IGPM RWTH–Aachen Numerik MB F20

(1)

IGPM RWTH–Aachen Numerik MB F20

Verständnisfragen-Teil (30 Punkte)

Jeder der 6 Verständnisfragenblöcke besteht aus 10 Verständnisfragen. Werden alle 10 Fragen in einem Verständ- nisfragenblock richtig beantwortet, so gibt es dafür 5 Punkte. Für 9 richtige Antworten gibt es 4 Punkte; für 8 richtige 3, für 7 richtige 2 und für 6 richtige Antworten gibt es einen Punkt. Werden weniger als 6 Fragen in einem Verständnisfragenblock richtig beantwortet, so gibt es für diesen Block 0 Punkte.

Beantworten Sie alle Fragen mit wahr oder falsch bzw. geben Sie das Ergebnis numerisch als Zahl mit mindestens 5 signifikanten Ziffern an. Falls nicht anders gefordert, muss das Ergebnis als Dezimalzahl angegeben werden.

VF-1: Es seien xMIN bzw. xMAX die kleinste bzw. größte (strikt) positive Zahl sowie eps die relative Maschinengenauigkeit in der Menge M(b, m, r, R) der Maschinenzahlen gemäß Vorlesung/Buch und D :=

[−xMAX,−xMIN]∪[xMIN, xMAX]. Ferner beschreibe fl : D → M(b, m, r, R) die Standardrundung. Alle Zahlen sind im Dezimalsystem angegeben.

1. Es giltfl(x+y) = fl(x) + fl(y)für allex, y∈D. falsch

2. Die Anzahl der Elemente in der Menge M(b, m, r, R)hängt vonmab. wahr

3. Es gilt|fl(x)−x| ≤epsfür allex∈D. falsch

4. Die Addition zweier Zahlen ist stets gut konditioniert. falsch

5. Geben Sie die nicht-normalisierte Darstellung der Zahl14inM(3,6,−8,8)an. 112 6. Falls die Kondition eines Problems schlecht ist, können Störungen der Eingabedaten stark verstärkt

werden.

wahr

7. Die Funktionf(x) =xln(x)ist fürx→ ∞gut konditioniert. wahr 8. Die Funktionf(x, y) = ^x_y ist für alle(x, y)∈R²mit y6= 0gut konditioniert. wahr 9. Wir betrachten die Berechnung einer SummeS_m:=Pm

j=1x_j. Die Stabilität dieser Summenbildung hängt von der Reihenfolge der Summandenx_j ab.

wahr

10. Berechnen Sie die Konditionκrel(x, y)der Funktion f(x, y) =xsin²(y)im Punkt(1,^π₂). 1

VF-2: Es seienA∈R^n×n beliebig aber regulär,b∈Rⁿ und gesucht sei die Lösungx^∗∈Rⁿ vonA x=b.

1. Es seiB:=D A die zeilenäquilibrierte Matrix zuA. Dann giltkBk∞= 1. wahr 2. Mit Zeilenäquilibrierung wird eine Verringerung der Rechenaufwand der Gauß-Elimination ange-

strebt.

falsch

3. Wir betrachten das gestörte Problem Ax˜ = ˜b. Der absolute Fehler in der Lösung k˜x−x^∗k ist maximal um einen FaktorkA⁻¹kgrößer als der absolute Eingabefehlerk˜b−bk.

wahr

4. Es existieren stets eine normierte untere Dreiecksmatrix L und eine obere Dreiecksmatrix R, so dassA=L Rgilt.

falsch

5. Berechnen SiekAk2 fürA=







−3 0 0 0 −2 0

0 0 1





. 3

6. Falls die MatrixAorthogonal ist, giltκ2(A) = 1, wobeiκ2(·)die Konditionszahl bzgl. der euklidi- schen Norm ist.

wahr

7. Es sei R ∈ R^n×n eine reguläre obere Dreiecksmatrix. Der Rechenaufwand zur Bestimmung der Lösungy vonR y=büber Rückwärtseinsetzen beträgt etwa ¹₃n³Operationen.

falsch

8. Es sei A symmetrisch positiv definit. Dann ist die Kondition des Problems der Bestimmung der Lösung des GleichungssystemsA x=b gut.

falsch

9. Es seiA=L D L^T mit einer normierten unteren DreiecksmatrixL und einer regulären Diagonal- matrixD. Dann istAsymmetrisch positiv definit.

falsch

10. Es seiAeine Matrix mitκ_∞(A) = 2, wobeiκ_∞(·)die Konditionszahl bzgl. der Maximumnorm ist.

Berechnen Sieκ_∞(A⁻¹).

