數(shù)學(xué)建模基本概念課件

1、 數(shù)學(xué)建模 實(shí)際問(wèn)題中的數(shù)學(xué)奧妙不是明擺在那里等著你去解決，而是暗藏在深處等著你去發(fā)現(xiàn)，終身的受益和無(wú)窮的樂(lè)趣是屬于你的！11999年9月 我校由徐州煤炭建筑工程學(xué)校更名為 徐州建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院2000年9月 我校首次參加全國(guó)大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽（?？平M） 獲得江蘇賽區(qū)一等獎(jiǎng)一個(gè)（兩個(gè)隊(duì)參賽）2001年9月 獲得全國(guó)二等獎(jiǎng)一個(gè)（四個(gè)隊(duì)參賽） 該隊(duì)獲得獎(jiǎng)金3000元 2 第一章 數(shù)學(xué)模型基本概念1 引言一、數(shù)學(xué)建模課程的重要性 1、科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，數(shù)學(xué)模型越來(lái)越起到重要作用； 2、數(shù)學(xué)建模課程建設(shè)在全國(guó)各大專院校蓬勃開(kāi)展； 3、數(shù)學(xué)建模教育有利于學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的綜合能力的提高； 4、我們身邊許

2、多實(shí)際問(wèn)題看起來(lái)與數(shù)學(xué)無(wú)關(guān)，但通過(guò)分析都可用簡(jiǎn)捷數(shù)學(xué)方法完美的解決。3幾個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)際問(wèn)題。 問(wèn)題 已知甲桶中放有10000個(gè)藍(lán)色的玻璃球，乙桶中放有10000個(gè)紅色的玻璃球。任取甲桶中100個(gè)球放入乙桶中，混合后再任取乙桶中100個(gè)球放入甲桶中，如此重復(fù)3次，問(wèn)甲桶中的紅球多還是乙桶中的藍(lán)球多 怎樣用數(shù)學(xué)方法解決問(wèn)題1？4解：設(shè)甲桶中有x個(gè)紅球; 乙桶中有y個(gè)藍(lán)球 因?yàn)閷?duì)藍(lán)球來(lái)說(shuō)，甲桶中的藍(lán)球數(shù)加上乙桶中的藍(lán)球數(shù)等于10000,所以 10000-x+y=10000 x=y 故甲桶中紅球與乙桶中藍(lán)球一樣多。5解法一： 將兩天看作一天，一人兩天的運(yùn)動(dòng)看作一天兩人同時(shí)分別從山下和山頂沿同一路徑相反運(yùn)

3、動(dòng)，因?yàn)閮扇送瑫r(shí)出發(fā)，同時(shí)到達(dá)目的地，又沿同一路徑反向運(yùn)動(dòng)，所以必在中間某一時(shí)刻t兩人相遇，這說(shuō)明某人在兩天中的同一時(shí)刻經(jīng)過(guò)路途中的同一地點(diǎn)。怎樣用數(shù)學(xué)方法解決？7解法二： 以時(shí)間t為橫坐標(biāo)，以沿上山路線從山下旅店到山頂?shù)穆烦蘹為縱坐標(biāo)，從山下到山頂?shù)目偮烦虨閐 ； 8 在坐標(biāo)系中分別作曲線x=F(t)及x=G(t)，如下圖：10 嚴(yán)格的數(shù)學(xué)論證： 令 H(t)=F(t)-G(t) 由F(t)、G(t)在區(qū)間8,17上連續(xù)，所以H(t)在區(qū)間8,17上連續(xù)， 又 H(8)=F(8)-G(8)=0-d=-d0 11 由零點(diǎn)定理知在區(qū)間8,17內(nèi)至少存在一點(diǎn)使即這人兩天在同一時(shí)刻經(jīng)過(guò)路途中的同一地

