数学建模与创新精品文稿.ppt

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1、数学建模与创新第1页，本讲稿共35页 1992年由中国工业与应用数学学会年由中国工业与应用数学学会(CSIAM)组织第一次竞赛组织第一次竞赛 1994年起由教育部高教司和年起由教育部高教司和CSIAM共同举办，每年一次共同举办，每年一次(9月月)全国大学生数学建模竞赛全国大学生数学建模竞赛 全国高校规模最大的课外科技活动全国高校规模最大的课外科技活动 19991999年开始设立大专组的竞赛年开始设立大专组的竞赛第2页，本讲稿共35页我国我国CUMCM竞赛规模竞赛规模第3页，本讲稿共35页内容内容 赛题：工程、管理中经过简化的实际问题赛题：工程、管理中经过简化的实际问题 答卷：一篇包含问题分析、

2、模型假设、建立、求解答卷：一篇包含问题分析、模型假设、建立、求解(通常通常用计算机用计算机)、结果分析和检验等的论文、结果分析和检验等的论文形式形式 3名大学生组队，在名大学生组队，在3天内完成的通讯比赛天内完成的通讯比赛 可使用任何可使用任何“死死”材料材料(图书图书/互联网互联网/软件等软件等),但不但不得与队外任何人讨论（包括上网讨论）得与队外任何人讨论（包括上网讨论）宗旨宗旨创新意识创新意识 团队精神团队精神 重在参与重在参与 公平竞争公平竞争标准标准假设的合理性，建模的创造性，结果假设的合理性，建模的创造性，结果的正确性，表述的清晰性。的正确性，表述的清晰性。数学建模竞赛内容与形式数

3、学建模竞赛内容与形式第4页，本讲稿共35页年份年份A题题B题题C题题D题题2003SARS的传播的传播露天矿生产的车露天矿生产的车辆安排辆安排SARS的传播的传播抢渡长江抢渡长江2004奥运会临时超市网奥运会临时超市网点设计点设计电力市场的输电电力市场的输电阻塞管理阻塞管理饮酒驾车饮酒驾车公务员招聘公务员招聘2005长江水质的评价和长江水质的评价和预测预测DVD在线租赁在线租赁雨量预报方法的雨量预报方法的评价评价DVD在线租赁在线租赁2006出版社的资源配置出版社的资源配置艾滋病疗法的评艾滋病疗法的评价和疗效的预测价和疗效的预测易拉罐形状和尺易拉罐形状和尺寸的最优设计寸的最优设计煤矿瓦斯和煤煤

4、矿瓦斯和煤尘的监测与控尘的监测与控制制2007中国人口增长预测中国人口增长预测 乘公交，看奥运乘公交，看奥运手机手机“套餐套餐”优优惠几何惠几何体能测试时间体能测试时间安排安排2008数码相机定位数码相机定位高等教育收费标高等教育收费标准探讨准探讨地面搜索地面搜索NBA赛程的分赛程的分析与评价析与评价2009制动器试验台的控制动器试验台的控制方法分析制方法分析眼科病床的合理眼科病床的合理安排安排卫星和飞船的跟卫星和飞船的跟踪测控踪测控会议筹备会议筹备数学建模竞赛数学建模竞赛CUMCM近年题目近年题目第5页，本讲稿共35页竞赛目的提高学生综合素质提高学生综合素质数学建模竞赛的题目由工程技术、经济

5、管理、社会生活等领域中的实际问题数学建模竞赛的题目由工程技术、经济管理、社会生活等领域中的实际问题简化加工而成，没有事先设定的标准答案，但留有充分余地供参赛者发挥其简化加工而成，没有事先设定的标准答案，但留有充分余地供参赛者发挥其聪明才智和创造精神。聪明才智和创造精神。从下面一些题目的标题可以看出其实用性和挑战性：从下面一些题目的标题可以看出其实用性和挑战性：“DNA DNA 序列分类序列分类”、“血管的三维重建血管的三维重建”、“公交车调度公交车调度”、“SARS SARS 的传播的传播”、“奥运奥运会临时超市网点设计会临时超市网点设计”、“长江水质的评价和预测长江水质的评价和预测”、“中国

6、人口预中国人口预测测”竞赛以通讯形式进行，三名大学生组成一队，在三天时间内可以自由地收集竞赛以通讯形式进行，三名大学生组成一队，在三天时间内可以自由地收集资料、调查研究，使用计算机、软件和互联网，但不得与队外任何人包括指资料、调查研究，使用计算机、软件和互联网，但不得与队外任何人包括指导教师讨论。要求每个队完成一篇包括模型的假设、建立和求解，计算方法导教师讨论。要求每个队完成一篇包括模型的假设、建立和求解，计算方法的设计和计算机实现，结果的分析和检验，模型的改进等方面的论文。的设计和计算机实现，结果的分析和检验，模型的改进等方面的论文。竞赛评奖以假设的合理性、建模的创造性、结果的正确性和文字表