2

(2)

Numerik MB F20 IGPM – RWTH Aachen VF-3: Es seiA∈R^m×n, undA=Q ReineQR-Zerlegung vonA.

1. Eine QR-Zerlegung A = Q R von A ∈ R^m×n existiert nur dann, wenn die Matrix A den vollen Spaltenrangnhat.

falsch

2. Es gilt:kAk2=kRk2, wobeik · k2 die euklidische Norm ist. wahr

3. Für jede orthogonale Matrix QgiltQ^T =Q⁻¹. wahr

4. Die Inverse einer orthogonalen Matrix ist eine orthogonale Matrix. wahr 5. Es seienQeine orthogonale Matrix undQ





 3 6

−4





=





 6 0 b





Geben Sie|b|an. 5

6. Für jede orthogonale Matrix Q giltκ∞(Q) = 1, wobeiκ∞(·)die Konditionszahl bzgl. der Maxi- mumnorm ist.

falsch

7. Die Inverse einer Householder-Transformationen ist eine Householder-Transformation. wahr 8. Jede einzelne Householder-Transformation ist symmetrisch und orthogonal. wahr 9. Die Householder-Methode zur Bestimmung derQR-Zerlegung ist immer stabil. wahr 10. Es seienv∈R^mmitv6= 0undQv =I−2^vv_vT^Tv eine Householder-Transformation. Geben Sieα∈R

an, so dassQvv=α v gilt.

-1

VF-4: Es seienA ∈ R^m×n, mitRang(A) = n < m, und b ∈ R^m. Weiter seien Q∈ R^m×m eine orthogonale Matrix undR ∈R^m×n eine obere Dreiecksmatrix so, dass Q A=R = R˜

0

!

mit R˜ ∈ R^n×n gilt. Ferner seien x^∗ ∈Rⁿ die eindeutige Minimalstelle des Minimierungsproblems x^∗ = argmin_x∈_RnkA x−bk2 und Θ∈

0,^π₂ der Winkel zwischenA x^∗ undb.

1. Die MatrixR˜ ist orthogonal. falsch

2. Die MatrixR˜ kann man über Gauß-Elimination mit Pivotisierung bestimmen. falsch 3. Je kleiner der WinkelΘ, desto besser ist die Kondition des linearen Ausgleichsproblems. wahr 4. Es giltsin Θ = ^kb−Ax_kbk^∗^k²

2 . wahr

5. Es seienm= 3,n= 1,A=





 1 1 0





undb=





 2 6 1





. Bestimmen SiekAx^∗−bk₂. 3 6. Es seiL D L^T =A^TAdie Cholesky-Zerlegung vonA^TA. Dann gilt x^∗=L^−TD⁻¹L⁻¹A^Tb. wahr 7. Die Gauß-Newton Methode zur Lösung eines nichtlinearen Ausgleichsproblems kann man als Fix-

punktiteration darstellen.

wahr

8. Bei der Gauß-Newton Methode zur Lösung eines nichtlinearen Ausgleichsproblems ist die Konver- genzordnung in der Regel zwei.

falsch

9. Eine geeignete Wahl des skalaren Parametersµim Levenberg-Marquardt-Verfahren kann die Kon- vergenzordnung der Methode erhöhen.

falsch

10. Es seienm= 3,n= 2,A=





 2 0 0 1 0 1





. Bestimmen SiekRk˜ 2. 2

(3)

Numerik MB F20 IGPM – RWTH Aachen VF-5: Es seienΦ :Rⁿ→Rⁿ zweimal stetig differenzierbar undx^∗ so, dassΦ(x^∗) =x^∗gilt. Fürx0∈Rⁿ wird die Fixpunktiteration xk+1 = Φ(xk), k = 0,1,2, . . . definiert. Weiter sei Φ⁰(x) die Ableitung (Jacobi-Matrix) vonΦan der Stellex.

Weiterhin seif :Rⁿ →Rⁿ zweimal stetig differenzierbar in einer Umgebung U von x^∗ und es gelte f(x^∗) = 0 sowief⁰(x^∗)regulär.