4、點(diǎn)。 這說(shuō)明在早8點(diǎn)至晚5點(diǎn)之間存在某一時(shí)刻 使得路程相等， 12 問(wèn)題 在一摩天大樓里有三根電線從底層控制室通向頂樓，但由于三根電線各處的轉(zhuǎn)彎不同而有長(zhǎng)短，因此三根電線的長(zhǎng)度均未知?，F(xiàn)工人師傅為了在頂樓安裝電氣設(shè)備，需要知道這三根電線的電阻。如何測(cè)量出這三根電線的電阻？電阻是怎樣測(cè)量的？14 方法不妨用a、b、c及a*、b*、c*分別表示三根電線的底端和頂端，并用aa*、bb*、cc*分別表示三根電線, 假設(shè)x,y,z分別是aa*,bb*,cc*的電阻，這是三個(gè)未知數(shù)。電表不能直接測(cè)量出這三個(gè)未知數(shù)。然而我們可以把a(bǔ)*和b*連接起來(lái)，在a和b處測(cè)量得電阻x+y為l；然后將b*和c*聯(lián)接起來(lái)，

5、在b和c處測(cè)量得y+z為m，聯(lián)接c*和a*可測(cè)得x+z為n。15說(shuō)明： 此問(wèn)題的難點(diǎn)也是可貴之處是用方程“觀點(diǎn)”、“立場(chǎng)”去分析，用活的數(shù)學(xué)思想使實(shí)際問(wèn)題轉(zhuǎn)到新創(chuàng)設(shè)的情景中去。17問(wèn)題 氣象預(yù)報(bào)問(wèn)題 問(wèn)題：在氣象臺(tái)A的正西方向300km處有一臺(tái)風(fēng)中心，它以40km/h的速度向東北方向移動(dòng)；根據(jù)臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度，在距其中心250km以內(nèi)的地方將受到影響，問(wèn)多長(zhǎng)時(shí)間后氣象臺(tái)所在地區(qū)將遭受臺(tái)風(fēng)的影響？持續(xù)時(shí)間多長(zhǎng)？18 現(xiàn)此問(wèn)題是某氣象臺(tái)所遇到的實(shí)際問(wèn)題，為了搞好氣象預(yù)報(bào)，建立解析幾何模型加以探討。19 以氣象臺(tái)A為坐標(biāo)原點(diǎn)建立平面直角坐標(biāo)系，設(shè)臺(tái)風(fēng)中心為B,如下圖:20由題意： B點(diǎn)的坐標(biāo)為(-300,

6、0)，單位為km，臺(tái)風(fēng)中心的運(yùn)動(dòng)軌跡為直線BC,這里的CBA= ； 當(dāng)臺(tái)風(fēng)中心在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中處于以A為園心半徑為250km的園內(nèi)（即MN上）時(shí)，氣象臺(tái)A所在地區(qū)將遭受臺(tái)風(fēng)的影響。21 因?yàn)閳A的方程為 直線BC的方程為其中參數(shù)t為時(shí)間（單位為h）。當(dāng)臺(tái)風(fēng)中心處于園內(nèi)時(shí)，有解得 2.0t8.6 （精確到0.1）2224 幾道國(guó)際、全國(guó)大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽試題問(wèn)題1：鎖具裝箱 某廠生產(chǎn)一種彈子鎖具，每個(gè)鎖具的鑰匙有5個(gè)槽，每個(gè)槽的高度從1，2，3，4，5，66個(gè)數(shù)（單位略）中任取一數(shù)。由于工藝及其它原因，制造鎖具時(shí)對(duì)5個(gè)槽的高度還有兩個(gè)限制：至少有3個(gè)不同的數(shù)，相鄰兩槽的高度之差不能為5。滿足以上條件制

