第1講基礎(chǔ)知識及題分析

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1、基礎(chǔ)知識部分錢淑渠安順學(xué)院數(shù)計系2011年7月一、數(shù)學(xué)模型的定義一、數(shù)學(xué)模型的定義就是為了某種目的，用字母、數(shù)字及其它數(shù)學(xué)符號建立起來的等式或不等式以及圖表、圖象、框圖等描述客觀事物的特征及其內(nèi)在聯(lián)系的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)表達(dá)式。n歐幾里德幾何就是一個古老的數(shù)學(xué)模型，牛頓萬有引力定律也是數(shù)學(xué)建模的一個光輝典范。 二、建模的基本步驟二、建模的基本步驟YesNon1. 模型準(zhǔn)備模型準(zhǔn)備 要了解問題的實(shí)際背景，明確建模目的，搜集必需的各種信息，盡量弄清對象的特征。 學(xué)院圖書館-維普，中國知網(wǎng)等n2. 模型假設(shè)模型假設(shè) 根據(jù)對象的特征和建模目的，對問題進(jìn)行必要的、合理的簡化，用精確的語言作出假設(shè)，是建模至關(guān)重

2、要的一步。n3. 模型構(gòu)建模型構(gòu)建 根據(jù)所作的假設(shè)分析對象的因果關(guān)系，利用對象的內(nèi)在規(guī)律和適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)工具，構(gòu)造各個量間的等式關(guān)系或其它數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)。n4. 模型求解模型求解 可以采用解方程、畫圖形、證明定理、邏輯運(yùn)算、數(shù)值運(yùn)算等各種傳統(tǒng)的和近代的數(shù)學(xué)方法，特別是計算機(jī)技術(shù)。n5. 模型檢驗(yàn)及分析模型檢驗(yàn)及分析 對模型解答進(jìn)行數(shù)學(xué)上的分析。檢驗(yàn)?zāi)Ｐ褪欠穹蠈?shí)際想象。三、數(shù)模競賽的指導(dǎo)思想三、數(shù)模競賽的指導(dǎo)思想n數(shù)模競賽題是一個“課題”，大部分都源于生產(chǎn)實(shí)際或者科學(xué)研究的過程中，它是一個綜合性的問題，數(shù)據(jù)龐大，需要用計算機(jī)來完成。其答案往往不是唯一的（數(shù)學(xué)模型是實(shí)際的模擬，是實(shí)際問題的近似表達(dá)，它的完

3、成是在某種合理的假設(shè)下，因此其只能是較優(yōu)的，不唯一的），呈報的成果是一編“論文”。四、競賽中的常見題型四、競賽中的常見題型1. 實(shí)際問題背景實(shí)際問題背景 涉及面寬有社會，經(jīng)濟(jì)，管理，生活，環(huán)境，自然現(xiàn)象，工程技術(shù)，現(xiàn)代科學(xué)中出現(xiàn)的新問題等。2 . 若干假設(shè)條件若干假設(shè)條件 1）只有過程、規(guī)則等定性假設(shè)，無具體定量數(shù)據(jù)；2）給出若干實(shí)測或統(tǒng)計數(shù)據(jù)；3）給出若干參數(shù)或圖形； 4）蘊(yùn)涵著某些機(jī)動、可發(fā)揮的補(bǔ)充假設(shè)條件，或參賽者可以根據(jù)自己收集或模擬產(chǎn)生數(shù)據(jù)。3. 要求回答的問題要求回答的問題 有幾個問題，而且一般不是唯一答案。1）比較確定性的答案（基本答案）；2）更細(xì)致或更高層次的討論結(jié)果（往往是討

4、論最優(yōu)方案的提法和結(jié)果）。 五、歷年試題五、歷年試題n1993年A題 非線性交調(diào)的頻率設(shè)計 n1993年B題 球隊(duì)排名問題 n1994年A題 逢山開路 n1994年B題 鎖具裝箱 n1995年A題 一個飛行管理模型 n1995年B題 天車與冶煉爐的作業(yè)調(diào)度 n1996年A題 最優(yōu)捕魚策略 n1996年B題 節(jié)水洗衣機(jī) n1997年A題 零件的參數(shù)設(shè)計 n1997年B題 截斷切割 n1998年A題 投資的收益和風(fēng)險n1998年B題 災(zāi)情巡視路線 n1999年A題 自動化車床管理 n1999年B題 鉆井布局 n2000年A題 DNA序列分類 n2000年B題 鋼管定購和運(yùn)輸 n2001年A題 血管