1. Es sein= 1. Falls Φ⁰(x^∗) = 0,Φ⁰⁰(x^∗)6= 0, ist die Konvergenzordnung der Fixpunktiteration2. wahr 2. Falls die Fixpunktiteration konvergiert, so giltkΦ⁰(x^∗)k_∞<1. falsch 3. Es seienn= 1undΦ(x) =¹₃x²−¹₄x. Alle Voraussetzungen des Banachschen Fixpunktsatzes sind

fürΦauf dem Intervall[0,1]erfüllt.

falsch

4. Es sein= 1, Φ(x) = 2 cos(^x₄). Die Fixpunktiteration konvergiert für jeden Startwertx0∈R. wahr 5. Es sein= 1, Φ(x) =x²+ 2x−6. Geben Sie den eindeutigen positiven Fixpunkt vonΦan. 2 6. Die Newton-Methode zur Bestimmung der Lösungx^∗vonf(x) = 0ist lokal quadratisch konvergent. wahr 7. Eine Dämpfungsstrategie beim Newton-Verfahren dient dazu, den Einzugsbereich der Methode zu

vergrößern.

wahr

8. Wenn das Newton-Verfahren zur Bestimmung der Lösung x^∗ vonf(x) = 0 konvergiert, dann gilt für genügend großek-Werte : ||xk−x^∗|| ≈ ||xk−xk+1||.

wahr

9. Es sein= 1. Die Sekantenmethode zur Bestimmung der Nullstellex^∗vonf konvergiert nur dann, wenn die Startwertex0, x1 dieser Methode so gewählt werden, dassf(x0)f(x1)<0 gilt.

falsch

10. Es seienn= 1undf⁰(x^∗)6= 0. Weiter seiΦ(x) :=x−_f^f(x)0(x). Bestimmen SieΦ⁰(x^∗). 0

VF-6: Es seien f : R 7→ R und P(f|x₀, . . . , x_n) das Lagrange–Interpolationspolynom zu den Daten (x₀, f(x₀)), . . . ,(x_n, f(x_n)) mit a = x₀ < . . . < x_n = b. Weiterhin seien δ_n der führende Koeffizient dieses Polynoms und[x0, . . . , xn]f die dividierte Differenz der Ordnungnvonf.

1. Es sei`jn(x) = Πⁿ_k=0,k6=j_x^x−x^k

j−x_k,0≤j≤n. Dann giltf(x) =Pn

j=0f(xj)`jn(x)für allex∈R. falsch

2. Es giltP(f|x0, . . . , xn)⁽ⁿ⁾(x) =n!δn. wahr

3. Das Verfahren von Neville-Aitken ist eine effiziente Methode zur Bestimmung des Wertes P(f|x0, . . . , xn)(x)an einer vorgegebenen Stellex.

wahr

a f(x)dxsoll numerisch durch eine Quadraturformel Im(f) = (b−a)Pm

j=0wjf(xj) mit a ≤ x0 < . . . < xm ≤ b approximiert werden. Weiter sei I_mⁿ(f) die aus Im(f) konstruierte summierte Quadraturformel auf den Teilintervallen[t_j−1, tj], j = 1, . . . , n, mittj =a+jh, j= 0,1, . . . , nundh= ^b−a_n .

6. Der Exaktheitsgrad der summierten Quadraturformel I_mⁿ(f)ist größer als der vonI_m(f). falsch 7. Es seien I_m^{N C}(f)und I_m^G(f) die Newton-Cotes-Formel und die Formel der Gauß-Quadratur. Für

m≥1 gilt, dass der Exaktheitsgrad vonI_m^{N C}(f)strikt kleiner ist als der vonI_m^G(f).

wahr

8. Es seiI₂(f)die Simpsonregel. Für die summierte SimpsonregelI₂ⁿ gilt|I₂ⁿ(f)−I(f)| ≤c h⁵, wobei die Konstantecnicht vonnabhängt.

falsch

9. Es seiIm(f)die Newton-Cotes-Formel. Es gilt:I_mⁿ(f) =I(f)fallsf ein Polynom vom Gradnist. falsch 10. Es seiena= 0,b= 2undI₁(f)die Trapezregel. Berechnen SieI₁²(x³+ 1). 7

(4)

IGPM RWTH–Aachen Numerik MB F20

Aufgabe 1 (6 Punkte)

Zu beliebigem α∈R ist die Matrix

A:=





8 4 10

4 α −1

2 −1 ¹₂





gegeben.

a) Bestimmen Sie die LR–Zerlegung vonAmit Spaltenpivotisierung. Geben SieL,R und die Permutations- matrixP explizit an.

Es seien nun

L˜ =







1 0 0 0 3 1 0 0 2 0 1 0 0 1 0 1







, R˜=







2 4 4 0 0 1 1 0 0 0 3 1 0 0 0 1





 , b=





 2 6 7 0





 .

