数学建模

1. 绪论

张瑞
中国科学技术大学数学科学学院

绪论

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数学建模属于运用数学解决实际问题的范畴,强调建立数学模型的整个过程。

什么是数学建模

数学建模是为了特定的目的,对特定的对象进行必要的抽象、归纳、假设和简化,运用适当的数学工具建立一个数学结构数学模型就是这个数学结构,是用数学语言对实际对象的近似刻画。

要用数学解决实际问题,就一定要使用数学的语言、方法去近似地刻画这个实际问题,这就是数学模型。

如:欧几里得几何、微积分、柯西积分公式、万有引力定律、能量转换定律、广义相对论等,都是数学模型。

例 1. 实际问题: 2辆车载着8个人去赶火车,距火车站$m$公里时,一辆车坏了。如果车的速度是$v$,人走路的速度是$u$,离开车时间还剩$t$分钟。问:有可能全都赶上火车吗?

. 模型:甲乙两地相距$m$公里,小明从甲出发去乙,速度是$v_1$,同时,小红从乙出发去甲,速度是$v_2$。问:他们什么时候,在什么地点相遇?

设经过$t$时刻后,他们相遇,则有

\[(v_1+v_2)t=m \]

即,$t=\frac{m}{v_1+v_2}$。且相遇点距甲地$v_1 t$的距离。

课程内容

实际中,能够直接使用数学方法解决的实际问题是不多的。然而,应用数学知识解决实际问题的第一步,就是通过实际问题本身,从形式上杂乱无章的现象中,抽象出恰当的数学关系,也就是构建这个实际问题的数学模型。

  • 课程主要介绍数学建模的基本方法和和基本思想,重点介绍一些典型问题的建模和求解方法。
  • 课程主要关注从实际问题到数学问题的转化过程,重点关注用数学思维方式来处理实际问题。
  • 学生需要掌握数学建模的基本方法和基本思想,能够通过合理的假设把实际问题转化为数学问题,能够熟练运用数学工具来求解数学问题,并且能够撰写文字通顺的数学建模论文。

参考书

  • 数学模型(第二版),谭永基、蔡志杰 编著,复旦大学出版社,2011年1月。
  • 数学模型(第四版),姜启源、谢金星、叶俊 编,高等教育出版社,2011年1月。
  • 数学建模方法及其应用(第二版),韩中庚 编著,高等教育出版社,2009年6月。
  • 数学建模(原书第5版),Frank R. Giordano 等著,叶其孝、姜启源 等译,机械工业出版社,2014年10月。

数学建模的步骤:

  1. 分析问题。 明确需要解决的实际问题和建模对象。列出影响模型的主要因素,弄清各因素之间的联系,搜集必要的数据等。
  2. 引进合理的假设。根据客观规律对建模对象作出合理的假设,对建模对象进行恰当的抽象、近似、量化、简化。
  3. 建立模型。选择恰当的数学语言来描述建模对象,把实际对象转化为数学对象,把实际问题转化为数学问题。
  4. 模型求解及结果的分析。选择恰当的数学工具求解转化成的数学问题,然后应用数学问题的解来解决实际问题。
  5. 模型的检验。检验实际问题是否得到解决,建模过程是否恰当,分析模型的优缺点和适用范围,对模型进行修改、完善、推广。
  6. 模型的改进

例 2. (酵母的增长) 根据酵母培养物增长实验中采集到的数据(见附表),试对酵母生物量的变化过程建模。 附表中$n$为时间刻度;$p_n$表示$n$个时间刻度后的酵母生物量。

\[{\tiny \begin{tabular}{c|rrrrrrrrrr} $n$ & 0 & 1 & 2 & 3 & 4 & 5 & 6 & 7 & 8 & 9 \\ % \\ % $p_n$ & 9.6 & 18.3 & 29.0 & 47.2 & 71.1 & 119.1 & 174.6 & 257.3 & 350.7 & 441.0 \\ \hline % \\ \hline % $n$ & 10 & 11 & 12 & 13 & 14 & 15 & 16 & 17 & 18 \\ % \\ % $p_n$ & 513.3 & 559.7 & 594.8 & 629.4 & 640.8 & 651.1 & 655.9 & 659.6 & 661.8 \end{tabular} } \]

