Bài giảng Phương pháp tính - Số gần đúng và sai số - Nguyễn Hồng Lộc

Nội dung text: Bài giảng Phương pháp tính - Số gần đúng và sai số - Nguyễn Hồng Lộc

1. SỐ GẦN ĐÚNG VÀ SAI SỐ Bài giảng điện tử Nguyễn Hồng Lộc Trường Đại học Bách Khoa TP HCM Khoa Khoa học ứng dụng, bộ môn Toán ứng dụng TP. HCM — 2013. Nguyễn Hồng Lộc (BK TPHCM) SỐ GẦN ĐÚNG VÀ SAI SỐ TP. HCM — 2013. 1 / 30
2. Số gần đúng và sai số Những khái niệm cơ bản Những khái niệm cơ bản Định nghĩa Độ sai lệch giữa giá trị gần đúng và giá trị chính xác được gọi là sai số. Định nghĩa Số a được gọi là số gần đúng của số chính xác A, kí hiệu là a ≈ A (đọc là a xấp xỉ A) nếu a khác A không đáng kể và được dùng thay cho A trong tính toán. Nguyễn Hồng Lộc (BK TPHCM) SỐ GẦN ĐÚNG VÀ SAI SỐ TP. HCM — 2013. 2 / 30
3. Trong thực tế, do không biết số chính xác A, ta ước lượng một đại lượng dương ∆a càng bé càng tốt thỏa điều kiện |A − a| 6 ∆a được gọi là sai số tuyệt đối của số gần đúng a. Chú ý. Trong thực tế ta sẽ ký hiệu A = a ± ∆a. Số gần đúng và sai số Những khái niệm cơ bản Định nghĩa Đại lượng ∆ = |a − A| được gọi là sai số thật sự của số gần đúng a. Nguyễn Hồng Lộc (BK TPHCM) SỐ GẦN ĐÚNG VÀ SAI SỐ TP. HCM — 2013. 3 / 30
4. Số gần đúng và sai số Những khái niệm cơ bản Định nghĩa Đại lượng ∆ = |a − A| được gọi là sai số thật sự của số gần đúng a. Trong thực tế, do không biết số chính xác A, ta ước lượng một đại lượng dương ∆a càng bé càng tốt thỏa điều kiện |A − a| 6 ∆a được gọi là sai số tuyệt đối của số gần đúng a. Chú ý. Trong thực tế ta sẽ ký hiệu A = a ± ∆a. Nguyễn Hồng Lộc (BK TPHCM) SỐ GẦN ĐÚNG VÀ SAI SỐ TP. HCM — 2013. 3 / 30
5. Số gần đúng và sai số Những khái niệm cơ bản Định nghĩa Sai số tương đối của số gần đúng a so với số chính xác A là đại lượng δa được tính theo công thức |A − a| δ = . a |A| Chú ý. Trong nhiều trường hợp, nếu không biết A ∆ ta có thể thay thế δ = a 100% a |a| Nguyễn Hồng Lộc (BK TPHCM) SỐ GẦN ĐÚNG VÀ SAI SỐ TP. HCM — 2013. 4 / 30
6. Số gần đúng và sai số Những khái niệm cơ bản Ví dụ 1. Giả sử A = π; a = 3.14. Do 3.13 = 3.14 − 0.01 < π < 3.14 + 0.01 = 3.15, nên ta có thể chọn ∆a = 0.01. Mặt khác, 3.138 = 3.14−0.002 < π < 3.14+0.002 = 3.142, do đó ta cũng có thể chọn ∆a = 0.002. Như vậy, với cùng một giá trị gần đúng, có thể có nhiều sai số tuyệt đối khác nhau. Trong trường hợp này ta chọn giá trị nhỏ nhất của chúng. Nguyễn Hồng Lộc (BK TPHCM) SỐ GẦN ĐÚNG VÀ SAI SỐ TP. HCM — 2013. 5 / 30
