数学模型介绍.ppt

引 言,数学建模竞赛，就是一项数学应用题比赛。大家都做过数学应用题吧，比如说,“,树上有十只鸟，开枪打死一只，还剩几只,”,，这样的问题就是一道数学应用题,(,应该是小学生的吧,),，正确答案应该是,9,只，是吧？这样的题照样是数学建模题，不过答案就不重要了，重要的是过程。真正的数学建模高手应该这样回答这道题：,“,树上有十只鸟，开枪打死一只，还剩几只？”,“,是无声手枪或别的无声的枪吗？”,“,不是。”,“,枪声有多大？”,“80,100,分贝。”,“,那就是说会震的耳朵疼？”,“,是。”,“,在这个城市里打鸟犯不犯法？”,“,不犯。”,“,您确定那只鸟真的被打死啦？”,“,确定。”,“OK,，树上的鸟里有没有聋子？”,“,没有。”,“,有没有关在笼子里的？”,“,没有。”,“,边上还有没有其他的树，树上还有没有其他鸟？”,“,没有。”,“,有没有残疾的或饿的飞不动的鸟？”,“,没有。”,“,算不算怀孕肚子里的小鸟？”,“,不算。”,“,打鸟的人眼有没有花？保证是十只？”,“,没有花，就十只。”,“,有没有傻的不怕死的？”,“,都怕死。”,“,会不会一枪打死两只？”,“,不会。”,“,所有的鸟都可以自由活动吗？”,“,完全可以。”,“,如果您的回答没有骗人，,打死的鸟要是挂在树上没掉下来，那么就剩一只，,如果掉下来，就一只不剩。”,不是开玩笑，这就是数学建模。从不同的角度思考一个问题，想尽所有的可能，正所谓的智者千虑，绝无一失，这，才是数学建模的高手。,第,一,讲 建立数学模型,1.1,从现实对象到数学模型,1.2,数学建模的重要意义,1.3,数学建模示例,1.4,数学建模的方法和步骤,1.5,数学模型的特点和分类,1.6,怎样学习数学建模,玩具、照片、飞机、火箭模型,实物模型,水箱中的舰艇、风洞中的飞机,物理模型,地图、电路图、分子结构图,符号模型,模型是为了一定目的，对客观事物的一部分,进行简缩、抽象、提炼出来的原型的替代物,模型集中反映了原型中人们需要的那一部分特征,1.1,从现实对象到数学模型,我们常见的模型,你碰到过的数学模型,“,航行问题,”,用,x,表示船速，,y,表示水速，列出方程：,答：船速每小时,20,千米,/,小时,.,甲乙两地相距,750,千米，船从甲到乙顺水航行需,30,小时，,从乙到甲逆水航行需,50,小时，问船的速度是多少,?,x,=,20,y,=,5,求解,航行问题建立数学模型的基本步骤,作出简化假设,（船速、水速为常数）；,用符号表示有关量,（,x,y,表示船速和水速）；,用物理定律,（匀速运动的距离等于速度乘以,时间）,列出数学式子,（二元一次方程）；,求解得到数学解答,（,x,=20,y,=5,）；,回答原问题,（船速每小时,20,千米,/,小时）。,数学模型 和 数学建模,数学模型,(Mathematical Model),对于现实中的原型,(,现实对象,),，为了某个特定目的，根据其,内在规律，,作出一些必要的,简化和假设,，运用适当的,数学工具,得到的一个,数学结构,。也可以说，数学建模是利用,数学语言,（符号、式子与图象）模拟现实的模型。把现实模型抽象、简化为某种数学结构是数学模型的基本特征。它或者能解释特定现象的现实状态，或者能预测到对象的未来状况，或者能提供处理对象的最优决策或控制。,数学建模,（,Mathematical Modeling),数学模型 和 数学建模,把现实世界中的实际问题加以提炼，抽象为数学模型，求出模型的解，验证模型的合理性，并用该数学模型所提供的解答来解释现实问题，我们把数学知识的这一应用过程称为数学建模。