模型一

假设群体的改变量与当前群体数量是成比例的,即

(1)
\[\Delta p_n = (p_{n+1}-p_n) \propto p_n. \]

作为假设的一个“合理”解释:设一个酵母细胞分裂成两个要用$k$个时间刻度, 那么酵母群体在任一时间刻度区间内平均有$\frac{1}{k}$会发生分裂(即为增长率), 在良好的情况下酵母细胞不会死亡,所以$\frac{1}{k}p_n$就是纯增长。 因而酵母群体变化量可写成

\[p_{n+1}-p_n = \frac{1}{k}p_n. \]

\[{\tiny \begin{tabular}{c|rrrrrrrrrr} $n$ & 0 & 1 & 2 & 3 & 4 & 5 & 6 & 7 & 8 & 9 \\ $p_n$ & 9.6 & 18.3 & 29.0 & 47.2 & 71.1 & 119.1 & 174.6 & 257.3 & 350.7 & 441.0 \\ $\Delta p_n$ & 8.7 & 10.7 & 18.2 & 23.9 & 48.0 & 55.5 & 82.7 & 93.4 & 90.3 & 72.3 \\ \hline \hline $n$ & 10 & 11 & 12 & 13 & 14 & 15 & 16 & 17 & 18 \\ $p_n$ & 513.3 & 559.7 & 594.8 & 629.4 & 640.8 & 651.1 & 655.9 & 659.6 & 661.8\\ $\Delta p_n$ & 46.4 & 35.1 & 34.6 & 11.4 & 10.3 & 4.8 & 3.7 & 2.2 \end{tabular} } \]

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  1. 如果在一段时间内群体出生数大于死亡数且都与群体数量成比例,则群体将是永远增长的。
  2. 群体的增长受某些资源的限制,当接近极大群体数时,增长就会减缓。

模型二

在此,酵母培养物在受到制约的区域内生长,从群体数关于时间的图形可见群体数趋于一个极限容量。 我们假设极限容量的一个估计值为665,于是考虑以下模型:

(2)
\[\Delta p_n = (p_{n+1}-p_n) = r\cdot (1-\frac{p_n}{665}) p_n. \]

直观地看,当$p_n$趋于665时,因$(1-\frac{p_n}{665}) \rightarrow 0$, 从而导致$\Delta p_n \downarrow$.

为了检测这个模型并得到相应比例$r$, 我们画$\Delta p_n$ 关于$q_n=(1-\frac{p_n}{665}) p_n$ 的图形来看它们是否呈现比例关系。

\[{\tiny \begin{tabular}{c|rrrrrrrrrr} $n$ & 0 & 1 & 2 & 3 & 4 & 5 & 6 & 7 & 8 & 9 \\ $\Delta p_n$ & 8.7 & 10.7 & 18.2 & 23.9 & 48.0 & 55.5 & 82.7 & 93.4 & 90.3 & 72.3 \\ $q_n$ & 9.46 & 17.80 & 27.74 & 43.85 & 63.50 & 97.77 & 128.76 & 157.75 & 165.75 & 148.55\\ \hline \hline $n$ & 10 & 11 & 12 & 13 & 14 & 15 & 16 & 17 & 18 \\ $\Delta p_n$ & 46.4 & 35.1 & 34.6 & 11.4 & 10.3 & 4.8 & 3.7 & 2.2 & \\ $q_n$ & 117.09 & 88.63 & 62.79 & 33.69 & 23.32 & 13.61 & 8.98 & 5.36 & 3.18 \end{tabular} } \]

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模型求解

如果我们接受这个模型,可以用数据直线的斜率作为$r$的估计, 约为0.5389(最小二乘法),于是就得到模型的方程式

(3)
\[\Delta p_n = (p_{n+1}-p_n) = 0.5389\cdot (1-\frac{p_n}{665}) p_n. \]