7. Số gần đúng và sai số Những khái niệm cơ bản Ví dụ 2. Vận tốc của một vật thể đo được là v = 2.8m/s với sai số tương đối δv = 0.5%. Khi đó sai số tuyệt đối là 0.5 ∆ = vδ = .2.8m/s = 0.014m/s. v v 100 Ví dụ 3. Đo độ dài hai đoạn thẳng ta được a = 10cm và b = 1cm với ∆a = ∆b = 0.01cm. 0.01 0.01 Khi đó δ = = 0.1%, δ = = 1% hay a 10 b 1 δb = 10δa. Từ đó suy ra phép đo a chính xác hơn phép đo b mặc dù ∆a = ∆b. Như vậy, độ chính xác của một phép đo thể hiện qua sai số tương đối. Nguyễn Hồng Lộc (BK TPHCM) SỐ GẦN ĐÚNG VÀ SAI SỐ TP. HCM — 2013. 6 / 30
8. Số gần đúng và sai số Biểu diễn số thập phân Chữ số có nghĩa Mọi số thực a có thể được biểu diễn dưới dạng thập phân hữu hạn hoặc vô hạn a = ±(αmαm−1 . . . α1α0.α−1α−2 . . . α−n) = m P k ± αk10 , m, n ∈ N, m > 0, n > 1, αm =6 0, k=−n αk ∈ {0, 1, 2, , 9}. Ví dụ 1. 324.59 = 3 × 102 + 2 × 101 + 4 × 100 + 5 × 10−1 + 9 × 10−2. Nguyễn Hồng Lộc (BK TPHCM) SỐ GẦN ĐÚNG VÀ SAI SỐ TP. HCM — 2013. 7 / 30
9. Số gần đúng và sai số Biểu diễn số thập phân Một số viết ở dạng thập phân có thể gồm nhiều chữ số. Ví dụ 20.25 có 4 chữ số, 0.03047 có 6 chữ số. Định nghĩa Những chữ số có nghĩa của một số là những chữ số của số đó kể từ chữ số khác không đầu tiên tính từ trái sang phải. Ví dụ 2. Số 20.25 có 4 chữ số có nghĩa. Số 0.03047 cũng có 4 chữ số có nghĩa. Nguyễn Hồng Lộc (BK TPHCM) SỐ GẦN ĐÚNG VÀ SAI SỐ TP. HCM — 2013. 8 / 30
10. Nếu αk+1 > 5, ta tăng αk lên 1 đơn vị; còn nếu αk+1 < 5 ta giữ nguyên chữ số αk. Sau đó bỏ phần đuôi từ chữ số αk+1 trở đi. Số gần đúng và sai số Biểu diễn số thập phân Định nghĩa Làm tròn một số thập phân a là bỏ một số các chữ số bên phải a sau dấu chấm thập phân để được một số ea ngắn gọn hơn và gần đúng nhất so với a. Quy tắc. Để làm tròn đến chữ số thứ k sau dấu chấm thập phân, ta xét chữ số thứ k + 1 sau dấu chấm thập phân là αk+1. Nguyễn Hồng Lộc (BK TPHCM) SỐ GẦN ĐÚNG VÀ SAI SỐ TP. HCM — 2013. 9 / 30
11. còn nếu αk+1 5, ta tăng αk lên 1 đơn vị; Nguyễn Hồng Lộc (BK TPHCM) SỐ GẦN ĐÚNG VÀ SAI SỐ TP. HCM — 2013. 9 / 30
12. Số gần đúng và sai số Biểu diễn số thập phân Định nghĩa Làm tròn một số thập phân a là bỏ một số các chữ số bên phải a sau dấu chấm thập phân để được một số ea ngắn gọn hơn và gần đúng nhất so với a. Quy tắc. Để làm tròn đến chữ số thứ k sau dấu chấm thập phân, ta xét chữ số thứ k + 1 sau dấu chấm thập phân là αk+1. Nếu αk+1 > 5, ta tăng αk lên 1 đơn vị; còn nếu αk+1 < 5 ta giữ nguyên chữ số αk. Sau đó bỏ phần đuôi từ chữ số αk+1 trở đi. Nguyễn Hồng Lộc (BK TPHCM) SỐ GẦN ĐÚNG VÀ SAI SỐ TP. HCM — 2013. 9 / 30
13. Số gần đúng và sai số Biểu diễn số thập phân Ví dụ 3. Làm tròn số π = 3.1415926535 đến chữ số thứ 4,3,2 sau dấu chấm thập phân nhận được các số gần đúng lần lượt là 3.1416; 3.142; 3.14. Nguyễn Hồng Lộc (BK TPHCM) SỐ GẦN ĐÚNG VÀ SAI SỐ TP. HCM — 2013. 10 / 30