,数学模型的全过程包括表述、求解、解释、检验等。,数学竞赛给人的印象是高深莫测的数学难题，和一个人、一支笔、一张纸，关在屋子里的冥思苦想，它训练严密的逻辑推理和准确的计算能力，而数学建模竞赛从内容到形式与此都有明显的不同。,数学建模竞赛的题目由日常生活、工程技术和管理科学中的实际问题简化加工而成，大家可以从网上找到历年的赛题，它们对数学知识要求不深，一般没有事先设定的标准答案，但留有充分余地供参赛者发挥其聪明才智和创造精神。,数学建模竞赛,什么是数学建模竞赛,大学生数学模型竞赛是全球范围内数学界最重要的竞赛之一，,1994,年以来全国大学生数学建模竞赛已为少数几项大学生课外活动和竞赛活动之一。,大学生数学建模竞赛培养学生什么样的能力,?,经过,10,多年来广大参赛同学,和指导教师的总结，至少有以下几方面是值得提出的：,一、应用数学进行分析、推理、计算能力，特别是双向翻译的能力大大提高。,二、应用计算机、数学软件以及因特网的能力大大提高。,三、获得应变能力的培养。,四、培养和发展同学们的创造力、想象力、联想力和洞察力。五、培养学生组织、管理、协调合作以及仪式妥协的能力。六、培养了交流、表达和写作能力。,数学建模竞赛,数学建模竞赛的意义,数学建模竞赛以通讯形式进行，三名大学生组成一队，可以自由地收集资料、调查研究，使用计算机和任何软件，甚至上网查询，但不得与队外任何人讨论。在三天时间内，完成一篇包括模型的假设、建立和求解，计算方法的设计和计算机实现，结果的分析和检验，模型的改进等方面的论文。竞赛评奖以假设的合理性、建模的创造性、结果的正确性和文字表述的清晰程度为主要标准。,可以看出，这项竞赛与学生毕业以后工作时的条件非常相近，是对学生业务、能力和素质的全面培养，特别是开放性思维和创新意识。,数学建模竞赛,数学建模竞赛的形式,竞赛是由教育部高教司和中国工业与应用数学学会共同主办的，每年,9,月下旬举行，今年是,9,月,9,日至,11,日。竞赛面向全国大专院校的学生，不分专业。今年我院组成十五队参加竞赛。,数学建模竞赛,怎样参加数学建模竞赛,2006,年全国一等奖获得者：,谭于超：城建学部,05,级土木 曾晓波：城建学部,04,级土木 胡德丽：信息工程学部,04,级信计,2007,年省三等奖,获得者,：,邓星星：城建学部,06,级土木 彭振庭：信息工程学部,05,级计科 严新林：信息工程学部,05,级信科,2008,年省三等奖,获得者,：,王 锐：信息工程学部,06,级信计 余鲁鑫：城建学部,08,级土木 周峥嵘：城建学部,08,级土木,2008,年省二等奖获得者：,邱 丰：经管学部,06,级国贸 汪燕霞：信息工程学部,06,级信计 罗 强：机电工程学部,07,级机电,2009,年省二等奖,获得者：,邓星星：城建学部,06,级土木 陶小娟：经管学部,08,级工管 董丽娜：经管学部,08,级工管,2009,年省二等奖获得者：,罗 强：机电工程学部,07,级机电 江 媛：机电工程学部,08,级机电 王 冬：机电工程学部,08,级机电,2010,年省三等奖获得者：,张杰俊：,08,建筑工程,1,班 汪佳亮：,08,建筑工程,2,班 袁宽：,08,建筑工程,2,班,历年两院取得的成绩,1.2,数学建模的重要意义,电子计算机的出现及飞速发展；,数学以空前的广度和深度向一切领域渗透。,数学建模作为用数学方法解决实际问题的第一步，,越来越受到人们的重视。,在一般工程技术领域数学建模仍然大有用武之地；,在高新技术领域数学建模几乎是必不可少的工具；,数学进入一些新领域，为数学建模开辟了许多处女地。