初等数学模型.ppt
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1、初等数学模型现在学习的是第1页,共44页现在学习的是第2页,共44页问题的提出问题的提出v三名商人各带一个随从乘船渡河,一只小船只能容三名商人各带一个随从乘船渡河,一只小船只能容纳两人,由他们自己划行。纳两人,由他们自己划行。v随从们密约,在河的任一岸,一旦随从的人数比商人多随从们密约,在河的任一岸,一旦随从的人数比商人多,就杀人越货。,就杀人越货。v如何乘船渡河的大权掌握在商人们手中,如何乘船渡河的大权掌握在商人们手中,v商人们怎样才能安全渡河呢商人们怎样才能安全渡河呢?现在学习的是第3页,共44页 数模求解的意义数模求解的意义v 对于这类智力游戏,经过一番逻辑思索是可以找出解决办对于这类智
2、力游戏,经过一番逻辑思索是可以找出解决办法的。法的。v这里用数学模型求解,这里用数学模型求解,一是为了给出建模的示例,一是为了给出建模的示例,二是因为这类模型可以解决相当广泛的一类问题,比逻辑思索二是因为这类模型可以解决相当广泛的一类问题,比逻辑思索的结果容易推广。的结果容易推广。现在学习的是第4页,共44页问题分析:问题分析:v由于这个虚拟的问题己经理想化了,所以不必再作假设由于这个虚拟的问题己经理想化了,所以不必再作假设。v安全渡河问题可以视为多步决策过程。每一步,即船由安全渡河问题可以视为多步决策过程。每一步,即船由此岸驶向彼岸或从彼岸驶回此岸,都要对船上的人员此岸驶向彼岸或从彼岸驶回此
3、岸,都要对船上的人员(商商人、随从各几人人、随从各几人)作出决策作出决策v在保证安全的前提下在保证安全的前提下(两岸的商人数都不比随从数少两岸的商人数都不比随从数少),在有限步内使人员全部过河。,在有限步内使人员全部过河。现在学习的是第5页,共44页 变量的确定变量的确定v用状态用状态(变量变量)表示某一岸的人员状况,决策表示某一岸的人员状况,决策(变量变量)表示船上表示船上的人员状况,可以找出状态随决策变化的规律。的人员状况,可以找出状态随决策变化的规律。v问题转化为在状态的允许变化范围内问题转化为在状态的允许变化范围内(即安全渡河条件即安全渡河条件),确定每一步决策,达到渡河目标。确定每一
4、步决策,达到渡河目标。现在学习的是第6页,共44页 模型构成模型构成 v记第记第k次渡河前此岸的商人数为次渡河前此岸的商人数为xk,随从数为,随从数为yk,k=l,2,xk,yk=0,1,2,3。v将二维向量将二维向量sk=(xk,yk)定义为状态定义为状态v安全渡河条件下的状态集合称为允许状态集合,记作安全渡河条件下的状态集合称为允许状态集合,记作S。不难写出。不难写出 S=(x,y)|x=0, y= 0,1,2,3; x=3, y=0,1,2,3; x=y=1,2 (1)现在学习的是第7页,共44页状态状态sk随决策随决策d k变化的规律变化的规律v记第记第k次渡船上商人数为次渡船上商人数
5、为u k,随从数为,随从数为v kv将二维向量将二维向量dk=(uk,vk)定义为决策定义为决策.允许决策集合记作允许决策集合记作D,由小船的容量可知,由小船的容量可知 D=(u,u)|u+v=l,2 (2)v因为因为k为奇数时船从此岸驶向彼岸,为奇数时船从此岸驶向彼岸,k为偶数时船由彼为偶数时船由彼岸驶回此岸,所以状态岸驶回此岸,所以状态sk随决策随决策d k变化的规律是变化的规律是 s k+1= s k +(-1)kd k (3) (3)式称状态转移律。式称状态转移律。现在学习的是第8页,共44页商人安全过河的数学模型商人安全过河的数学模型(多步决策模型)多步决策模型):v 求决策求决策d
6、 k D(k=1,2,,n), 使状态使状态s k S按照转移律按照转移律(3): s k+1= s k +(-1)kd k 由初始状态由初始状态s 1=(3,3)经有限步经有限步n到达到达 状态状态s n+1=(0,0)。现在学习的是第9页,共44页由状态由状态(3,3)经经n(奇数奇数)步决策步决策 转移到转移到(0,0)的转移过程的转移过程v具体转移步骤如下具体转移步骤如下: (0,1) (3,2) (0,2) (3,1) (3,3) + (-1)1 (1,1) (2,2) (1,0) (2,3) (2,0) (1,3) v 再将再将(3,2),(3,1),(2,2)分别与决策向量进行运