7、造出來(lái)的所有互不相同的鎖具稱為一批。25 原來(lái)，銷(xiāo)售部門(mén)在一批鎖具中隨意地取每60 個(gè)裝一箱出售，團(tuán)體顧客往往購(gòu)買(mǎi)幾箱到幾十箱，他們抱怨購(gòu)的鎖具會(huì)出現(xiàn)互開(kāi)的情形?，F(xiàn)聘你為顧問(wèn)，回答并解決以下的問(wèn)題：1）每一批鎖具有多少個(gè)，裝多少箱。 2）為銷(xiāo)售部門(mén)提出一種方案，包括如何裝箱，（仍是60個(gè)鎖具一箱），如何給箱子以標(biāo)志，出售時(shí)如何利用這些標(biāo)志，使團(tuán)體顧客不再或減少抱怨。27 3）采取你提出的方案，團(tuán)體顧客的購(gòu)買(mǎi)量不超過(guò)多少箱，就可以保證一定不會(huì)出現(xiàn)互開(kāi)的情形。 4）按照原來(lái)的裝箱辦法，如何定量地衡量團(tuán)體顧客抱怨互開(kāi)的程度（試對(duì)購(gòu)買(mǎi)一、二箱者給出具體結(jié)果）。28問(wèn)題2：排名問(wèn)題 一些大學(xué)校長(zhǎng)為難的是

8、，具有優(yōu)秀班級(jí)（簡(jiǎn)稱ABC）大學(xué)中各學(xué)生的給分情況。通常，ABC班級(jí)中學(xué)生分?jǐn)?shù)都給得高（現(xiàn)給定平均分?jǐn)?shù)為），因此很難區(qū)分出優(yōu)秀學(xué)生和中等學(xué)生。一項(xiàng)豐厚的獎(jiǎng)學(xué)金只能獎(jiǎng)給大學(xué)中總?cè)藬?shù)的10%，并且是最優(yōu)秀的學(xué)生。所以需要班級(jí)學(xué)生總排名情況。29 院長(zhǎng)認(rèn)為應(yīng)將各班的每一學(xué)生同本班其它學(xué)生進(jìn)行比較，并通過(guò)比較結(jié)果而得出最終排名情況。比如，如果一個(gè)班中所有學(xué)生均為A，則得A的同學(xué)只能列為“一般”，而如果一個(gè)班中只有一個(gè)學(xué)生得A，則這個(gè)學(xué)生被列為“超出一般”，將多個(gè)班級(jí)所得的信息綜合起來(lái)，則有可能將所有同學(xué)以百分?jǐn)?shù)的形式列出（一等10%，其次10%，等等）。30問(wèn)題：1假設(shè)成績(jī)以A+，A - ，B+，B

9、- ，的等級(jí)形式給出，院長(zhǎng)的設(shè)想能否實(shí)現(xiàn)？2假設(shè)成績(jī)以A，B，C的等級(jí)形式給出，院長(zhǎng)的設(shè)想能否實(shí)現(xiàn)？3能否有其他排名的方法？4類似問(wèn)題是如果只有一個(gè)班，則你的算法是否穩(wěn)定？數(shù)據(jù)集：各組應(yīng)設(shè)計(jì)出數(shù)據(jù)集來(lái)檢驗(yàn)和證明其算法，并且要給出算法適用范圍？312 數(shù)學(xué)模型基本概念一、模型什么叫模型？ 模型就是對(duì)現(xiàn)實(shí)原型的一種抽象或模仿。 模型既反映原型，又不等于原型，或者是原型的一種近似。 如地球這個(gè)模型，就是對(duì)地球這一原型的本質(zhì)和特征的一種近似和集中反映； 一個(gè)人的塑像就是這個(gè)人的一個(gè)模型。32 模型的含義非常廣泛，如自然科學(xué)和工程技術(shù)中的一切概念、公式、定律、理論，社會(huì)科學(xué)中的學(xué)說(shuō)、原理、政策，甚至小說(shuō)