7、竞赛评奖以假设的合理性、建模的创造性、结果的正确性和文字表述的清晰程度为主要标准。可以看出，这项竞赛从内容到形式与传述的清晰程度为主要标准。可以看出，这项竞赛从内容到形式与传统的数学竞赛不同，既丰富、活跃了广大同学的课外生活，也为优统的数学竞赛不同，既丰富、活跃了广大同学的课外生活，也为优秀学生脱颖而出创造了条件。秀学生脱颖而出创造了条件。第6页，本讲稿共35页推动高校教育改革推动高校教育改革竞赛虽然发展得如此迅速，但是参加者毕竟还是很少一部分学生，要竞赛虽然发展得如此迅速，但是参加者毕竟还是很少一部分学生，要使它具有强大的生命力，必须与日常的教学活动和教育改革相结合。使它具有强大的生命力，必

8、须与日常的教学活动和教育改革相结合。十几年来在竞赛的推动下许多高校相继开设了数学建模课程以及与此密切相十几年来在竞赛的推动下许多高校相继开设了数学建模课程以及与此密切相关的数学实验课程，一些教师正在进行将数学建模的思想和方法融入数学主关的数学实验课程，一些教师正在进行将数学建模的思想和方法融入数学主干课程的研究和试验。干课程的研究和试验。数学教育本质上是一种素质教育。通过数学的训练，可以使学生树立明确的数学教育本质上是一种素质教育。通过数学的训练，可以使学生树立明确的数量观念，提高逻辑思维能力，有助于培养认真细致、一丝不苟的作风，形数量观念，提高逻辑思维能力，有助于培养认真细致、一丝不苟的作风

9、，形成精益求精的风格，提高运用数学知识处理现实世界中各种复杂问题的意识、成精益求精的风格，提高运用数学知识处理现实世界中各种复杂问题的意识、信念和能力，调动学生的探索精神和创造力。信念和能力，调动学生的探索精神和创造力。竞赛目的第7页，本讲稿共35页创新意识创新意识团队精神团队精神重在参与重在参与公平竞争公平竞争让青春燃烧出最灿烂的火焰让青春燃烧出最灿烂的火焰范捷范捷西北工业大学电子信息学院西北工业大学电子信息学院我们已读了十几年书，但都是纸上谈兵，只会做题、考试，而数模竞赛是我们第一次我们已读了十几年书，但都是纸上谈兵，只会做题、考试，而数模竞赛是我们第一次去解决实际问题。从书中到书外，从理

10、论到实践，这是一次质的飞跃，对我而言也是去解决实际问题。从书中到书外，从理论到实践，这是一次质的飞跃，对我而言也是一次转折。一次转折。是数模竞赛让我真实地体会到：是数模竞赛让我真实地体会到：我所学习的知识是有用的，可以解决实际问题；我将来能用双手去我所学习的知识是有用的，可以解决实际问题；我将来能用双手去创造世界，我有存在的价值！创造世界，我有存在的价值！以前，这些是别人告诉我的，而这一次，我在竞赛以前，这些是别人告诉我的，而这一次，我在竞赛过程中有了切身的体会，这是一种完全不同的感受过程中有了切身的体会，这是一种完全不同的感受。参加数模竞赛可以塑造性格，锻炼我们多方面的能力参加数模竞赛可以塑

11、造性格，锻炼我们多方面的能力合作合作让我们手拉手，一起走。让我们手拉手，一起走。每前进一步都不容易，但我们不是孤军奋战，而是共同作战。每前进一步都不容易，但我们不是孤军奋战，而是共同作战。大家彻夜无眠，为了数模的梦而奋斗！我们细心认真的态度决定了最终的成功。大家彻夜无眠，为了数模的梦而奋斗！我们细心认真的态度决定了最终的成功。数模竞赛还促进了同学间的相互学习，培养了大家的创新能力，它如同以后工作数模竞赛还促进了同学间的相互学习，培养了大家的创新能力，它如同以后工作生活的一次模拟，对于我们将来走上工作岗位，是一次重要的铺垫。对于大学教生活的一次模拟，对于我们将来走上工作岗位，是一次重要的铺垫。对

