2022年数学建模简介 .pdf
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1、数学建模简介那么究竟什么是数学建模?为什么开设这门课程?它的作用、它的意义、 有什么特点?它的基本流程是什么?又为什么说这是一门全新的课程?数学建模的目的不是学数学,而是用数学去解决实际问题。即数学建模的概念、作用、特点与建模的基本过程。具体来说有以下几个方面的内容:1、为什么开设数学建模课?2、数学建模的概念和基本流程。3、数学建模的特点。4、数学建模课程学习的主要内容是什么?5、学习数学建模课程的建议。先来说明开课的目的,即第一个问题:一、为什么开设数学建模课?为了说明问题方便,我们不妨从几个来探讨这个问题。问题 1 合理捕捞问题。老王承包了一个很大的鱼塘作养鱼专业户,过了一段时间后他想,
2、 该进行捕捞了。 可是该如何捕捞才能获得最大的收益呢?请你协助他制定一个合理的捕捞计划。可能会有人说, 要想获得最大的收益呢,那么把所有的鱼都打上来卖,如果捕捞10 公斤的鱼就有 10 公斤的价值,如果捕捞100 公斤的鱼就有 100 公斤的价值,这里 100公斤的价值就比10 公斤的价值高 10 倍,如果鱼塘的鱼总共是 1 万公斤的话,那么全部捕捞出来,就有1 万公斤的价值。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页,共 15 页 - - - - - - - - - 这
3、自然是最大的收益,可是仔细想来,这个做法是值得推敲的。首先市场情况,你是否了解?市场能否容纳下这一万公斤鱼的销售,如果不能全部售出的话,后果可想而知,这是第一个问题。其次, 如果你继续想做养鱼专业户的话, 你这个做法值得好好想想了,除非你不再想养鱼了, 自然这个做法是可以的, 我今后不养鱼, 我都卖光,用这个钱去做其它的行业,这是有力的做法,是对的。不过你还想做养鱼专业户的话, 这个做法是值得推敲了。 如果一网打尽, 接着还要养鱼,而养鱼是需要鱼苗和时间的。那么如何去捕捞才合理呢?就应该有个想法,什么想法呢?保持鱼塘的鱼的可持续发展为前提, 这个做法将在后面为大家介绍,通过这么建立一个数学模型
4、的方法, 或通过数学建模的方法, 把这个问题解决,那时我们将得出一个很好的结论。怎么捕捞呢?只需捕捞5000 公斤鱼就可以了,也就是说整个鱼塘鱼的容量的一半是最好的捕捞政策。为什么?那么请你跟我学习数学建模好了。这是第一个问题。问题 2 生产计划安排下岗工人老张想利用自己的一技之长自行组织生产,目前手头只有 12000元可用积蓄, 他满怀希望地找到您, 希望您能帮他搞一个可行的生产计划,以求获得最大收益。 这个是生产计划安排问题, 这个问题的回答, 似乎比上一个问题难回答很多。其实不然,只要建立一个简单的数学模型,就可以获得一个相当不错的答案,或者是一个最优的答案。什么答案呢?我们可以告诉老张
5、师傅,你可以用 12000元的积蓄去换来 70000多元的收益, 这是一个很好的结果, 它是怎么来的呢?这就名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页,共 15 页 - - - - - - - - - 是数学建模要解决的问题。还有一个问题我想跟大家顺便说一说,就是工厂为什么会倒闭这件事,老张下岗了吗?那么工厂为什么会倒闭?我想顺便说一个事情,就是所谓的土豆的故事。这个例子,我很愿意跟大家说,这很简单,但很能说明问题。土豆的故事是什么意思呢?假设用 5 角钱买了一个土豆,
6、一个很大的土豆, 那么有人拿它炒一盘土豆丝出卖,假设卖出的价格是5 元钱,则这个土豆创造了5 元的价钱,当然这还要扣除土豆钱、油钱、人工钱等等,至少剩下3 元钱;同样的一个土豆, 在别人的手里, 他就不这么做了, 他根据市场的需要,做了一块土豆泥,大家知道,土豆泥现在是很吃香的,那么这块土豆泥至少可以卖多少钱呢?至少可以卖10 元钱,除去成本,至少可以剩下 8 元钱,那么 5 角钱的土豆创造了8 元钱的利润,而前面是创造了 3 元钱的利润。 你看看,同样的一个土豆, 或者说同样的一种资源,在不同人的手里,它所创造的价值是不是不同呢?这就是说,同等数量的资源,在不同人的手上,它所创造的价值也是不
7、同的。那么,为什么有些企业效益好, 而有些企业会倒闭, 很大的成份是他们不会充分利用手上的资源, 使它发挥最大的潜力。 而这些问题都是数学建模中要研究的问题。想知道吗?跟我学习数学建模好了。由这两个例子, 我们可以看到, 当我们面对一些实际问题时我们理应自然面对, 为什么?因为我们是应用数学工作者吗。可是,当我们遇到实际问题时该如何做, 你应该做什么?这个时候你可能感觉到我学了那么多的数学知识, 居然不知道如何利用数学知识去解决实际问题,名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第
8、 3 页,共 15 页 - - - - - - - - - 这里的关键是什么呢?要我看就是一条,不善于把实际问题转化为数学模型,通过解决数学模型而把实际问题解决,这件事你没有做到,也就是说不善于把一个实际问题转化为数学模型,这是关键所在。 因此,学习数学建模有它重大的意义,它能够解决实际问题, 能把我们学过的知识成功地运用上。我们不妨再看一个例子,一个很热的话题:*问题 3 传染病流行控制现在的传染病是越来越多了,非典过去,现在又来了猪流感,看来应该认真地好好地研究研究流行病的传染规律,以进行有效的分析和控制。 实际上,医学工作者和数学工作者早就进行了早期的合作, 研究出一批数学模型, 那是对
