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1、第第一一章章 建立数学模型建立数学模型1.1 从现实对象到数学模型从现实对象到数学模型1.2 数学建模的重要意义数学建模的重要意义1.3 数学建模示例数学建模示例1.4 数学建模的方法和步骤数学建模的方法和步骤1.5 数学模型的特点和分类数学模型的特点和分类1.6 怎样学习数学建模怎样学习数学建模玩具、照片、飞机、火箭模型玩具、照片、飞机、火箭模型 实物模型实物模型水箱中的舰艇、风洞中的飞机水箱中的舰艇、风洞中的飞机 物理模型物理模型地图、电路图、分子结构图地图、电路图、分子结构图 符号模型符号模型模型是为了确定目的，对客观事物的一部分模型是为了确定目的，对客观事物的一部分进行简缩、抽象、提炼
2、出来的原型的替代物进行简缩、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须要的那一部分特征模型集中反映了原型中人们须要的那一部分特征1.1 从现实对象到数学模型从现实对象到数学模型我们常见的模型我们常见的模型你遇到过的数学模型你遇到过的数学模型“航行问题航行问题”用用 x 表示船速表示船速(千米千米/小时），小时），y 表示水速表示水速(千米千米/小时），小时），列出方程：列出方程：答：船速答：船速20千米千米/小时小时.甲乙两地相距甲乙两地相距750千米，船从甲到乙顺水航行需千米，船从甲到乙顺水航行需30小时，小时，从乙到甲逆水航行需从乙到甲逆水航行需50小时，问船的速度是多少小时，
3、问船的速度是多少?x=20y=5求解求解航行问题航行问题建立数学模型的基本步骤建立数学模型的基本步骤 作出简化假设（船速、水速为常数）；作出简化假设（船速、水速为常数）；用符号表示有关量（用符号表示有关量（x,y表示船速和水速）；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）；时间）列出数学式子（二元一次方程）；求解得到数学解答（求解得到数学解答（x=20,y=5）；）；回答原问题（船速回答原问题（船速20千米千米/小时）。小时）。数学模型数学模型(Mathematical Model)和和数学建模（数学建模（
4、Mathematical Modeling)对于一个现实对象，为了一个特定目的，对于一个现实对象，为了一个特定目的，依据其内在规律，作出必要的简化假设，依据其内在规律，作出必要的简化假设，运用适当的数学工具，得到的一个数学结构。运用适当的数学工具，得到的一个数学结构。建立数学模型的全过程建立数学模型的全过程（包括表述、求解、说明、检验等）（包括表述、求解、说明、检验等）数学模型数学模型数学数学建模建模1.2 数学建模的重要意义数学建模的重要意义 电子计算机的出现及飞速发展；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
5、方法解决实际问题的第一步，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。越来越受到人们的重视。在一般工程技术领域数学建模仍旧大有用武之地；在一般工程技术领域数学建模仍旧大有用武之地；在高新技术领域数学建模几乎是必不行少的工具；在高新技术领域数学建模几乎是必不行少的工具；数学进入一些新领域，为数学建模开拓了很多处女地。数学进入一些新领域，为数学建模开拓了很多处女地。数学建模的具体应用数学建模的具体应用 分析与设计分析与设计 预报与决策预报与决策 限制与优化限制与优化 规划与管理规划与管理数学建模计算机技术学问经济学问经济如虎添翼如虎添翼1.3 数学建模示例数学建模示例1.3.