利用迭代式$p_{n+1}=p_n + 0.5389\cdot (1-\frac{p_n}{665}) p_n$, 在给定初值$p_0=9.6$条件下,我们可以计算该模型的数值解, 列于表中作为预测值。

\[{\tiny \begin{tabular}{c|rrrrrrrrrr} $n$ & 0 & 1 & 2 & 3 & 4 & 5 & 6 & 7 & 8 & 9 \\ $p_n$ & 9.6 & 18.3 & 29.0 & 47.2 & 71.1 & 119.1 & 174.6 & 257.3 & 350.7 & 441.0 \\ $\tilde{p_n}$ & 9.6 & 14.7 & 24.3 & 39.2 & 62.9 & 97.1 & 149.8 & 219.2 & 304.2 & 393.5\\ \hline \hline $n$ & 10 & 11 & 12 & 13 & 14 & 15 & 16 & 17 & 18 \\ $p_n$ & 513.3 & 559.7 & 594.8 & 629.4 & 640.8 & 651.1 & 655.9 & 659.6 & 661.8\\ $\tilde{p_n}$ & 473.5 & 536.6 & 584.4 & 618.2 & 636.4 & 648.9 & 656.3 & 661.1 & 664.0 \end{tabular} } \]

结果检验

关于时间的预测值和观测值作图示,这样可以验证所建立模型的合理性。

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  1. 可以用数学有效地刻画现实世界中许多变化的现象,并对它们“数学地”进行研究。 这时,我们就能大致或精确地解释、预测、控制、
  2. 我们观察变化时,有兴趣且必要去了解以何种方式发生变化;为什么这样变化;分析不同条件的影响;预测将来的发展趋势;也许还想如何有效控制之。
  3. 数学模型常常能帮助我们很好地理解事物的性态,同时它还能使我们对影响这种性态的不同条件数学地进行实验。

论文要求

数学建模论文的写作

  1. 论文通常分为摘要、正文、参考文献、附录等几部分。
  2. 在摘要中应当简要说明需要解决的实际问题是什么?需要建模的实际对象是什么?建模的思路是什么?提炼出来的数学问题是什么?如何求解数学问题?数学问题的解是什么?数学问题的解能否被用来解决实际问题?
  3. 在正文中应当详细描述建模过程,对实际对象做出详细的分析、合理的假设和简化,影响实际问题的主要因素。建模的直接目的是提炼数学问题,最终目的是解决实际问题。对于一个实际问题,可能建立多个模型;一个模型可能包含多个子模型,可能提炼出多个数学问题。对于不同模型可能需要做出不同假设。不要作与模型无关的假设或与实际情况不符的假设。
  1. 在正文中还应当给出详细的求解演算过程,计算中间结果,算法框图等,计算程序可列在附录中。对于数学问题的求解方法,如果是现成的方法,只需给出参考文献或说明是使用某软件命令求解即可;如果有好的或新颖的方法,可作为模型的一部分,详细说明方法的原理、步骤和适用范围。论文中的数学符号是用来描述或解决数学问题的,通常配有插图和文字说明,必须能够让读者容易记住它所代表的含义,禁忌在正文开头部分堆砌一堆假设和记号。
  2. 在参考文献中应当列出建模过程中所参考过的书刊、文献、数据、网络信息等资料的出处,最好是原始资料和第一手引用。同时,在正文引用处必须明确注明引用情况。

平时作业3次(60%),期末论文1篇(40%)

平时作业和期末论文要求

  • 不是数学题解,必须是建模小论文,汉语写作,独立完成,按时提交
  • 如与他人文字雷同或引用他人文字不明确注明,总评成绩记零分。
  • 提供pdf格式的小论文,和源代码包。源代码不要放在小论文中

数学模型就是用数学的语言与方法对实际问题的描述与抽象。

典型的数学模型:

  1. 初等函数
  2. 微分方程模型
  3. 优化模型
  4. 组合图论模型
  5. 概率统计模型

软件包:

  • 数值、符号计算: Maple, Mathematica, Matlab
  • 线性规划: LINDO
  • 统计: R, SAS, SPSS
  • 机器学习: Python 加上 TensorFlow, PyTorch

作业

宏观经济指标计量分析

宏观经济指标是反映整个经济系统状况和发展速度的指标,其中包括数量指标和质量指标。前者如国民生产总值(GNP)、工农业生产总值、服务业生产总值、国民收入、人口总数等,主要表征经济发展的规模;后者如经济增长率、人均国民收入等,主要表征经济发展的平均水平或相对水平。

选取某个区域(如合肥市),获取近些年当地宏观经济指标数据,试建立适当的数学模型来描述经济发展变化情况,以便给出一些合理解释和政策建议。

目录

本节读完

例 3.

3.

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