14. Số gần đúng và sai số Biểu diễn số thập phân Định nghĩa Sai số thực sự của ea so với a được gọi là sai số làm tròn. Vậy θ = |a − a|. ea e Sai số tuyệt đối của ea so với A được đánh giá như sau: |ea − A| = |(ea − a) + (a − A)| 6 |a − a| + |a − A| θ + ∆ = ∆ . Vì θ 0 nên e 6 ea a ea ea > ∆ ∆ . Do đó sau khi làm tròn sai số tăng lên. ea > a Vì vậy, khi tính toán ta tránh làm tròn các phép toán trung gian, chỉ nên làm tròn kết quả cuối cùng. Nguyễn Hồng Lộc (BK TPHCM) SỐ GẦN ĐÚNG VÀ SAI SỐ TP. HCM — 2013. 11 / 30
15. Số gần đúng và sai số Biểu diễn số thập phân Sự làm tròn số trong bất đẳng thức Trường hợp làm tròn số trong bất đẳng thức, ta sử dụng khái niệm làm tròn lên và làm tròn xuống. Làm tròn lên hay làm tròn xuống cần lưu ý đến chiều bất đẳng thức. Ví dụ 4. a 78.6789 khi làm tròn xuống đến 2 chữ số lẻ sau dấu chấm thập phân ta được b > 78.67. Nguyễn Hồng Lộc (BK TPHCM) SỐ GẦN ĐÚNG VÀ SAI SỐ TP. HCM — 2013. 12 / 30
16. Số gần đúng và sai số Biểu diễn số thập phân Chữ số đáng tin Định nghĩa Cho a ≈ A. Chữ số αk trong phép biểu diễn dưới dạng thập phân được gọi là đáng tin, nếu 1 ∆ .10k. Trong trường hợp ngược lại, chữ số a 6 2 αk được gọi là không đáng tin. Ví dụ 5. Cho số gần đúng a = 3.7284 với sai số tuyệt đối là ∆a = 0.0047 có 3 chữ số đáng tin là 3, 7 , 2 và 2 chữ số không đáng tin là 8, 4 Nguyễn Hồng Lộc (BK TPHCM) SỐ GẦN ĐÚNG VÀ SAI SỐ TP. HCM — 2013. 13 / 30
17. Số gần đúng và sai số Biểu diễn số thập phân Cách viết số gần đúng Chúng ta viết số gần đúng a của số chính xác A với sai số tuyệt đối ∆a theo quy tắc sau: 1 Viết số gần đúng a kèm theo sai số tuyệt đối ∆a dưới dạng a ± ∆a. Ví dụ 17.358 ± 0.003. Cách này thường được dùng để biểu diễn các kết quả tính toán hoặc phép đo. 2 Viết số gần đúng theo quy ước: mọi chữ số có nghĩa đều đáng tin. Điều này có nghĩa là sai số tuyệt đối ∆a không lớn hơn một nửa đơn vị của chữ số cuối cùng bên phải. Nguyễn Hồng Lộc (BK TPHCM) SỐ GẦN ĐÚNG VÀ SAI SỐ TP. HCM — 2013. 14 / 30
18. Số gần đúng và sai số Biểu diễn số thập phân Ví dụ a = 23.54 thì sai số tuyệt đối 1 ∆ .10−2 = 0.005, trong khi nếu viết a 6 2 a = 23.5400 thì sai số tuyệt đối 1 ∆ .10−4 = 0.00005. Cách này thường dùng a 6 2 để trình bày các bảng số. Nguyễn Hồng Lộc (BK TPHCM) SỐ GẦN ĐÚNG VÀ SAI SỐ TP. HCM — 2013. 15 / 30