6、1 椅子能在不平的地面上放稳吗椅子能在不平的地面上放稳吗问题分析问题分析模模型型假假设设通常通常 三只脚着地三只脚着地放稳放稳 四只脚着地四只脚着地 四条腿一样长，椅脚与地面点接触，四脚四条腿一样长，椅脚与地面点接触，四脚连线呈正方形连线呈正方形;地面高度连续变更，可视为数学上的连续地面高度连续变更，可视为数学上的连续曲面曲面;地面相对平坦，使椅子在随意位置至少三地面相对平坦，使椅子在随意位置至少三只脚同时着地。只脚同时着地。模型构成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 椅子位置椅子位置利用正方形利用正方形(椅脚连线椅脚连线)的对
7、称性的对称性xBADCODC B A 用用(对角线与对角线与x轴的夹角轴的夹角)表示椅子位置表示椅子位置 四只脚着地四只脚着地距离是距离是 的函数的函数四个距离四个距离(四只脚四只脚)A,C 两脚与地面距离之和两脚与地面距离之和 f()B,D 两脚与地面距离之和两脚与地面距离之和 g()两个距离两个距离 椅脚与地面距离为零椅脚与地面距离为零正方形正方形ABCD绕绕O点旋转点旋转正方形正方形对称性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()是是连续函连续函数数对随意对随意,f(),g()至少一个为至少一个为0数学数学问题问题已知
8、：已知：f(),g()是连续函数是连续函数;对随意对随意，f()g()=0;且且 g(0)=0，f(0)0.证明：存在证明：存在0，使，使f(0)=g(0)=0.模型构成模型构成地面为连续曲面地面为连续曲面 椅子在随意位置椅子在随意位置至少三只脚着地至少三只脚着地模型求解模型求解给出一种简洁、粗糙的证明方法给出一种简洁、粗糙的证明方法将椅子将椅子旋转旋转900，对角线，对角线AC和和BD互换。互换。由由g(0)=0，f(0)0，知，知f(/2)=0,g(/2)0.令令h()=f()g(),则则h(0)0和和h(/2)0.由由 f,g的连续性知的连续性知 h为连续函数为连续函数,据连续函数的基本
9、性据连续函数的基本性质质,必存在必存在 0,使使h(0)=0,即即f(0)=g(0).因为因为f()g()=0,所以所以f(0)=g(0)=0.评注和思索评注和思索建模的关键建模的关键 假设条件的本质与非本质假设条件的本质与非本质 考察四脚呈长方形的椅子考察四脚呈长方形的椅子 和和 f(),g()的确的确定定1.3.2 商人们怎样平安过河商人们怎样平安过河问题问题(智力游戏智力游戏)3名商人名商人 3名随从名随从随从们密约随从们密约,在河的任一在河的任一岸岸,一旦随从的人数比商一旦随从的人数比商人多人多,就杀人越货就杀人越货.但是乘船渡河的方案由商人确定但是乘船渡河的方案由商人确定.商人们怎样
10、才能平安过河商人们怎样才能平安过河?问题分析问题分析多步决策过程多步决策过程决策决策 每一步每一步(此岸到彼岸或彼岸到此岸此岸到彼岸或彼岸到此岸)船上的人员船上的人员要求要求 在平安的前提下在平安的前提下(两岸的随从数不比商人多两岸的随从数不比商人多),),经有经有限步使全体人员过河限步使全体人员过河.河河小船小船(至多至多2人人)模型构成模型构成xk第第k次渡河前此岸的商人数次渡河前此岸的商人数yk第第k次渡河前此岸的随从数次渡河前此岸的随从数xk,yk=0,1,2,3;k=1,2,sk=(xk,yk)过程的状态过程的状态S=(x,y)x=0,y=0,1,2,3;x=3,y=0,1,2,3;
11、x=y=1,2S 允许状态集合允许状态集合uk第第k次渡船上的商人数次渡船上的商人数vk第第k次渡船上的随从数次渡船上的随从数dk=(uk,vk)决策决策D=(u,v)u+v=1,2 允许允许决策决策集合集合uk,vk=0,1,2;k=1,2,sk+1=sk dk+(-1)k状态转移律状态转移律求求dk D(k=1,2,n),使使sk S,并并按按转移律转移律由由 s1=(3,3)到达到达 sn+1=(0,0).多步决策多步决策问题问题模型求解模型求解xy3322110 穷举法穷举法 编程上机编程上机 图解法图解法状态状态s=(x,y)16个格点个格点 10个个 点点允许决策允许决策 移动移动
12、1或或2格格;k奇奇,左下移左下移;k偶偶,右上移右上移.s1sn+1d1,，d11给出平安渡河方案给出平安渡河方案评注和思索评注和思索规格化方法规格化方法,易于推广易于推广考虑考虑4名商人各带一随从的状况名商人各带一随从的状况d1d11允许状态允许状态S=(x,y)x=0,y=0,1,2,3;x=3,y=0,1,2,3;x=y=1,2背景背景 年年 1625 1830 1930 1960 1974 1987 1999人口人口(亿亿)5 10 20 30 40 50 60世界人口增长概况世界人口增长概况中国人口增长概况中国人口增长概况 年年 1908 1933 1953 1964 1982 1