10、、美術(shù)、表格、語(yǔ)言等都是某種現(xiàn)實(shí)原型的一種模型。 如：牛頓第二定律 就是“物體在力作用下，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律”這個(gè)原型的一種模型（數(shù)學(xué)模型）。 “吃飯”這句話就是人往嘴里送東西到達(dá)充饑的動(dòng)作的抽象，如此等等都可看作是模型。33二、數(shù)學(xué)模型的幾個(gè)簡(jiǎn)單例子341、冷卻問(wèn)題 將溫度為T(mén)。=150的物體放在溫度為24的空氣中冷卻，經(jīng)10分鐘后，物體溫度降為T(mén)=100，問(wèn)t=20分鐘時(shí)，物體的溫度是多少？35牛頓冷卻定律： 物體在空氣中的冷卻速度與該物體溫度和空氣溫度之差成正比36解：設(shè)物體的溫度T隨時(shí)間t的變化規(guī)律為T(mén)=T(t)則由冷卻定律及條件可得：其中K 0為比例常數(shù)，負(fù)號(hào)表示溫度是下降的，這就是所要建立

11、的數(shù)學(xué)模型。37 由于這個(gè)模型是一階線性微分方程，很容易求出其特解為由T(10)=100 ,可定出K0.05當(dāng)t=20時(shí)38 思考題： 估計(jì)兇殺的作案時(shí)間 某天晚上11:00時(shí)，在一住宅內(nèi)發(fā)現(xiàn)一受害者的尸體，法醫(yī)于11:35分趕到現(xiàn)場(chǎng)，立刻測(cè)量死者的體溫為30.8，一小時(shí)后再次測(cè)量體溫為29.1，法醫(yī)還注意到當(dāng)時(shí)室溫為28，試估計(jì)受害者的死亡時(shí)間。392、七橋問(wèn)題18世紀(jì)著名古典數(shù)學(xué)問(wèn)題之一。在哥尼斯堡的一個(gè)公園里，有七座橋?qū)⑵绽赘駹柡又袃蓚€(gè)島及島與河岸連接起來(lái) 1).能否不重復(fù)的一次走完七座橋？2).能否不重復(fù)的一次走完七座橋又回到原地？40歐拉方法島A、B和陸地C、D無(wú)非都是橋的聯(lián)結(jié)點(diǎn)，因

12、此不妨把A、B、C、D看成4個(gè)點(diǎn)，把七橋看成聯(lián)結(jié)這些點(diǎn)的七條線，如圖。 41 這樣當(dāng)然不改變問(wèn)題的實(shí)質(zhì)，于是一人能否不重復(fù)一次通過(guò)七座橋的問(wèn)題等價(jià)于其網(wǎng)絡(luò)圖能否一筆畫(huà)成的問(wèn)題（這是思維的飛躍），此網(wǎng)絡(luò)圖就是七橋問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型。 歐拉證明了七橋問(wèn)題是無(wú)解的，并給出了一般結(jié)論： 1)聯(lián)接奇數(shù)個(gè)橋的陸地僅有一個(gè)或超過(guò)兩個(gè)以上，不能實(shí)現(xiàn)一筆畫(huà)。 2)聯(lián)接奇數(shù)個(gè)橋的陸地僅有兩個(gè)時(shí)，則從兩者任一陸地出發(fā)，可以實(shí)現(xiàn)一筆畫(huà)而停在另一個(gè)陸地。42 3)每個(gè)陸地都聯(lián)接有偶數(shù)個(gè)橋是，則從任一陸地出發(fā)都能實(shí)現(xiàn)一筆畫(huà)，而回到出發(fā)點(diǎn)。 說(shuō)明： (1)數(shù)學(xué)模型不一定都是數(shù)學(xué)表達(dá)式，如七橋問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)圖。43 (