Dabei sindL˜ undR˜ die Matrizen derLR-Zerlegung vonB, d.h.B= ˜LR.˜

b) Lösen Sie das GleichungssystemBx=bmittels Vorwärts- und Rückwärtseinsetzen.

a)

A=





8 4 10

4 α −1

2 −1 ¹₂











8 4 10

1

2 α−2 −6

1

4 −2 −2







1. Fall:|α−2| ≥2, i.e. α /∈(0,4)







8 4 10

1

2 α−2 −6

1 4

2

2−α −2 + _2−α¹²





=







8 4 10

1

2 α−2 −6

1 4

2 2−α

8+2α 2−α







⇒ L=





1 0 0

1

2 1 0

1 4

2 2−α 1



, R=





8 4 10

0 α−2 −6 0 0 ^8+2α_2−α



 P=





1 0 0 0 1 0 0 0 1



.

2. Fall:|α−2|<2, i.e. α∈(0,4) Pivotisierung nach dem ersten Schritt:

⇒







8 4 10

1

4 −2 −2

1

2 α−2 −6













8 4 10

1

4 −2 −2

1 2

2−α

2 −4−α







L=





1 0 0

0.25 1 0

0.5 1−0.5α 1



, R=





8 4 10

0 −2 −2

0 0 −4−α



, P =





1 0 0 0 0 1 0 1 0



,

(4) b)Es gilt

B x=b⇔L˜R x˜ =b.

Vorwärtseinsetzen (substituiereR x˜ =y und löseL y˜ =b):







1 0 0 0 3 1 0 0 2 0 1 0 0 1 0 1





 y=





 2 6 7 0







−→y=





 2 0 3 0





 .

Rückwärtseinsetzen (mache im Anschluss die Substitution rückgängig):





2 4 4 0 0 1 1 0



x=



 2 0



−→x=



 1

−1



.

(5)

Die Funktiony(t) :=αsin(t) +βcos(t)−1soll im Sinne der kleinsten Fehlerquadrate optimal an folgende Messwerte angepasst werden:

ti 0 π/2 π y_i 2 4 3

Bestimmen Sie die Parameterαundβ optimal im Sinne der kleinsten Fehlerquadrate:

a) Formulieren Sie dazu das entsprechende lineare AusgleichsproblemkAx−bk2 →min. Geben SieA,xundb explizit an.

Wir betrachten nun das AusgleichsproblemkBx−ck2→min_x∈_R mit

B=



 3 4

−12



, c=



 7 11

−13



.

b) Lösen Sie das lineare Ausgleichsproblem mit Hilfe von Givens-Rotationen. Wie groß ist das Residuum?

Hinweis: Householder-Transformationen oder der Ansatz über Normalengleichungen werden mit 0 Punkten bewertet.

Teil a)

Die Zeilen des Ausgleichsproblems haben die FormA_i,·= sin(ti) cos(ti)

, bi=yi+ 1.

Gesucht ist also ein x^∗= argmin_x∈_R2kAx−bk2,x= (α, β)^T und

A=





0 1

1 0

0 −1



 und b=



 3 5 4



.

(1) Teil b)

Das System wird mit Givens–Rotationen auf Dreiecksgestalt gebracht.

Der Eintrag(2,1)wird eliminiert:

r=p

3²+ 4²= 5 c=3 5, s= 4

5





3 | 7

4 | 11

−12 | −13



−→





5 | 13

0 | 1

−12 | −13





Der Eintrag(3,1)wird eliminiert:

r=p

5²+ (−12)²= 13 c= 5

13, s=−12 13





5 | 13

0 | 1

−12 | −13



−→





13 | 17 0 | 1 0 | 7





Daraus erhalten wir

13x^∗= 17 ⇔ x^∗=17

13 = 1.3077.

Für das Residuum erhalten wir

res=kB x^∗−ck2=p

1²+ 7²=√

50 = 7.0711.

(4)

(6)

IGPM RWTH–Aachen Numerik MB F20 (Februar 2000: Aufgabe 4: Nullstellen von Systemen: Fixpunkt/Newton,)

2011: Aufgabe 2:, in der Form als weitere typische Klausur(rechen)aufgabe in den Übungen seit mehreren Jahren

Gegeben sei die Funktion

F(x, y) =

1

6(e^xe^−y+ ln(x+ 1))

1 8

sin ^x₂

+ y−²₅²

!

a) Zeigen Sie: In[0,1]×[0,2]hatF genau einen Fixpunkt. (Verwenden Sie diek · k₁-Norm).

b) Wieviele Iterationen sind, ausgehend vom Startwert(0,0)^T, mit dem Fixpunktverfahren höchstens erforderlich, um bezüglich der1-Norm eine Genauigkeit vonε= 0.01zu erreichen? Geben Sie einen möglichst kleinen Wert an.