5、的三維重建 n2001年B題 公交車調(diào)度 n2002年A題 車燈線光源的優(yōu)化設(shè)計n2002年B題 彩票中的數(shù)學(xué)n2003年A題 SARS的傳播n2003年B題 露天礦生產(chǎn)的車輛安排n2004年A題 奧運(yùn)會臨時超市網(wǎng)點(diǎn)設(shè)n2004年B題 電力市場的輸電阻塞管理 n2005年A題 長江水質(zhì)的評價和預(yù)測n2005年B題 DVD在線租賃n2006年A題 出版社的資源配置n2006年B題 艾滋病療法的評價及療效的預(yù)測n2007年A題 中國人口增長預(yù)測n2007年B題 乘公交，看奧運(yùn) n2008年A題 數(shù)碼相機(jī)定位n2008年B題 高等教育學(xué)費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)探討n2009年A題 制動器試驗(yàn)臺的控制方法n2009年B

6、題 眼科病床的合理安排n2010年A題 儲油罐的變位識別與罐容表標(biāo)定n2010年B題 2010年上海世博會影響力的定量評估 1 1、從問題的實(shí)際意義分析、從問題的實(shí)際意義分析 從實(shí)際意義方面分析從實(shí)際意義方面分析, ,大體上可以分為大體上可以分為工業(yè)、農(nóng)業(yè)工業(yè)、農(nóng)業(yè)、工程設(shè)計、交通運(yùn)輸、經(jīng)濟(jì)管理、生物醫(yī)學(xué)和社會、工程設(shè)計、交通運(yùn)輸、經(jīng)濟(jì)管理、生物醫(yī)學(xué)和社會事業(yè)事業(yè)等七個大類。等七個大類。 工業(yè)類工業(yè)類：電子通信、機(jī)械加工電子通信、機(jī)械加工 與制造、機(jī)械設(shè)計與與制造、機(jī)械設(shè)計與 控制等行業(yè)控制等行業(yè), ,共有共有8 8個個 題，占題，占28.6%28.6%。農(nóng)業(yè)類：農(nóng)業(yè)類：個題，占個題，占3.6

7、%3.6%。工程設(shè)計類工程設(shè)計類: : 3 3個題，占個題，占10.7%10.7%。交通運(yùn)輸類：交通運(yùn)輸類：3 3個題，占個題，占10.7%10.7%經(jīng)濟(jì)管理類：經(jīng)濟(jì)管理類：4 4個題，占個題，占14.3%14.3%生物醫(yī)學(xué)類：生物醫(yī)學(xué)類：4 4個題，占個題，占14.3%14.3%社會事業(yè)類社會事業(yè)類: : 5 5個題，占個題，占17.8%17.8% 有的問題屬于交叉的，或者是邊緣的。有的問題屬于交叉的，或者是邊緣的。2 2、從問題的解決方法上分析、從問題的解決方法上分析 從問題的解決方法上分析，涉及到的數(shù)學(xué)建模方從問題的解決方法上分析，涉及到的數(shù)學(xué)建模方法有幾何理論、組合概率、統(tǒng)計分析、優(yōu)化

8、方法、法有幾何理論、組合概率、統(tǒng)計分析、優(yōu)化方法、圖論、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、層次分析、插值與擬合、差分方圖論、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、層次分析、插值與擬合、差分方法、微分方程、排隊(duì)論、模糊數(shù)學(xué)、隨機(jī)決策、多法、微分方程、排隊(duì)論、模糊數(shù)學(xué)、隨機(jī)決策、多目標(biāo)決策、隨機(jī)模擬、灰色系統(tǒng)理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、目標(biāo)決策、隨機(jī)模擬、灰色系統(tǒng)理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、時間序列、綜合評價方法、機(jī)理分析等方法。時間序列、綜合評價方法、機(jī)理分析等方法。 用的最多的方法是優(yōu)化方法和概率統(tǒng)計的方法用的最多的方法是優(yōu)化方法和概率統(tǒng)計的方法. . 用到優(yōu)化方法的共有用到優(yōu)化方法的共有1919個題，占總數(shù)的個題，占總數(shù)的67.9%67.9%，其中整數(shù)規(guī)劃其中整數(shù)規(guī)

9、劃4 4個，線性規(guī)劃個，線性規(guī)劃4 4個，非線性規(guī)劃個，非線性規(guī)劃1414個個, ,多目標(biāo)規(guī)劃多目標(biāo)規(guī)劃4 4個。個。 用到概率統(tǒng)計方法的有用到概率統(tǒng)計方法的有1515個題，占個題，占53.6%53.6%，幾乎，幾乎是每年至少有一個題目用到概率統(tǒng)計的方法。是每年至少有一個題目用到概率統(tǒng)計的方法。 用到圖論與網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法的問題有個；用到圖論與網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法的問題有個； 用到層次分析方法的問題有個；用到層次分析方法的問題有個；3 3、從問題的解決方法上分析、從問題的解決方法上分析4 4、從問題的題型上分析、從問題的題型上分析（1 1）“即時性即時性”較強(qiáng)的問題有較強(qiáng)的問題有1010個個, ,占占35