13、2)歐拉解決七橋問(wèn)題時(shí)，超出了過(guò)去解決問(wèn)題所用數(shù)學(xué)方法的范疇，充分發(fā)揮自己的想象力，用了完全嶄新的思想方法（可稱為幾何模擬方法），從而使問(wèn)題解決得十分完美，結(jié)論明確而簡(jiǎn)捷。由于他的開(kāi)創(chuàng)性的工作，產(chǎn)生了“圖論”這門(mén)學(xué)科，歐拉是人們公認(rèn)的圖論的創(chuàng)始人。 (3)圖論是一門(mén)非常有用的學(xué)科，很多實(shí)際問(wèn)題都可化為圖論問(wèn)題決。44問(wèn)題： 某倉(cāng)庫(kù)要存放7種化學(xué)藥品，用 分別表示7種藥品; 已知不能存放在一起的藥品為: 問(wèn)至少應(yīng)把倉(cāng)庫(kù)分成多少隔離區(qū)才能確保安全？ 45解：先把各種藥品作為節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)集為 然后把不能存放在一起的藥品用邊相連，這樣就構(gòu)成一個(gè)圖，如下圖：46 為了決定分區(qū)，要對(duì)藥品進(jìn)行分區(qū)編號(hào)，規(guī)則如

14、下：1、各邊的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)不能編在同一區(qū)號(hào)； 2、為節(jié)省分區(qū)，以A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)順序編號(hào)，且盡量使用小的區(qū)號(hào)。 A區(qū)： B區(qū)： C區(qū)： 對(duì)于n種藥品，同樣可根據(jù)上述規(guī)則，通過(guò)計(jì)算機(jī)依次編區(qū)。 47、最佳場(chǎng)址的選擇問(wèn)題 設(shè)有n個(gè)車(chē)間位于不同的地點(diǎn)，現(xiàn)擬建一倉(cāng)庫(kù)P，長(zhǎng)期向各車(chē)間運(yùn)送原材料和產(chǎn)品，問(wèn)P應(yīng)建在何處，才能使總運(yùn)費(fèi)在一定時(shí)期內(nèi)達(dá)到最?。?8 問(wèn)題變?yōu)閷で驪(x,y)，使C(x,y)達(dá)到最小，這便是此問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型。 是否還有其它方法？ 49 5、走路問(wèn)題 問(wèn)題：人在恒速行走時(shí)，步長(zhǎng)多大才最省勁？ 假設(shè)人的體重為M，腿重為m，腿長(zhǎng)為 ，速度為v，單位時(shí)間步數(shù)為n，步長(zhǎng)為x，其中 vnx 。 人行

15、走時(shí)所作的功可以認(rèn)為由兩部分組成：即抬高人體重心所需的勢(shì)能與兩腿運(yùn)動(dòng)所需動(dòng)能之和。下面分別計(jì)算兩部分的做功： 50(1) 重心升高所需的勢(shì)能將人的行走簡(jiǎn)化成如圖所示:若記重心升高為，則 51 單位時(shí)間重心升高所需勢(shì)能W為 WnMg (其中v=nx) (2) 腿運(yùn)動(dòng)所需的動(dòng)能 將人行走視為均勻直桿（腿）繞腰部轉(zhuǎn)動(dòng)， 則在單位時(shí)間內(nèi)所需動(dòng)能E為： 52其中轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 角速度 所以 于是，單位時(shí)間所作的功P為 53 因?yàn)樽鞴ι倬褪?，所以?wèn)題就變成尋求步長(zhǎng)x使單位時(shí)間內(nèi)作的功P最小 ，若以 M:m4:1 L米代入上式可得 n5即每秒5步，這顯然太快了。 54對(duì)模型（）作如下修改： 假設(shè)腿重集中在腳上，