Hinweis:Sollten Sie in a) keine KontraktionszahlLgefunden haben, verwenden Sie im Folgenden die1-Norm undL= e

3.

c) Geben Sie für die zweite Iterierte der Fixpunktiteration eine a-posteriori Fehlerabschätzung an.

zu a)

F(x, y) =

1

6(e^xe^−y+ ln(x+ 1)))

1 8

sin ^x₂

+ y−²₅²

!

→F⁰(x, y) =

1 6

e^xe^−y+_x+1¹

−^e^x^e₆^−y

1

16cos ^x₂ y 4 −₁₀¹

!

Selbstabbildung:

Anders als in Rgibt es für Funktionen aufRⁿ keine Monotonie. Folglich reicht es nicht aus,irgendwelche Punkte einzusetzen. Es müssen also alle einzelnen Komponenten nach oben und unten abgeschätzt werden. (hier sind alle Faktoren und Summanden positiv)

x∈[0,1] ⇒ e^x∈[1, e]⊂[1,3], ln(x+ 1)∈[0,ln 2]⊂[0,1], sinx 2

∈

0,sin 1

2

⊂

0,1 2

y∈[0,2] ⇒ e^−y∈[e⁻²,1]⊂[0,1],

y−2 5

2

∈

"

0, 8

5 2#

⊂[0,4]

Und somit

0 = 1

6(1·0 + 0)≤F1(x, y)≤1

6(3·1 + 1) =2 3 <1 0 = 1

8(0 + 0)≤F2(x, y)≤ 1 8

1 2 + 2²

= 9 16 <2 Insgesamt wird alsoD durchF sicher inD abgebildet.

kontraktiv:

D ist konvexundF ist stetig differenzierbar. Wir dürfen die Kontraktivität also durch Abschätzung einer Norm auf Dnachweisen.

Hier müssen alle einzelnen Komponenten betragsmäßig nach oben abgeschätzt werden.| |.heißt, dass wir von jeder Komponente den Betrag nehmen,< .heißt, dass wir komponentenweise vergleichen; aufDgilt dann (hier brauchen wir noch |cos(.)| ≤1 und|y/4−1/10| ≤2/5):

|F⁰(x, y)|.≤.

1

6(e+ 1) ^e₆

1 16

2 5

!

=

0.619714 0.453047 0.0625 0.4

⇒ kF⁰(x, y)k₁≤ e 6+2

5 = 0.853047≤0.9 :=L Zudem istD= [0,1]×[0,2]vollständig. Also sind alle Bedingungen des Banachschen Fixpunktsatzes erfüllt und somit folgt, dass es inD genau einen Fixpunkt gibt.

. (5)

zu b)

x0= 0

0

→ x1=F(x0) =

0.166667 0.02

→ x1−x0=

0.166667 0.02

→ kx1−x0k1= 0.186667 Die a-priori Abschätzung ergibt dann

(kxn−x^∗k1≤) Lⁿ

1−Lkx1−x0k1

!

≤ε ⇔ n≥

ln _ε_(1−L)

kx1−x0k1

ln(L) =

ln0.01 (1−0.9) 0.186667

ln(0.9) = 49.6. . .

53.6. . . fürL= e 3

.

und somit reichen 50 Iterationen aus (höchstens 50), um die geforderte Genauigkeit zu erzielen. (2) zu c)

x2=F(x1) =

0.218686 0.0284546

→ x2−x1=

0.0520198 0.00845461

→ kx2−x1k1= 0.0604744

(7)

Für die FunktionF ist eine Wertetabelle gegeben

x −3 −2 −1 0 1 2 3

F(x) 2 1.5 3.5 3 0 2 1 .

Der FunktionswertF(−0.75)soll mithilfe eines Polynoms zweiten Grades möglichst gut angenähert werden.

1. Wählen Sie geeignete Stützstellen für diese Annäherung. Begründen Sie Ihre Antwort.

2. Berechnen Sie zu den in a) bestimmten Stützstellen den entsprechenden Näherungswert mit dem Neville- Aitken-Schema. Sollten Sie keine Stützstellen bestimmt haben, verwenden Siex₀=−1,x₁= 0undx₂= 1.