7、分别与决策向量进行运算。如此下去,不难验证,经过算。如此下去,不难验证,经过11次决策可取运次决策可取运算后即可完成。算后即可完成。v 当当k为奇数时,为奇数时,dk表示从此岸到彼岸,当表示从此岸到彼岸,当k为偶数为偶数时,表示从彼岸回到此岸。时,表示从彼岸回到此岸。现在学习的是第10页,共44页 模型求解模型求解 v 根据根据(1)-(3)式编一段程序,用计算机求解上述多步决策问题式编一段程序,用计算机求解上述多步决策问题是可行的。是可行的。v对于商人和随从人数不大的简单状况,用图解法解这对于商人和随从人数不大的简单状况,用图解法解这个模型更为方便。个模型更为方便。现在学习的是第11页,共4
8、4页v y(随从数)(随从数) 3 (3,3) o x (商商人数人数) 1 2 3 图1-3 安全渡河问题的图解法(共四种)现在学习的是第12页,共44页图解法决策的步骤图解法决策的步骤v在在xoy平面坐标系上画出图平面坐标系上画出图1-3那样的方格,方格点表示那样的方格,方格点表示状态状态s=(x,y)。v允许状态集合允许状态集合S是圆点标出的是圆点标出的10个格子点。个格子点。v允许决策允许决策d是沿方格线移动是沿方格线移动1或或2格,格,k为奇数时向左、下方为奇数时向左、下方移动,移动,k为偶数时向右、上方移动。为偶数时向右、上方移动。v要确定一系列的要确定一系列的d k使由使由s 1
9、=(3,3)经过那些圆点最终移至原经过那些圆点最终移至原点点(0,0)。现在学习的是第13页,共44页 课堂课堂(后后)数模练习数模练习v试在图试在图1-3中给出一种移动方案,即经过决策中给出一种移动方案,即经过决策 d 1,d 2,d n,最终有,最终有s n+1=(0,0)。v将该结果翻译成渡河的方案。将该结果翻译成渡河的方案。现在学习的是第14页,共44页评评 注注 v 这里介绍的模型是一种规格化的方法,使我们可以这里介绍的模型是一种规格化的方法,使我们可以用计算机求解,从而具有推广的意义。用计算机求解,从而具有推广的意义。v譬如当商人和随从人数增加或小船的容量加大时,靠譬如当商人和随从
10、人数增加或小船的容量加大时,靠逻辑思考就困难了,而用这种模型则仍可方便地求解逻辑思考就困难了,而用这种模型则仍可方便地求解。v另外,适当地设置状态和决策,并确定状态转移律,另外,适当地设置状态和决策,并确定状态转移律,是有效地解决很广泛的一类问题的建模方法,在以后是有效地解决很广泛的一类问题的建模方法,在以后还可能要用到。还可能要用到。 现在学习的是第15页,共44页人、狼、羊、菜渡河模型人、狼、羊、菜渡河模型 现在学习的是第16页,共44页问题的提出问题的提出v一摆渡人一摆渡人F希望用一条小船把一只狼希望用一条小船把一只狼W,一头羊,一头羊G和一篮白菜和一篮白菜C从一条河的左岸渡到右岸去,而
11、船从一条河的左岸渡到右岸去,而船小只能容纳小只能容纳F、W、G、C中的两个,决不能在无人中的两个,决不能在无人看守的情况下,留下狼和羊在一起,羊和白菜在一起看守的情况下,留下狼和羊在一起,羊和白菜在一起,v应怎样渡河才能将狼、羊、白菜都运过去应怎样渡河才能将狼、羊、白菜都运过去?v 这是一个有趣的智力游戏问题,显然可用递推方法这是一个有趣的智力游戏问题,显然可用递推方法解决,但我们把此问题化为状态转移问题来解决。解决,但我们把此问题化为状态转移问题来解决。现在学习的是第17页,共44页 状态向量的表示状态向量的表示 v将人、狼、羊、菜依次用一个四维向量表示,当一物将人、狼、羊、菜依次用一个四维