12、于大学教育，对于青年一代的培养，数模竞赛有着深远的意义育，对于青年一代的培养，数模竞赛有着深远的意义。第8页，本讲稿共35页我校参加数学建模的情况我校我校1994年派教师参加全国第一届数模教练员培年派教师参加全国第一届数模教练员培训班，训班，1996年第一次派队参赛并在数学系开设数年第一次派队参赛并在数学系开设数学建模课程学建模课程数学模型数学模型（必修）。（必修）。2003年在全校范围内开设了数学建模公共选修课。年在全校范围内开设了数学建模公共选修课。2001年在数学学院开设了年在数学学院开设了数学软件数学软件（必），（必），2003年开设了年开设了数学软件数学软件2003年以前每年参赛队数

13、不超过年以前每年参赛队数不超过10队，队，2003年有年有10队参赛，到队参赛，到2008、09年参赛队伍达到年参赛队伍达到25支。支。第9页，本讲稿共35页获奖情况获奖情况2005-20082005-2008全国一等奖每年全国一等奖每年1 1项，共项，共3 3项。项。2001-20082001-2008年全国二等奖年全国二等奖1010项项2001-20072001-2007年自治区一等奖年自治区一等奖2121项项20062006年研究生数学建模竞赛全国二等奖年研究生数学建模竞赛全国二等奖1 1项项20072007年研究生数学建模竞赛全国二等奖年研究生数学建模竞赛全国二等奖1 1项、项、三等奖

14、三等奖1 1项项20082008年研究生数学建模竞赛全国二等奖年研究生数学建模竞赛全国二等奖1 1项、项、三等奖三等奖1 1项项第10页，本讲稿共35页数学与文学红楼梦作者研究统计是一种通用方法论科学，广泛运用于许多科学领统计是一种通用方法论科学，广泛运用于许多科学领域。现在几乎很难找到不应用统计学的领域。在文学领域域。现在几乎很难找到不应用统计学的领域。在文学领域统计也得到一些应用。统计也得到一些应用。1980年年6月美国威斯康新大学教授陈炳藻在首届月美国威斯康新大学教授陈炳藻在首届红楼梦红楼梦国际研讨会上宣读了他的论文国际研讨会上宣读了他的论文-从词汇上统计论从词汇上统计论红楼梦红楼梦作者

15、问题。引起国际红学界的重视。陈将红楼梦前作者问题。引起国际红学界的重视。陈将红楼梦前80回和后回和后40回的用字进行了统计。他将词分回的用字进行了统计。他将词分5类：名词、动词、形容词、类：名词、动词、形容词、副词和虚词。从统计角度研究前后用字的相关程度，发现相副词和虚词。从统计角度研究前后用字的相关程度，发现相关度达到关度达到78.57%。于是他得出了红楼梦就是曹雪芹一人所著。于是他得出了红楼梦就是曹雪芹一人所著的结论！的结论！第11页，本讲稿共35页虚词呀也哦 啊 呢 吗唔 呼频数ni12532749 7086虚词呀也哦 啊 呢吗唔呼频数qi10722949 78124统计出莎士比亚作品虚

16、词频数统计出莎士比亚作品虚词频数统计出被怀疑的作品相同虚词的频数统计出被怀疑的作品相同虚词的频数如果出自同一人之手则如果出自同一人之手则值应当较小值应当较小第12页，本讲稿共35页复旦大学李贤平教授在1987年带领学生重新研究红楼梦，他们把红楼梦分成120个样本（每一回算一个样本）然后统计与情节无关的47个虚词（之、其、呀、咧）统计出每一回虚词出现的频率。用多元统计中的聚类方法进行聚类，果然将前80回聚成一类，后40回聚成另一类。形象证实了红楼梦不是出自一人之手笔。他们又用曹雪芹另外一部作品为母本，对照前80回的用词，证明了前80回是曹雪芹所著。同样证明了后40回不是高鹗一人所著的传统认识。这

17、个例子证明了文理兼通出新意的简单道理。当然运用数学方法时李的做法更合理一些。第13页，本讲稿共35页似乎该用的方法都用尽了？似乎该用的方法都用尽了？2010年又有人年又有人从句子的长度出发，用两种方法进行了分从句子的长度出发，用两种方法进行了分析，得出与李相同的结论析，得出与李相同的结论第14页，本讲稿共35页投资优化模型投资优化是典型的二次规划问题：我们来看一个小例题投资优化是典型的二次规划问题：我们来看一个小例题假定有假定有1百万元，可以投资到三支股票上，随机变量百万元，可以投资到三支股票上，随机变量Ri表示投表示投资到股票资到股票i上的上的1元钱每年带来的收益。通过对历史资料的元钱每年带