3. Geben Sie eine möglichst gute Fehlerabschätzung für den in Aufgabenteil b) berechnteten Näherungswert an.

Hinweis: Für allen≥2und alle x∈[−3,3]gilt:|F⁽ⁿ⁾(x)| ≤ ⁿ²₂⁻¹.

Teil a)Für das Polynom p2 müssen wir 3 Tabellenwerte benutzen, da wir ein Interpolationspolynom vom Grad 2 konstruieren.

Der Knotenpolynom-Anteil in der Fehlerformel soll minimiert werden.

Die Wahlx₀=−2,x₁=−1undx₂= 0 ergibt:|(−0.75−(−2))·(−0.75−(−1))·(−0.75−0)|= ¹⁵₆₄. Die Wahlx₀=−1,x₁= 0undx₂= 1ergibt:|(−0.75−(−1))·(−0.75−0)·(−0.75−1)|= ²¹₆₄.

Der Knotenpolynom-Anteil in der Fehlerformel wird also durch die Wahlx₀=−2,x₁=−1undx₂= 0minimiert.

. (1)

Teil b)Tableau:

xi Pi,0 Pi,1 Pi,2

−2 1.5

&

−1 3.5 → 3.5 +_{−1−(−2)}^3.5−1.5 (−0.75−(−1)) = 4

& &

0 3 → 3 + ₀₋₍₋₁₎^3−3.5 (−0.75−0) = 3.375 → 3.375 + ^3.375−4₀₋₍₋₂₎(−0.75−0) = 3.6094

& &

1 0 → 0 + ⁰⁻³₁₋₀(−0.75−1) = 5.25 → 5.25 +^5.25−3.375₁₋₍₋₁₎ (−0.75−1) = 3.6094

AlsoF(−0.75)≈p2(−0.75) = 3.6094 (2)

Teil c)Die Fehlerformel lautet:

|F(−0.75)−p2(−0.75)| ≤ 1 3! max

x∈[x0,x₂]|f⁽³⁾(x)| · |(−0.75−x0)(−0.75−x1)(−0.75−x2)|.

Mit dem Hinweis folgt:

|F(−0.75)−p2(−0.75)| ≤ 1

6 ·3²−1 2 ·15

64 = 5

32 = 0.15625.

(bzw.|F(−0.75)−p2(−0.75)| ≤ ¹₆·³²₂⁻¹· ²¹₆₄= ₃₂⁷ = 0.21875) (2)

(8)

Gegeben sei die Funktionf(x) := exp(cos(x²)).

Gesucht ist eine numerische Approximation des IntegralsR1

−1f(x)dx.

a) Zeichnen Sie die Fläche, die mithilfe dersummierten Mittelpunktsregelmitn= 4Unterteilungen gerech- net wird, in die Abbildung (s.u.) ein. Tragen Sie die numerischen Werte der Stellen, an denenf ausgewertet werden muss, in die Skizze ein.

b) Bestimmen Sie für die summierte Trapezregel eine geeignete Anzahl an Teilintervallen n, so dass der Quadraturfehler höchstensε= 0.4 beträgt.

Hinweis:Fürx∈[−1,1]gilt:|f⁰(x)| ≤4,|f⁽²⁾(x)| ≤6,|f⁽³⁾(x)| ≤30und|f⁽⁴⁾(x)| ≤120.

c) Führen Sie die Berechnung der summierten Trapezregel fürn= 4Teilintervallen durch.

Teil a)f wird an den Punkten−0.75, −0.25,0.25und0.75ausgewertet.

−1.5 −1 −0.5 0.5 1 1.5

0.5 1 1.5 2 2.5

0.21132

−0.75 −0.25 0.25 0.75

x

f(x)

(2)

Teil b)

Mit der Fehlerformel der summierten Trapezregel gilt:

T(h)− Z 1

−1

f(x)dx

≤b−a

12 ·h²· max

x∈[a,b]|f⁽²⁾(x)|= (b−a)³ 12 · 1

n² · max

x∈[a,b]|f⁽²⁾(x)|

Hinweis

≤ 8 12 · 1

n² ·6

!

≤ε Nachnumgeformt ergibt dies:

n≥ r4

ε = r 4

0.4 ≈3.1. . .

Also werdenn= 4Teilintervalle benötigt. (2)

Teil c)

21

(−1) + (−0.5) + 1