19. Xác định sai số của hàm số biết sai số của các đối số Công thức tổng quát của sai số Công thức tổng quát của sai số Cho hàm số khả vi liên tục y = f (x1, x2, , xn) và giả sử biết sai số tuyệt đối ∆xi của các đối số xi (i = 1 n). Gọi Xi , Y và xi , y (i = 1 n) là các giá trị chính xác và các giá trị gần đúng của đối số và hàm số. Khi đó |Y −y| = |f (X1, X2, , Xn)−f (x1, x2, , xn)| 6 n n P ∂f P ∂f .|Xi − xi | 6 .∆xi . Vậy sai số i=1 ∂xi i=1 ∂xi n P ∂f tuyệt đối của hàm số y là ∆y = .∆xi i=1 ∂xi Nguyễn Hồng Lộc (BK TPHCM) SỐ GẦN ĐÚNG VÀ SAI SỐ TP. HCM — 2013. 16 / 30
20. Xác định sai số của hàm số biết sai số của các đối số Công thức tổng quát của sai số Sai số tương đối của hàm số y là n P ∂f .∆x ∆ ∂x i δ = y = i=1 i y |y| |f | n P ∂ = ln f (x1, x2, , xn) .∆xi i=1 ∂xi Nguyễn Hồng Lộc (BK TPHCM) SỐ GẦN ĐÚNG VÀ SAI SỐ TP. HCM — 2013. 17 / 30
21. Xác định sai số của hàm số biết sai số của các đối số Công thức tổng quát của sai số Công thức tổng quát của sai số Ví dụ 6. Tính sai số tuyệt đối và sai số tương đối 1 của thể tích hình cầu V = πd 3, biết đường kính 6 d = 3.70cm ± 0.05cm và π = 3.14 ± 0.0016. Xem π và d là những đối số của hàm số V , ta có ∂V 1 1 = d 3 = × (3.70)3 và ∂π 6 6 ∂V 1 1 = πd 2 = × (3.14) × (3.70)2. ∂d 2 2 Nguyễn Hồng Lộc (BK TPHCM) SỐ GẦN ĐÚNG VÀ SAI SỐ TP. HCM — 2013. 18 / 30
22. Xác định sai số của hàm số biết sai số của các đối số Công thức tổng quát của sai số ∂V ∂V 1 3 Vậy ∆V = .∆π + .∆d = × (3.70) × ∂π ∂d 6 1 0.0016 + × (3.14) × (3.70)2 × 0.05 = 1.0882. 2 1 Do đó V = π.d 3 = 26.5084cm3 ± 1.0882cm3 và 6 1.0882 δ = = 0.0411. V 26.5084 Nguyễn Hồng Lộc (BK TPHCM) SỐ GẦN ĐÚNG VÀ SAI SỐ TP. HCM — 2013. 19 / 30
23. Xác định sai số của hàm số biết sai số của các đối số Sai số của tổng đại số Sai số của tổng đại số Xét hàm số y = ±x ± x ± ± x . Khi đó 1 2 n ∂f = 1, (i = 1 n). Do đó, sai số tuyệt đối của ∂xi y là ∆y = ∆x1 + ∆x2 + + ∆xn và sai số tương ∆ đối của y là δ = y . y |y| Nguyễn Hồng Lộc (BK TPHCM) SỐ GẦN ĐÚNG VÀ SAI SỐ TP. HCM — 2013. 20 / 30
24. Xác định sai số của hàm số biết sai số của các đối số Sai số của tổng đại số Ví dụ 7. Tính sai số tuyệt đối và sai số tương đối của y = a + b + c với a = 47.132 ± 0.003; b = 47.111 ± 0.02; c = 45.234 ± 0.5. Sai số tuyệt đối của y là ∆y = ∆a +∆b +∆c = 0.003+0.02+0.5 = 0.523. Do Y = y ± ∆y = 139.477 ± 0.523 nên sai số ∆ tương đối của y là δ = y = 0.0037. y |y| Nguyễn Hồng Lộc (BK TPHCM) SỐ GẦN ĐÚNG VÀ SAI SỐ TP. HCM — 2013. 21 / 30
25. Xác định sai số của hàm số biết sai số của các đối số Sai số của tích Sai số của tích Xét hàm số y = x .x x . Khi đó 1 2 n ∂ 1 ln y = , (i = 1 n). Do đó, sai số tương ∂xi |xi | đối của y là δy = δx1 + δx2 + + δxn và sai số tuyệt đối của y là ∆y = δy .|y|. Nguyễn Hồng Lộc (BK TPHCM) SỐ GẦN ĐÚNG VÀ SAI SỐ TP. HCM — 2013. 22 / 30