10、.7%35.7%：1993B1993B：足球隊(duì)排名問題；：足球隊(duì)排名問題；1998B1998B：災(zāi)情巡視路線問題；：災(zāi)情巡視路線問題；2000A2000A：DNADNA序列分類問題；序列分類問題；2000B2000B：鋼管訂購與運(yùn)輸問題；：鋼管訂購與運(yùn)輸問題；2001B2001B：公交車的調(diào)度問題；：公交車的調(diào)度問題；2002B2002B：彩票中的數(shù)學(xué)問題；：彩票中的數(shù)學(xué)問題；2003A2003A：SARSSARS的傳播問題；的傳播問題；2004A2004A：奧運(yùn)會臨時超市網(wǎng)點(diǎn)設(shè)計問題：奧運(yùn)會臨時超市網(wǎng)點(diǎn)設(shè)計問題2004B2004B：電力市場的輸電阻塞管理問題：電力市場的輸電阻塞管理問題200

11、5A: 2005A: 長江水質(zhì)的評價和預(yù)測問題長江水質(zhì)的評價和預(yù)測問題 4 4、從問題的題型上分析、從問題的題型上分析(2)(2)理論性較強(qiáng)的問題有理論性較強(qiáng)的問題有1212個個, ,占占46.2% : 46.2% : 94A,94B,95A,96A,97A,98B,99A,00B,01A,02A,94A,94B,95A,96A,97A,98B,99A,00B,01A,02A,03A,04B;03A,04B;(3)(3)實(shí)用性較強(qiáng)的問題有實(shí)用性較強(qiáng)的問題有1414個個, ,占占50% : 50% : 93A,94B,95B,96B,98B,99B,00B,01A,01B,02B,93A,94B

12、,95B,96B,98B,99B,00B,01A,01B,02B,03A,04B,05A,05B03A,04B,05A,05B；(4)(4)算法要求強(qiáng)的問題有算法要求強(qiáng)的問題有6 6個個, ,占占21.4% : 21.4% : 95A,97B,99B,00A,00B,05B;95A,97B,99B,00A,00B,05B;(5)(5)數(shù)據(jù)量較大的問題有數(shù)據(jù)量較大的問題有1010個個, ,占占35.7% : 35.7% : 00A,00B,01A,01B,02B,03A,04A,04B,05A,05B00A,00B,01A,01B,02B,03A,04A,04B,05A,05B. .六、論文內(nèi)容

13、和格式六、論文內(nèi)容和格式1.標(biāo)題標(biāo)題n題目寫出較確切的題目。2. .摘要摘要200-300字，包括na. 模型的數(shù)學(xué)歸類（在數(shù)學(xué)上屬于什么類型）；nb. 建模的思想（思路）；nc. 算法思想（求解思路）；nd. 建模特點(diǎn)（模型優(yōu)點(diǎn)，建模思想或方法，算法特點(diǎn)，結(jié)果檢驗(yàn)，靈敏度分析，模型檢驗(yàn)）；ne. 主要結(jié)果（數(shù)值結(jié)果，結(jié)論；回答題目所問的全部“問題”）。n 注意表述：準(zhǔn)確、簡明、條理清晰、合乎語法、字體工整漂亮。n內(nèi)容較多時最好有個目錄。內(nèi)容較多時最好有個目錄。3. 問題重述問題重述4. 模型假設(shè)模型假設(shè)n根據(jù)全國組委會確定的評閱原則，基本假設(shè)的合理性很重要。na. 根據(jù)題目中條件作出假設(shè)nb

14、. 根據(jù)題目中要求作出假設(shè)nC. 符合假設(shè)關(guān)鍵性假設(shè)不能缺；假設(shè)要切合題意。5. 模型構(gòu)建模型構(gòu)建a. 基本模型：）首先要有數(shù)學(xué)模型：數(shù)學(xué)公式、方案等；）基本模型，要求完整，正確，簡明；b. 簡化模型：）要明確說明簡化思想，依據(jù)等；）簡化后模型，盡可能完整；c. 模型要實(shí)用，有效，以解決問題有效為原則。數(shù)學(xué)建模面臨的、要解決的是實(shí)際問題，不追求數(shù)學(xué)上的高（級）、深（刻）、難（度大）。）能用初等方法解決的、就不用高級方法；）能用簡單方法解決的，就不用復(fù)雜方法；）能用被更多人看懂、理解的方法，就不用只能少數(shù)人看懂、理解的方法。d鼓勵創(chuàng)新，但要切實(shí)，不要離題搞標(biāo)新立異。數(shù)模創(chuàng)新可出現(xiàn)在：1. 建模中