13、990 1995 2000人口人口(亿亿)3.0 4.7 6.0 7.2 10.3 11.3 12.0 13.0探讨人口变更规律探讨人口变更规律限制人口过快增长限制人口过快增长1.3.3 如何预报人口的增长如何预报人口的增长指数增长模型指数增长模型马尔萨斯提出马尔萨斯提出 (1798)常用的计算公式常用的计算公式x(t)时刻时刻t的的人口人口基本假设基本假设:人口人口(相对相对)增长率增长率 r 是常数是常数今年人口今年人口 x0,年增长率年增长率 rk年后人口年后人口随着时间增加，人口按指数规律无限增长随着时间增加，人口按指数规律无限增长指数增长模型的应用及局限性指数增长模型的应用及局限性
14、与与19世纪以前欧洲一些地区人口统计数据吻合世纪以前欧洲一些地区人口统计数据吻合 适用于适用于19世纪后迁往加拿大的欧洲移民后代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料可用于短期人口增长预料 不符合不符合19世纪后多数地区人口增长规律世纪后多数地区人口增长规律 不能预料较长期的人口增长过程不能预料较长期的人口增长过程1919世纪后人口数据世纪后人口数据人口增长率人口增长率r r不是常数不是常数(逐渐下降逐渐下降)阻滞增长模型阻滞增长模型(Logistic模型模型)人口增长到确定数量后，增长率下降的缘由：人口增长到确定数量后，增长率下降的缘由：资源、环境等因素对人口增长的阻滞作用资
15、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且阻滞作用随人口数量增加而变大假设假设r固有增长率固有增长率(x很小时很小时)xm人口容量（资源、环境能容纳的最大数量）人口容量（资源、环境能容纳的最大数量）r是是x的减函数的减函数dx/dtx0 xmxm/2xmtx0 x(t)S形曲线形曲线,x增加先快后慢增加先快后慢x0 xm/2阻滞增长模型阻滞增长模型(Logistic模型模型)参数估计参数估计用指数增长模型或阻滞增长模型作人口用指数增长模型或阻滞增长模型作人口预报，必需先估计模型参数预报，必需先估计模型参数 r 或或 r,xm 利用统计数据用最小二乘法作拟合利用统计数据用
16、最小二乘法作拟合例：美国人口数据（单位例：美国人口数据（单位百万）百万）1860 1870 1880 1960 1970 1980 1990 31.4 38.6 50.2 179.3 204.0 226.5 251.4专家估计专家估计阻滞增长模型阻滞增长模型(Logistic模型模型)r=0.2557,xm=392.1模型检验模型检验用模型计算用模型计算2000年美国人口，与实际数据比较年美国人口，与实际数据比较实际为实际为281.4(百万百万)模型应用模型应用预报美国预报美国2010年的人口年的人口加入加入2000年人口数据后重新估计模型参数年人口数据后重新估计模型参数Logistic 模型
17、在经济领域中的应用模型在经济领域中的应用(如耐用消费品的售量如耐用消费品的售量)阻滞增长模型阻滞增长模型(Logistic模型模型)r=0.2490,xm=434.0 x(2010)=306.0 数学建模的基本方法数学建模的基本方法机理分析机理分析测试分析测试分析依据对客观事物特性的相识，依据对客观事物特性的相识，找出反映内部机理的数量规律找出反映内部机理的数量规律将对象看作将对象看作“黑箱黑箱”,通过对量测数据的通过对量测数据的统计分析，找出与数据拟合最好的模型统计分析，找出与数据拟合最好的模型机理分析没有统一的方法，主要通过实例探讨机理分析没有统一的方法，主要通过实例探讨 (Case St
18、udies)(Case Studies)来学习。以下建模主要指机理分析。来学习。以下建模主要指机理分析。二者结合二者结合用机理分析建立模型结构用机理分析建立模型结构,用测试分析确定模型参数用测试分析确定模型参数1.4 数学建模的方法和步骤数学建模的方法和步骤 数学建模的一般步骤数学建模的一般步骤模型准备模型准备模型假设模型假设模型构成模型构成模型求解模型求解模型分析模型分析模型检验模型检验模型应用模型应用模模型型准准备备了解实际背景了解实际背景明确建模目的明确建模目的搜集有关信息搜集有关信息驾驭对象特征驾驭对象特征形成一个形成一个比较清晰比较清晰的的问题问题模模型型假假设设针对问题特点和建模目
19、的针对问题特点和建模目的作出合理的、简化的假设作出合理的、简化的假设在合理与简化之间作出折中在合理与简化之间作出折中模模型型构构成成用数学的语言、符号描述问题用数学的语言、符号描述问题发挥想像力发挥想像力运用类比法运用类比法尽量接受简洁的数学工具尽量接受简洁的数学工具 数学建模的一般步骤数学建模的一般步骤模型模型求解求解各种数学方法、软件和计算机技术各种数学方法、软件和计算机技术如结果的误差分析、统计分析、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对数据的稳定性分析模型模型分析分析模型模型检验检验与实际现象、数据比较，与实际现象、数据比较，检验模型的合理性、适用性检验模型的合理性、