,数学建模的具体应用,分析与设计,预报与决策,控制与优化,规划与管理,数学建模,计算机技术,知识经济,如虎添翼,1.3,数学建模示例,1,.,3.1,椅子能在不平的地面上放稳吗,问题分析,模型假设,通常,三只脚着地,放稳,四只脚着地,四条腿一样长，椅脚与地面点接触，四脚连线呈正方形,;,地面高度连续变化，可视为数学上的连续曲面,;,地面相对平坦，使椅子在任意位置至少三只脚同时着地。,模型构成,用数学语言把椅子位置和四只脚着地的关系表示出来,椅子位置,利用正方形,(,椅脚连线,),的对称性,x,B,A,D,C,O,D,C,B,A,用,(,对角线与,x,轴的夹角,),表示椅子位置,四只脚着地,距离是,的函数,四个距离,(,四只脚,),A,C 两脚与地面距离之和,f,(,),B,D 两脚与地面距离之和,g,(,),两个距离,椅脚与地面距离为零,正方形,ABCD,绕O点旋转,正方形对称性,用数学语言把椅子位置和四只脚着地的关系表示出来,f,(,),g,(,)是,连续函数,对任意,f,(,),g,(,),至少一个为,0,数学问题,已知：,f,(,),g,(,)是,连续函数,;,对任意,，,f,(,),g,(,)=0;,且,g,(,0,)=0,，,f,(,0,)0.,证明：存在,0,，使,f,(,0,)=,g,(,0,)=0.,模型构成,地面为连续曲面,椅子在任意位置至少三只脚着地,模型求解,给出一种简单、粗糙的证明方法,将椅子,旋转90,0,，对角线,AC和,BD,互换。,由,g,(,0,)=0,，,f,(,0,)0,，知,f,(,/2,)=0,g,(,/2,)0.,令,h,(,)=,f,(,),g,(,),则,h,(0)0,和,h,(,/2,)0.,由,f,g,的连续性知,h,为连续函数,据连续函数的基本性质,必存在,0,使,h,(,0,)=0,即,f,(,0,)=,g,(,0,).,因为,f,(,),g,(,)=0,所以,f,(,0,)=,g,(,0,)=0.,评注和思考,建模的关键,假设条件的本质与非本质,考察四脚呈长方形的椅子,和,f,(,),g,(,),的确定,1.,3.2,商人们怎样安全过河,问题,(,智力游戏,),3,名商人,3,名随从,随从们密约,在河的任一岸,一旦随从的人数比商人多,就杀人越货,.,但是乘船渡河的方案由商人决定,.,商人们怎样才能安全过河,?,问题分析,多步决策过程,决策,每一步,(,此岸到彼岸或彼岸到此岸,),船上的人员,要求,在安全的前提下,(,两岸的随从数不比商人多,),经有限步使全体人员过河,.,河,小船,(,至多,2,人,),模型构成,x,k,第,k,次渡河前此岸的商人数,y,k,第,k,次渡河前此岸的随从数,x,k,y,k,=0,1,2,3;,k,=1,2,s,k,=(,x,k,y,k,),过程的状态,S=(,x,y,),x,=0,y,=0,1,2,3;,x,=3,y,=0,1,2,3;,x,=,y,=1,2,S 允许状态集合,u,k,第,k,次渡船上的商人数,v,k,第,k,次渡船上的随从数,d,k,=(,u,k,v,k,),决策,D=(,u,v,),u+v,=,1,2 允许,决策,集合,u,k,v,k,=0,1,2;,k,=1,2,s,k,+1,=,s,k,d,k,+(-1),k,状态转移律,求,d,k,D(,k,=1,2,n),使,s,k,S,并,按,转移律,由,s,1,=(3,3),到达,s,n,+1,=(0,0).,多步决策问题,模型求解,x,y,3,3,2,2,1,1,0,穷举法,编程上机,图解法,状态,s,=(,x,y,)16,个格点,10,个 