12、向量表示,当一物在左岸时,记相应的分量为在左岸时,记相应的分量为1,否则记为,否则记为0,如,如A(1,0,1,0)表示人和羊在左岸,并称为一个状态表示人和羊在左岸,并称为一个状态v由问题中的限制条件,有些状态是允许的,有的由问题中的限制条件,有些状态是允许的,有的是不允许的。是不允许的。现在学习的是第18页,共44页v凡系统可以允许存在的状态称为可取状态,如凡系统可以允许存在的状态称为可取状态,如A1(1,0,1,0)是可取状态,但是可取状态,但A2(0,0,1,1)是一个不可取是一个不可取状态,状态,v此外,把每运载一次也用一个四维向量来表示,如此外,把每运载一次也用一个四维向量来表示,如
13、B1(1,1,0,0)表示人和狼在船上,而羊和白菜不在表示人和狼在船上,而羊和白菜不在船上,这是可取的运载,因为船可载两物,而船上,这是可取的运载,因为船可载两物,而B2(1,0,1,1)则是不可取运载则是不可取运载v利用穷举法可得到问题的解利用穷举法可得到问题的解 现在学习的是第19页,共44页穷举法求解穷举法求解v(1)可取可取(允许允许)状态状态A共有共有10个个 (1,1,1,1) (0,0,0,0) (1,1, 1,0) (0,0,0,1) (1,1,0,1) (0,0,1,0) (1,0,1,1) (0,1,0,0) (1,0,1,0) (0,1,0,1) 右边右边5个正好是左边个
14、正好是左边5个的相反状态个的相反状态 。现在学习的是第20页,共44页可取运载与可取运算可取运载与可取运算 v(2)可取运载可取运载 B 共有共有4个个 (1,1,0,0) (1,0,1,0) (1,0,0,1) (1,0,0,0)v(3)可取运算可取运算 :规定规定A与与B相加时对每一分量按二进制法则进相加时对每一分量按二进制法则进行行: 0十十0= 0,1十十 0=1, 0十十 1=1,1十十 1= 0。v 这样这样 ,一次渡河就是一个可取状态向量与一个可取运载,一次渡河就是一个可取状态向量与一个可取运载向量相加,可取状态经过加法运算后仍是可取状态向量相加,可取状态经过加法运算后仍是可取状
15、态 ,这种,这种运算称为可取运算运算称为可取运算 。现在学习的是第21页,共44页穷举法的数学模型穷举法的数学模型v 在上述规定下,问题转化为在上述规定下,问题转化为: 从初始状态从初始状态 (1,1,1,1)经过多少次经过多少次(奇数次奇数次)可取运可取运算才能转化为状态算才能转化为状态(0,0,0,0)。v 如果一个状态是可取的就打如果一个状态是可取的就打,否则就打,否则就打,虽然可取但,虽然可取但已重复就打已重复就打,于是问题可用穷举法解答如下:,于是问题可用穷举法解答如下:现在学习的是第22页,共44页 (1,0,1,0) (0,1,0,1) 1) (1,1,1,1) 十十 (1,1,
16、0,0) (0,0,1,1) (1,0,0,1) (0,1,1,0) (1,0,0,0) (0,1,1,1) (1,0,1,0) (1,1,1,1) 2) (0,1,0,1) 十十 (1,1,0,0) (1,0,0,1) (1,0,0,1) (1,1,0,0) (1,0,0,0) (1,1,0,1) (1,0,1,0) (0,1,1,1) 3) (1,1,0,1) 十十 (1,1,0,0) (0,0,0,1) (1,0,0,1) (0,1,0,1) (1,0,0,0) (0,1,0,1) (1,0,1,0) (1,0,1,1) 4)1 (0,0,0,1) 十十 (1,1,0,0) (1,1,0
17、,1) (1,0,0,1) (1,0,0,0) (1,0,0,0) (1,0,0,1) 现在学习的是第23页,共44页 (1,0,1,0) (1,1,1,0) 4)2 (0,1,0,0) 十十 (1,1,0,0) (1,0,0,0) (1,0,0,1) (1,1,0,1) (1,0,0,0) (1,1,0,0) (1,0,1,0) (0,0,0,1) 5)1 (1,0,1,1) 十十 (1,1,0,0) (0,1,1,1) (1,0,0,1) (0,0,1,0) (1,0,0,0) (0,0,1,1) (1,0,1,0) (0,1,0,0) 5)2 (1,1,1,0) 十十 (1,1,0,0)
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