20、适用性模型应用模型应用 数学建模的一般步骤数学建模的一般步骤数学建模的全过程数学建模的全过程现实对象的信息现实对象的信息数学模型数学模型现实对象的解答现实对象的解答数学模型的解答数学模型的解答表述表述求解求解解释解释验证验证(归纳)(演绎)表述表述求解求解说明说明验证验证依据建模目的和信息将实际问题依据建模目的和信息将实际问题“翻译翻译”成数学问成数学问题题选择适当的数学方法求得数学模型的解答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将数学语言表述的解答“翻译翻译”回实际对象回实际对象用现实对象的信息检验得到的解答用现实对象的信息检验得到的解答实践现现实实世世界界数数学学世世界界
21、理论实践1.5 数学模型的特点和分类数学模型的特点和分类模型的逼真性和可行性模型的逼真性和可行性模型的渐进性模型的渐进性模型的强健性模型的强健性模型的可转移性模型的可转移性模型的非预制性模型的非预制性模型的条理性模型的条理性模型的技艺性模型的技艺性模型的局限性模型的局限性 数学模型的特点数学模型的特点数学模型的分类数学模型的分类应用领域应用领域人口、交通、经济、生态人口、交通、经济、生态 数学方法数学方法初等数学、微分方程、规划、统计初等数学、微分方程、规划、统计 表现特性表现特性描述、优化、预报、决策描述、优化、预报、决策 建模目的建模目的了解程度了解程度白箱白箱灰箱灰箱黑箱黑箱确定和随机确
22、定和随机静态和动态静态和动态线性和非线性线性和非线性离散和连续离散和连续1.6 怎样学习数学建模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技术大致有章可循艺术无法归纳成普遍适用的准则艺术无法归纳成普遍适用的准则想像力想像力洞察力洞察力推断力推断力 学习、分析、评价、改进别人作过的模型学习、分析、评价、改进别人作过的模型 亲自动手，细致作几个实际题目亲自动手，细致作几个实际题目爱因斯坦爱因斯坦:想象力比学问更重要想象力比学问更重要,因为学问是因为学问是有限的有限的,而想象力概括着世界上的而想象力概括着世界上的一切一切,推动
23、着进步推动着进步,并且是学问的源并且是学问的源泉泉.严格地说严格地说,想象力是科学探讨中想象力是科学探讨中的实在因素的实在因素.想象力的培育想象力的培育逻辑思维逻辑思维:抽象抽象:从具体事物中揭示事物的共性与联系的规律从具体事物中揭示事物的共性与联系的规律.归纳归纳:从若干已知的不完全的现象推断未知的现象从若干已知的不完全的现象推断未知的现象.具有猜具有猜 测的性质测的性质,却超越了前提所包含的内容却超越了前提所包含的内容.是科学发觉常是科学发觉常 用的有效思维方式用的有效思维方式.演绎演绎:从一般命题推出特殊命题从一般命题推出特殊命题,将特殊状况明确化将特殊状况明确化,将蕴涵将蕴涵 的性质揭
24、露出来的性质揭露出来.类比类比:在两类不同的事物之间进行对比在两类不同的事物之间进行对比,找出若干相同或相找出若干相同或相 似点后似点后,推想在其他方面也可能存在相同或相像之处推想在其他方面也可能存在相同或相像之处.是创建性思维的重要方法是创建性思维的重要方法.模拟模拟:以模型去仿照原型以模型去仿照原型,探讨其性质探讨其性质.移植移植:将一个学科领域中行之有效的理论与方法用于其他将一个学科领域中行之有效的理论与方法用于其他 领域领域.非逻辑思维非逻辑思维:发散性思维发散性思维,富有创建性富有创建性:知觉知觉顿悟顿悟(灵感灵感)想象力的培育想象力的培育清代文艺理论家王国维描绘做学问的三个阶段清代
25、文艺理论家王国维描绘做学问的三个阶段:昨夜西风凋碧树昨夜西风凋碧树,独上高楼独上高楼,望断天际路望断天际路;衣带渐宽终不悔衣带渐宽终不悔,为伊消得人憔悴为伊消得人憔悴;众里寻他千百度众里寻他千百度,蓦然回首蓦然回首,那人却在灯火阑栅处那人却在灯火阑栅处.唐代李白唐代李白:横看成岭侧成峰横看成岭侧成峰.现代数学家华罗庚现代数学家华罗庚:天才在于勤奋天才在于勤奋,聪慧在于积累聪慧在于积累.数学家彭加勒数学家彭加勒:数学的独创与创建数学的独创与创建,无非是一种无非是一种“组合组合”的的“选择选择”而已而已.摆在我们面前有多数条可摆在我们面前有多数条可供选择的道路供选择的道路,逻辑方法只能告知我们走这条路或逻辑方法只能告知我们走这条路或那条路不会遇到障碍那条路不会遇到障碍,但它却不能向我们指明哪条但它却不能向我们指明哪条路可以到达目的地路可以到达目的地.人们只能从远处远眺目标人们只能从远处远眺目标,而眺而眺望的本事就是直觉望的本事就是直觉.从哲学相识论看数学建模从哲学相识论看数学建模数学建模科学？技术？艺术？