点,允许决策,移动,1,或,2,格,;,k,奇,左下移,;,k,偶,右上移,.,s,1,s,n,+1,d,1,，,d,11,给出安全渡河方案,评注和思考,规格化方法,易于推广,考虑,4,名商人各带一随从的情况,d,1,d,11,允许状态,S=(,x,y,),x,=0,y,=0,1,2,3;,x,=3,y,=0,1,2,3;,x=y,=1,2,背景,年,1625 1830 1930 1960 1974 1987 1999,人口,(,亿,)5 10 20 30 40 50 60,世界人口增长概况,中国人口增长概况,年,1908 1933 1953 1964 1982 1990 1995 2000,人口,(,亿,)3.0 4.7 6.0 7.2 10.3 11.3 12.0 13.0,研究人口变化规律,控制人口过快增长,1.3.3,如何预报人口的增长,指数增长模型,马尔萨斯提出,(,1798,),常用的计算公式,x,(,t,)时刻,t,的人口,基本假设,:,人口增长率,r,(,单位时间内人口的增长量,与当时的人口呈正比,),是常数,今年人口,x,0,年增长率,r,k,年后人口,随着时间增加，人口按指数规律无限增长,指数增长模型的应用及局限性,与,19,世纪以前欧洲一些地区人口统计数据吻合,适用于,19,世纪后迁往加拿大的欧洲移民后代,可用于短期人口增长预测,不符合,19,世纪后多数地区人口增长规律,不能预测较长期的人口增长过程,19,世纪后人口数据,人口增长率,r,不是常数,(,逐渐下降,),阻滞增长模型,(,Logistic,模型,),人口增长到一定数量后，增长率下降的原因：,资源、环境等因素对人口增长的阻滞作用,且阻滞作用随人口数量增加而变大,假设,r,固有增长率,(,x,很小时,),x,m,人口容量（资源、环境能容纳的最大数量）,r,是,x,的减函数,dx,/,dt,x,0,x,m,x,m,/2,x,m,t,x,0,x,(,t,)S形曲线,x,增加先快后慢,x,0,x,m,/2,阻滞增长模型,(,Logistic,模型,),参数估计,用指数增长模型或阻滞增长模型作人口,预报，必须先估计模型参数,r,或,r,x,m,利用统计数据用最小二乘法作拟合,例：美国人口数据（单位,百万）,1860 1870 1880 1960 1970 1980 1990,31.4 38.6 50.2 179.3 204.0 226.5 251.4,专家估计,阻滞增长模型,(,Logistic,模型,),r,=0.2557,x,m,=392.1,模型检验,用模型计算,2000,年美国人口，与实际数据比较,实际为,281.4(,百万,),模型应用,预报美国,2010,年的人口,加入,2000,年人口数据后重新估计模型参数,Logistic,模型在经济领域中的应用,(,如耐用消费品的售量,),阻滞增长模型,(,Logistic,模型,),r,=0.2490,x,m,=434.0,x,(2010)=306.0,数学建模的基本方法,机理分析,测试分析,根据对客观事物特性的认识，,找出反映内部机理的数量规律,将对象看作“黑箱”,通过对量测数据的,统计分析，找出与数据拟合最好的模型,机理分析没有统一的方法，主要通过实例研究,(Case Studies),来学习。以下建模主要指机理分析。,二者结合,用机理分析建立模型结构,用测试分析确定模型参数,数学建模的方法和步骤,数学建模的一般步骤,模型准备,模型假设,模型构成,模型求解,模型分析,模型检验,模型应用,数学建模的一般步骤,模,型,准,备,了解实际背景,明确建模目的,搜集有关信息,掌握对象特征,形成一个,比较清晰,的问题,了解问题的实际背景，明确建模目的，搜集必要的信息如现象、数据等。