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摘要  用错数解释计算机的错误计算(一百二十七)中的计算错误的原因。

       从(一百二十七)知,f(x) 有四种形式:

四个 f(0.00024) 分别有1位、8位、8位、0位错误数字。

       下面用错数解释前面3个错误计算的由来。

(1)对于 {f(x)=\sin^2(\frac{1}{2}x)} 来说,m_1=-3\,,  m_2=-7\,.  而  f'(x)|_{x=0.00024}=(\sin(\frac{1}{2}x)\cos(\frac{1}{2}x))|_{x=0.00024}=0.1...\textup{e}-3\,,  因此,m_0=-3\,.  这样,错数为 m_1-m_2+m_0=-3-(-7)+(-3)=1\,.  于是,计算机的输出中可能有1位错误数字,也可能没有。事实是有1位。

(2)对于  \frac{1}{2}\big{(}1-\cos(x)\big{)} 与 \frac{1}{2}\big{(}1-\sqrt{1-\sin^2(x)} \,\big{)} 来说,由于其中的 1-\cos(x) 与 1-\sqrt{1-\sin^2(x)} 会发生相减相消,并且这时,x 的表示误差对结果的影响程度要远小于相减相消对结果的影响程度,所以我们只考虑相减相消所引起的误差。

        令 y=1-\cos(x)\,,  g(y)=\frac{1}{2}y\,.  现在讨论 g(y) 的错数。由于  (1-\cos(x))|_{x=0.00024}=0.28...\textup{\textup{}e}-7\,,  因此,m_1=-7\,.  而 m_2 仍然不变,亦为 -7\,.  再由 g'(y)=0.5 知,m_0=0\,.  于是,g(y) 的错数为 m_1-m_2+m_0=-7-(-7)+0=0\,.  这样,若 y 有误差,那么执行 g(y) 运算后,结果也不会额外产生错误数字(甚至可能减少1位错误数字)。 也就是说,y 原来有几位错误数字,那么50%的概率 g(y) 还有几位错误数字。

       那么 y=1-\cos(0.00024) 的输出有几位错误数字呢?相减相消“相消”了几位数字?被减数原来是1,1位整数;现在的结果变成 “-7” 位整数。那么自然少了 1-(-7)=8 位数字。这样,g(y) 50%的概率也有 8位错误数字,而另外50%的可能性是含有7位错误数字。事实上,最终结果是含有8位错误数字。

        点评:像 \sin^2(\frac{1}{2}x) 这么简单的函数,居然产生了错误数字;其最后1位数字不正确,居然有着50%的概率。

参考文献

[1] Ward Cheney, David Kincaid. Numerical Mathematics and Computing. 6th Ed. CA: Thomson Higher Education, 2008, p, 37

http://www.hkea.cn/news/203153/

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