16、這樣腿的運(yùn)動(dòng)所需動(dòng)能即為腳作直線運(yùn)動(dòng)所需動(dòng)能， 于是從而 求極值可得這是比較符合實(shí)際情況的。 55 三、數(shù)學(xué)模型基本概念1、數(shù)學(xué)模型的定義 數(shù)學(xué)模型就是指對(duì)于現(xiàn)實(shí)世界的某一特定對(duì)象，為了某個(gè)特定的目的，做出一些必要的簡(jiǎn)化和假設(shè)，運(yùn)用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)工具得到的一個(gè)數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)；它或者能解釋特定現(xiàn)象的現(xiàn)實(shí)性態(tài)，或者能預(yù)測(cè)對(duì)象的未來(lái)狀況，或者能提供處理對(duì)象的最優(yōu)決策或控制等。 562、建立數(shù)學(xué)模型的方法和步驟 1）觀察 ）現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的理想化 ）建立數(shù)學(xué)模型 建立數(shù)學(xué)模型應(yīng)注意以下幾點(diǎn)： (1) 分清變量類型，恰當(dāng)使用數(shù)學(xué)工具。 （2）抓住問(wèn)題本質(zhì)，簡(jiǎn)化變量之間的關(guān)系。 (3) 建立數(shù)學(xué)模型時(shí)要有嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推理。

17、 (4) 建模要有足夠的精度。 57）模型求解 ）模型的分析、驗(yàn)證 ）模型的修改 以上步驟也可用下框圖表示： 現(xiàn)實(shí)問(wèn)題 簡(jiǎn)化 假設(shè) 建立模型 模型求解 驗(yàn)證分析模型 合理 模型應(yīng)用 不合理 583、數(shù)學(xué)模型的分類）按變量性質(zhì)分： ）按時(shí)間關(guān)系分： ）按研究方法分： 初等模型、 微分方程模型、 概率統(tǒng)計(jì)模型、 運(yùn)籌學(xué)模型等。 59）按研究對(duì)象所在領(lǐng)域分： 經(jīng)濟(jì)模型、生態(tài)模型、人口模型、交通模型等。 60問(wèn)題 崖高的估算假如你站在崖頂且身上帶著一只具有跑表功 能的計(jì)算器，你也許會(huì)出于好奇心想用扔下 一塊石頭聽(tīng)回聲的方法來(lái)估計(jì)山崖的高度， 假定你能準(zhǔn)確地測(cè)定時(shí)間，你又怎樣來(lái)推算 山崖的高度呢，請(qǐng)你分

18、析一下這一問(wèn)題。我有一只具有跑 表功能的計(jì)算器。61方法一假定空氣阻力不計(jì)，可以直接利用自由落體運(yùn)動(dòng)的公式來(lái)計(jì)算。例如， 設(shè)t=4秒，g=9.81米/秒2，則可求得h78.5米。 我學(xué)過(guò)微積分，我可以做 得更好，呵呵。 62除去地球吸引力外，對(duì)石塊下落影響最大的當(dāng) 屬空氣阻力。根據(jù)流體力學(xué)知識(shí)，此時(shí)可設(shè)空氣阻力正比于石塊下落的速度，阻力系 數(shù)K為常數(shù)，因而，由牛頓第二定律可得： 令k=K/m，解得 代入初始條件 v(0)=0，得c=g/k，故有 再積分一次，得： 63若設(shè)k=0.05并仍設(shè) t=4秒，則可求 得h73.6米。 聽(tīng)到回聲再按跑表，計(jì)算得到的時(shí)間中包含了 反應(yīng)時(shí)間 進(jìn)一步深入考慮不妨設(shè)平均反應(yīng)時(shí)間 為0.1秒 ，假如仍 設(shè)t=4秒，扣除反應(yīng)時(shí)間后應(yīng) 為3.9秒，代入 式，求得h69.9米。 多測(cè)幾次，取平均值再一步深入考慮代入初始條 件h(0)=0，得到計(jì)算山崖高度的公式： 將e-kt用泰勒公式展開(kāi)并 令k 0+ ，即可得出前面不考慮空氣阻力時(shí)的結(jié)果。64