尽量弄清对象的主要特征，形成一个比较清晰的“问题”，由此确定用哪一类模型。情况明才能方法对。在模型准备阶段要深入调查研究，尽量掌握第一手资料。用数学语言来描述问题。,模,型,假,设,针对问题特点和建模目的,作出合理的、简化的假设,在合理与简化之间作出折中,数学建模的一般步骤,根据实际对象的特征和建模的目的，抓住问题的本质，忽略次要因素，作出必要的、合理的简化假设。对于建模的成败是非常重要和困难的一步。假设作的不合理或太简单，会导致错误的或无用的模型；假设作的过分详细，试图吧复杂对象的众多因素都考虑进去，会使你很难或无法继续下一步的工作。常常要在合理与简化之间作出恰当的折中。通常，作假设的依据，一是处于对问题内在规律的认识，二是来自对现象、数据的分析，以及二者的综合。想像力、洞察力、判断力，以及经验，在模型假设中起着重要作用。,模,型,构,成,用数学的语言、符号描述问题,发挥想像力,使用类比法,尽量采用简单的数学工具,数学建模的一般步骤,根据所作的假设分析对象的因果关系，利用对象的内在规律和适当的数学工具，构造各个量间的等式关系或其它数学结构。有高数、概率统计、图论、排队论、线性规划、对策论等等。建模时还应遵循一个原则：尽量采用简单的数学工具，因为你的模型总是希望更多的人了解和使用，而不是只供少数专家欣赏。,模型,求解,各种数学方法、软件和计算机技术,数学建模的一般步骤,利用获取的数据资料，对模型的所有参数做出计算（估计）。可以采用解方程、画图形、证明定理、逻辑运算、数值运算等各种传统的和近代的数学方法，特别是计算机技术。一道实际问题的解决往往需要纷繁的计算，许多时候还得将系统运行情况用计算机模拟出来，因此编程和熟悉数学软件包能力便举足轻重。,要求：掌握,matlab,6.x,如结果的误差分析、统计分析、,模型对数据的稳定性分析,模型,分析,数学建模的一般步骤,对所得的结果进行数学上的分析，能否对模型结果作出细致精当的分析，决定了你的模型能否达到更高的档次。要记住，不论那种情况都需进行误差分析，数据稳定性分析。,模型,检验,与实际现象、数据比较，,检验模型的合理性、适用性,数学建模的一般步骤,将模型分析结果与实际情形进行比较，以此来验证模型的准确性、合理性和适用性。如果模型与实际较吻合，则要对计算结果给出其实际含义，并进行解释。如果模型与实际吻合较差,则应该修改假设，在次重复建模过程。,模型应用,数学建模的全过程,现实对象的信息,数学模型,现实对象的解答,数学模型的解答,表述,求解,解释,验证,(,归纳,),(,演绎,),表述,求解,解释,验证,根据建模目的和信息将实际问题“翻译”成数学问题,选择适当的数学方法求得数学模型的解答,将数学语言表述的解答“翻译”回实际对象,用现实对象的信息检验得到的解答,实践,现实世界,数学世界,理论,实践,1.5,数学模型的特点和分类,模型的逼真性和可行性,模型的渐进性,模型的强健性,模型的可转移性,模型的非预制性,模型的条理性,模型的技艺性,模型的局限性,数学模型的特点,数学模型的分类,应用领域,人口、交通、经济、生态,数学方法,初等数学、微分方程、规划、统计,表现特性,描述、优化、预报、决策,建模目的,了解程度,白箱,灰箱,黑箱,确定和随机,静态和动态,线性和非线性,离散和连续,1.6,怎样学习数学建模,数学建模与其说是一门技术，不如说是一门艺术,技术大致有章可循,艺术无法归纳成普遍适用的准则,想像力,洞察力,判断力,学习、分析、评价、改进别人做过的模型,亲自动手，认真作几个实际题目,推荐教材：,推荐优秀网站：,