以$f'''(x)$在$x = 4$时取得最大值,即$f'''(4) = e^4$。 - 得到余项绝对值的最大值:
将$f'''(4) = e^4$代入余项表达式中,得到余项绝对值的最大值为$\frac{e^4 h^3}{9\sqrt{3}}$。 - 根据截断误差不超过$10^{-6}$的条件来确定步长$h$的取值范围:
令$\frac{e^4 h^3}{9\sqrt{3}} \le 10^{-6}$,解这个不等式:
$\begin{align*}\frac{e^4 h^3}{9\sqrt{3}} &\le 10^{-6}\\h^3 &\le \frac{9\sqrt{3} \cdot 10^{-6}}{e^4}\\h &\le \sqrt[3{\frac{9\sqrt{3} \cdot 10^{-6}}{e^4}}\end{align*}$
计算$\sqrt3{\frac{9\sqrt{3} \cdot 10^{-6}}{e^4}} \approx 0.0066$。