15、，模型本身，簡化的好方法、好策略等；2. 模型求解中；3. 結(jié)果表示、分析、檢驗(yàn)，模型檢驗(yàn)；4.推廣部分。e在問題分析推導(dǎo)過程中，需要注意的問題：）分析：中肯、確切；）術(shù)語：專業(yè)、內(nèi)行；）原理、依據(jù)：正確、明確；）表述：簡明，關(guān)鍵步驟要列出；）忌：外行話，專業(yè)術(shù)語不明確，表述混亂，冗長。6. 模型求解模型求解a. 需要建立數(shù)學(xué)命題時：命題敘述要符合數(shù)學(xué)命題的表述規(guī)范，盡可能論證嚴(yán)密。b. 需要說明計算方法或算法的原理、思想、依據(jù)、步驟。 若采用現(xiàn)有軟件，說明采用此軟件的理由，軟件名稱。 c. 計算過程，中間結(jié)果可要可不要的，不要列出。d. 設(shè)法算出合理的數(shù)值結(jié)果。7. 結(jié)果分析、檢驗(yàn)；結(jié)果分析

16、、檢驗(yàn)；模型檢驗(yàn)及模型修模型檢驗(yàn)及模型修正；結(jié)果表示正；結(jié)果表示a. 最終數(shù)值結(jié)果的正確性或合理性是第一位的； b. 對數(shù)值結(jié)果或模擬結(jié)果進(jìn)行必要的檢驗(yàn)； 結(jié)果不正確、不合理、或誤差大時，分析原因， 對算法、計算方法、或模型進(jìn)行修正、改進(jìn)。c. 題目中要求回答的問題，數(shù)值結(jié)果，結(jié)論，須一一列出； d. 列數(shù)據(jù)問題：考慮是否需要列出多組數(shù)據(jù)，或額外數(shù)據(jù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行比較、分析，為各種方案的提出提供依據(jù)；e. 結(jié)果表示：要集中，一目了然，直觀，便于比較分析。 數(shù)值結(jié)果表示：精心設(shè)計表格；可能的話，用圖形圖表形式。 求解方案，用圖示更好。8. 模型評價模型評價優(yōu)點(diǎn)突出，缺點(diǎn)不回避。改變原題要求，重新建模

17、可在此做。推廣或改進(jìn)方向時，不要玩弄新數(shù)學(xué)術(shù)語。9. 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)1 武桃，張力武桃，張力. 數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型M. 北京：高北京：高等教育出版社，等教育出版社，1960，45-49.2 陸平陸平. 數(shù)學(xué)模型研究數(shù)學(xué)模型研究J. 數(shù)學(xué)的實(shí)踐與數(shù)學(xué)的實(shí)踐與認(rèn)識，認(rèn)識，2010，2(5):12-18.3 數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn), .10. 附錄附錄 詳細(xì)的結(jié)果，詳細(xì)的數(shù)據(jù)表格，圖表，算法程序，可在此列出，但不要錯。 主要結(jié)果數(shù)據(jù)，表格，應(yīng)在正文中列出，不怕重復(fù)。七. 參賽注意1時間和體力的問題時間和體力的問題2團(tuán)隊(duì)合作是能否獲獎的關(guān)鍵團(tuán)隊(duì)合作是能否獲獎的關(guān)鍵3重視摘要重視摘要 4論文寫作要正規(guī)論文寫作要正規(guī)5模型的假設(shè)與模型的建立模型的假設(shè)與模型的建立6圖文表并茂可以增色圖文表并茂可以增色 八. 參考資料 姜啟源，數(shù)學(xué)模型（第二版），高等教育出版社 姜啟源、謝金星、葉俊數(shù)學(xué)建模（第三版），高等教育出版社 蕭樹鐵等，數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)，高等教育出版社 朱道元，數(shù)學(xué)建模案例精選，科學(xué)出版社 雷功炎，數(shù)學(xué)模型講義，北京大學(xué)出版社 葉其孝等，大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽輔導(dǎo)教材（一）（四），湖南教育出版社 江裕釗、辛培清，數(shù)學(xué)模型與計算機(jī)模擬，電子科技大學(xué)出版社 楊啟帆、邊馥萍，數(shù)學(xué)模型，浙江大學(xué)出版社 趙靜等，數(shù)學(xué)建模與數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)，高等教育出版社，施普林格出版社