9、流行病传染进行有效的分析、控制、预报及治疗,也同时给政府提供了一个进行宏观调控的可控制化的数据,那么通过数学建模的方法都可以把这些问题解决。因此,数学建模课程有它开设的必要性,也因此数学建模课程这门课程也应运而生了。这就是我们为什么开设这门课程的目的所在。目的:探讨如何将一个现实问题转化为数学模型,从而对所研究的问题提供分析、 预报、控制和决策等方面的定量结果,以有效地解决实际问题。综上所述, 可以理解到数学建模这门课程的主要目的:不是学数学,而是用数学去解决实际问题。从这个意义上讲, 学习数学建模课程有它的另外一个重要的目的:目的:通过学习和实践, 全面提高学员的综合素质, 培养创新能力和名
10、师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页,共 15 页 - - - - - - - - - 良好的数学思维品质, 获得分析和解决实际问题的能力。综合以上两个方面的原因,就是数学建模课程和以前所学过的数学课程相比全新的主要原因。那么够境什么是数学模型,数学建模又是什么呢?下面我们来解决第二个问题二、 数学建模的基本概念和基本流程实际上这两个概念在中学时我们就已经接触过,只不过我们没有充分注意到它就是数学建模问题吧。如下述这类实际问题:例设某厂要投产一种新型轿车,预计第一年生
11、产4 万辆,第二、第三年产量持续增长,计划到第三年末总计生产19 万辆。则后两年的增长率是多少?由此看到,这些中学(初中代数)的一道应用题,它是老师教学生学会一元二次方程的解法或简单应用,是事先编制好了的,这个称之为实际问题。 而实际问题不会让你一眼就看出来,它的基本解法和应用过程, 就好象岗在所举的例子一样。 但是, 麻雀既小,五脏齐全。看起来简单,它已经把数学建模的基本概念和基本流程包含在内了,我们不妨祥细地解剖这只麻雀,从而给出数学建模的基本概念和基本流程。 顺便向大家提出一个数学建模的基本流程,这个建模流程,对于初学者来说, 是极具指导意义的。 请大家一定要注意掌握它。下面我们就来解剖
12、这只麻雀。1、根据对象的实际背景和要求进行问题分析这一步叫做问题分析,是建模过程的第一步。假如增长率是常数x,则根据题意可得4+4(1+x)+4(1+x)2=19 2、 根据问题分析和建立数学模型的目的作出合理的简化的模型假设。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页,共 15 页 - - - - - - - - - 本例中我们假设增长率是常数x,这是一个实际上的不合理假设,事实上,实际中生产的增长率不会是常数的,但就本问题来说, 这个假设是合理的。否则,这个问题不会作
13、为中学应用题来出现。因此,假设的合理性与问题讨论的范围是直接有关的,与使用的工具也是直接相关的。这是第二步模型假设。3、在问题分析与模型假设基础上建立数学模型。通常简称为建立模型或模型建立。就本例来说:经整理得 4x2+12x-7=0 是岗在那个式子的整理结果, 那么这个一元二次方程就是本问题的数学模型。再看下一步:4、选择适当的数学工具求解数学模型。就本例来说:运用因式分解法(或求根公式)易得最后一步5、对模型结果进行模型分析。对本例来说,只要是讨论这个解是否符合实际。因为 不符合实际,故舍去。那么假如两个根都不符合实际的话,更一般来说,我们所建立模型的最后结论不能被我们所接受,请注意,这是
14、经常会遇到的事情, 那么这个时候除非求解出问题,那么就只有一种解释,就是我们所建立的模型有误, 这个时候就必须对我们数学建模的整个过程进行重新审查,看看那一步出毛病了, 这时特别注意审视模型假设这一步(第二步)是不是出毛病了。因为一般来讲,数学建模它的最后建模出问题, 问题通常都出在模型假设这一步。那么名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页,共 15 页 - - - - - - - - - 要注意的是如果模型出问题了,需要修改了, 这个时候一般都是在原来模型的基础上进
15、行修改, 切记不要将辛辛苦苦建立的数学模型一棒打死的做法,修改吗?就要在原来模型的基础上进行修改,这是模型分析这一步的两项工作, 即检验与修改。 但实际上模型分析这一步的内容非常富,它不紧包括模型的检验与修改,还包括:模型进一步的分析、推广、 评价和应用。后面我们会逐步看到这一点。至此为止,我们严格地把前面的这个例子完满地解决了,那么建立数学模型的整过过程,是我们今后用数学建模解决实际问题的基本过程,或基本步骤。我们把它称为五步建模法:五步建模程序框图如果模型分析的结果符合我们实际问题的实际,那么我们就把这个结果返回到实际中去,从而解决实际问题。另一方面,如果模型分析的结果不符合实际问题,那么
16、我们就要把这个问题返回到第二步模型假设中去,这个时候,同时关照一下模型分析这一步是很有必要的, 这就是五步建模法的程序扩充。重复一下五步:请大家注意,这五步建模法,对初学者,对大家来说,是极具指导意义的。前面已经说过了,这里再重复一次,这是特别强调指出,换一句话说,在开始学习数学建模的时候,不妨去套用这五步建模法这个程序,去试一试,当然随着时间的推移, 大家会看到这个五步建模法一路上是有它的弹性的, 也就是说这个五步建模法不能说对每个问题名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第
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