Правила приближённых вычислений
Числа точные и приближенные
Числа, с которыми мы встречаемся на практике, бывают двух родов. Одни имеют точное значение величины, другие – только приблизительное. Чаще всего удобно пользоваться приближенным числом вместо точного, тем более, что во многих случаях точное число вообще найти невозможно.
Так, если говорят, что в классе есть 29 учеников, то число 29 – точное. Если же говорят, что расстояние от Москвы до Киева равно 960 км, то здесь число 960 – приближенное, так как, с одной стороны, наши измерительные инструменты не абсолютно точны, с другой стороны, сами города имеют некоторую протяженность.
Результат действий с приближенными числами есть тоже приближенное число. Выполняя некоторые действия над точными числами (деление, извлечение корня), можно также получить приближенные числа.
Теория приближенных вычислений позволяет:
1) зная степень точности данных, оценить степень точности результатов;
2) брать данные с надлежащей степенью точности, достаточной для обеспечения требуемой точности результата;
3) рационализировать процесс вычисления, освободив его от тех выкладок, которые не окажут влияния на точность результата.
Приближенные вычисления
Выполняя вычисления, всегда необходимо помнить о той точности, которую нужно или которую можно получить. Недопустимо вести вычисления с большой точностью, если данные задачи не допускают или не требуют этого (например, семизначная таблица логарифмов при вычислениях с числами, имеющими 5 значащих цифр – избыточна). Твёрдое знакомство с правилами приближенных вычислений необходимо каждому, кому приходится вычислять.
Действия над приближенными числами
Результат действий над приближёнными числами представляет собой также приближённое число. Погрешность результата может быть выражена через погрешности первоначальных данных при помощи следующих теорем:
1. Предельная абсолютная погрешность алгебраической суммы равна сумме предельных абсолютных погрешностей слагаемых.
2. Относительная погрешность суммы заключена между наибольшей и наименьшей из относительных погрешностей слагаемых.
3. Относительная погрешность произведения или частного равна сумме относительных погрешностей сомножителей или, соответственно, делимого и делителя.
4. Относительная погрешность n -ой степени приближенного числа в n раз больше относительной погрешности основания (как у целых, так и для дробных n).
Пользуясь этими теоремами, можно определить погрешность результата любой комбинации арифметических действий над приближенными числами.
Предельная абсолютная погрешность заведомо превосходит абсолютную величину истинной погрешности, поскольку предельное значение вычисляется в предположения, что различные погрешности усиливают друг друга; практически это бывает редко. При массовых вычислениях, когда не учитывают погрешность каждого отдельного результата, пользуются следующими правилами подсчета цифр.
При соблюдении этих правил можно считать, что в среднем полученные результаты будут иметь все знаки верными, хотя в отдельных случаях возможна ошибка в несколько единиц последнего знака.
1. При сложении и вычитании приближённых чисел в результате следует сохранять столько десятичных знаков, сколько их в приближённом данном с наименьшим числом десятичных знаков.
Пример. Найти сумму приближенных чисел 127,42; 67,3; 0,12 и 3,03.
Решение. 127,42+67,3+0,12+3,03=197,87=197,9.
Пример. Найти разность чисел: 418,7 – 39,832
Решение. 418,7 – 39,832=378,87=378,9.
2. При умножении и делении в результате следует сохранять столько значащих цифр, сколько их имеет приближённое данное с наименьшим числом значащих цифр.
Пример. Умножить приближенные числа 3,4 и 12,32.
Решение. 3,4×12,32=41,8888=42.
Пример. Площадь прямоугольной грядки приближенно равна 7,6 м 2, ширина 2,38 м. Чему равна ее длина?
Решение. Длина грядки равна частному от деления 7,6 на 2,38.
Действие деления выполняют так: 7,6:2,38 м =3,19 м =3,2 м.
Последнюю цифру частного 9 можно было и не писать, а, получив в частном две значащие цифры, заметив, что остаток больший половины делителя, округлить частное с избытком.
3. При возведении в квадрат или куб в результате следует сохранять столько значащих цифр, сколько их имеет возводимое в степень приближённое число (последняя цифра квадрата и особенно куба при этом менее надежна, чем последняя цифра основания).
Примеры.
2,32 = 5,29 = 5,3;
0,83 = 0,512 = 0,5.
4. При увеличении квадратного и кубического корней в результате следует брать столько значащих цифр, сколько их имеет приближённое значение подкоренного числа (последняя цифра квадратного и особенно кубического корня при этом более надёжна, чем последняя цифра подкоренного числа).
5. Во всех промежуточных результатах следует сохранять одной цифрой более, чем рекомендуют предыдущие правила. В окончательном результате эта (запасная) цифра отбрасывается.
6. Если некоторые данные имеют больше десятичных знаков (при сложении и вычитании) или больше значащих цифр (при умножении, делении, возведении в степень, извлечении корня), чем другие, то их предварительно следует округлить, сохраняя лишь одну лишнюю цифру.
Применение правил
Применение вычислений способом подсчета цифр рассмотрим на примере.
Пример. Найти значение 
, если а = 9,31; b = 3,1; с = 2,33.
Решение (подчёркнуты запасные цифры). а – b = 9,31 – 3,1 = 6,2 1;
(а – b) с = 6,2 1 ×2,33 = 14, 5;
а + b = 9,31 + 3,1 = 12,4 1;
х = 14, 5:12,4 1 = 1,1 7.
Ответ. х = 1,2.
Примечание. Сформулированные выше правила подсчета цифр имеют вероятностный смысл: они наиболее вероятны, хотя существуют примеры, не удовлетворяющие этим правилам. Поэтому вычисления способом подсчета цифр – самый грубый способ оценки погрешности результатов действий. Однако он очень прост и удобен, а точность таких вычислений вполне достаточна для большинства технических расчётов. Поэтому этот способ широко распространен в вычислительной практике.
В более ответственных вычислениях пользуются способом границ или способом граничных погрешностей.