26. Xác định sai số của hàm số biết sai số của các đối số Sai số của tích Ví dụ 8. Tính sai số tuyệt đối và sai số tương đối của y = a.b.c với a = 47.132 ± 0.003; b = 47.111 ± 0.02; c = 45.234 ± 0.5. ∆ ∆ ∆ Ta có δ = a , δ = b , δ = c , a |a| b |b| c |c| Sai số tương đối của y là δy = δa + δb + δc = 0.003 0.02 0.5 + + = 0.0115. 47.132 47.111 45.234 Do đó sai số tuyệt đối của y là 0.003 0.02 0.5 ∆ = δ .|y| = ( + + ) × y y 47.132 47.111 45.234 (47 .132 × 47.111 × 45.234) = 1159.2503. Nguyễn Hồng Lộc (BK TPHCM) SỐ GẦN ĐÚNG VÀ SAI SỐ TP. HCM — 2013. 23 / 30
27. Bài tập Bài tập Bài 1. Biết A có giá trị gần đúng là a = 3.5833 với sai số tương đối là δa = 0.28%. Ta làm tròn a thành a∗ = 3.58. Tính sai số tuyệt đối của a∗ Giải. Ta có ∗ ∗ ∆a∗ = ∆a + |a − a | = |a|δa + |a − a | = 0.0134 Nguyễn Hồng Lộc (BK TPHCM) SỐ GẦN ĐÚNG VÀ SAI SỐ TP. HCM — 2013. 24 / 30
28. Bài tập Bài 2. Làm tròn đến hai chữ số lẻ sau dấu chấm thập phân của các số trong các biểu thức sau: a = 12.6724; b = 1.5476; c 6 12.8713; d > 1.2354. Giải. a = 12.6724 ⇒ a ≈ 12.67. b = 1.5476 ⇒ b ≈ 1.55. c 6 12.8713 ⇒ c 6 12.88. d > 1.2354 ⇒ d > 1.23. Nguyễn Hồng Lộc (BK TPHCM) SỐ GẦN ĐÚNG VÀ SAI SỐ TP. HCM — 2013. 25 / 30
29. Bài tập Bài tập Bài 3. Cho a = 7.1696 với sai số tương đối là δa = 0.83%. Tìm số chữ số đáng tin trong cách viết thập phân của a Giải. 1 k Chữ số đáng tin ở vị trí k thỏa : ∆a 6 210 ⇒ k > log(2∆a) = log(2|a|δa) = −0.92 kmin = 0. Có một chữ số đáng tin Nguyễn Hồng Lộc (BK TPHCM) SỐ GẦN ĐÚNG VÀ SAI SỐ TP. HCM — 2013. 26 / 30
30. Bài tập Bài tập Bài 4. Cho biểu thức f = x3 + xy + y 3.Biết x = 1.9501 ± 0.0050 và y = 3.4740 ± 0.0083. Tính sai số tuyệt đối của f Giải. 0 0 2 2 ∆f = |fx |∆x +|fy |∆y = |3x +y|∆x +|x +3y |∆y = |3 ∗ 1.95012 + 3.4740| ∗ 0.0050 + |1.9501 + 3 ∗ 3.47402| ∗ 0.0083 = 0.3912 Nguyễn Hồng Lộc (BK TPHCM) SỐ GẦN ĐÚNG VÀ SAI SỐ TP. HCM — 2013. 27 / 30
31. Bài tập Bài tập Bài 5. Cho a = 15.00±0.02, b = 0.123±0.001, c = 137±0.5. Hãy tính sai số tuyệt đối của A = a + b + c B = 20a − 100b + c C = a + bc. Nguyễn Hồng Lộc (BK TPHCM) SỐ GẦN ĐÚNG VÀ SAI SỐ TP. HCM — 2013. 28 / 30
32. Bài tập Giải. A = a+b +c ⇒ ∆A = ∆a +∆b +∆c = 0.521. B = 20a − 100b + c ⇒ ∆B = 20.∆a + 100.∆b + ∆c = 1. C = a + bc ⇒ ∆C = ∆a + |c|.∆b + |b|.∆c = 0.2185. Nguyễn Hồng Lộc (BK TPHCM) SỐ GẦN ĐÚNG VÀ SAI SỐ TP. HCM — 2013. 29 / 30
33. Bài tập Bài 6. Cho hàm f (x) = 3x5 − 2x2 + 7 và x = 1.234 ± 0.00015. Tính ∆f . Giải. Ta có f 0(x) = 15x4 − 4x và 0 ∆f = |f (x)|.∆x nên 4 ∆f = |15 × (1.234) − 4 × 1.234| × 0.00015 = 0.0045 Nguyễn Hồng Lộc (BK TPHCM) SỐ GẦN ĐÚNG VÀ SAI SỐ TP. HCM — 2013. 30 / 30