18、来的收益。通过对历史资料的分析，分析，我们得到各只股票的平均收益值为：我们得到各只股票的平均收益值为：E(R1)=0.09;E(R2)=0.07;E(R3)=0.06年度方差为：Var(R1)=0.2;Var(R2)=0.2;Var(R3)=0.15;协方差为Cov(R1,R2)=0.03;Cov(R1,R3)=0.04;Cov(R3,R2)=0.05第15页，本讲稿共35页设xi是投资在股票i上的金额（百万元）。每年收益：X1R1+x2R2+x3R3期望收益：期望收益：X1E(R1)+X2E(R2）+x3E（R3）如果希望收益大于如果希望收益大于.，则有约束，则有约束：.X1+.x2+.x3

19、0.075对于投资的约束为：X1+x2+x3=1目标是：收益的方差最小。即：MinZ=Var(X1R1+x2R2+x3R3)=第16页，本讲稿共35页Model：Min=0.2*x12+0.07*x22+0.15*x32+0.06*x1*x2+0.08*x1*x3+0.10*x2*x3；St0.09*x1+0.07*x2+0.06*x3=0.075；x1+x2+x3=1；x10；x20；x30；ENDLingo程序程序第17页，本讲稿共35页Localoptimalsolutionfoundatiteration:30Objectivevalue:0.6293210E-01VariableVa

20、lueReducedCostX10.26543210.000000X20.70370360.000000X30.3086424E-010.000000RowSlackorSurplusDualPrice10.6293210E-01-1.00000020.000000-1.66666730.000000-0.8641726E-0340.26543210.00000050.70370360.00000060.3086424E-010.000000第18页，本讲稿共35页文件备份文件备份在出发去度假之前，你希望将你的重要文件备份到软盘上。每个软盘的容量是1.44MB。你需要备份的16个文件的大小是：

21、46KB,55KB,62KB,87KB,108KB,114KB,137KB,164KB,253KB,364KB,372KB,388KB,406KB,432KB,461KB,851KB假定你无法使用压缩软件，但软盘数量足够，那么应当如何将这些文件分配到每一个软盘上才能使使用的软盘数量最少?第19页，本讲稿共35页文件备份令F为需要备份的文件集合，D=1，2，3，N为软盘集合。C为软盘容量，Sf为第f个文件的大小，单位KB。定义决策变量Xfd=再定义变量再定义变量目标为：第20页，本讲稿共35页约束条件a)每个文件只能保存到一个软盘上b)软盘d容量有限定义决策变量Xfd=第21页，本讲稿共35页模

22、型求解文件在软盘上的分配方式软盘文件大小使用空间146871371642533643881.439255621083724084321.43531144618511.426大家可以想想另外的模型！第22页，本讲稿共35页合金制造有一家钢铁公司收到一份500吨造船用刚的订单。这些造船用钢有如下品质要求：化学元素最低含量%最高含量%碳C23铜Cu0.40.6锰Mn1.21.65此公司存储有7种不同的原料，都可以用于制造这种刚。下表列出这些原料的品质、库存及价格原材料c%Cu%Mn%可用库存（吨）单价元/吨铁合金12.501.3400200铁合金2300.8300250铁合金300.30600150

23、铜合金10900500220铜合金20964200240铝合金100.41.2300100铝合金200.60250165我们的目标是求出各种原料各取多少才能使生产成本最低？第23页，本讲稿共35页模型的数学表达我们用R表示7种原材料集合：R=1,2,3,4,5,6,7C表示与材料品质相关的各种成分的集合Ci表示原材料i的单价（已知）xi表示原材料i的用量（决策变量）目标函数是最低生产成本约束条件产量要求品质要求Pij表示原材料i中化学元素j的含量（已知）Pj表示成品中化学元素j的最低含量Pj表示成品中化学元素j的最高含量库存要求ai表示第i种原材料的库存量（已知）非负要求第24页，本讲稿共35

24、页模型求解使用优化软件lindo6.0可得结果：X1=400;(铁合金1)x2=0;(铁合金2)x3=39.776;(铁合金3)x4=0;(铜合金1)x5=2.761(铜合金2)x6=57.462(铝合金1)；x7=57.462(铝合金2)；碳、铜、锰含量分别是2%；0.6%和1.2%达到要求总生产成本：98121.6元第25页，本讲稿共35页3.银行储蓄所雇员人数银行储蓄所雇员人数某银行储蓄所每天的工作时间是上午某银行储蓄所每天的工作时间是上午9:00点到下午点到下午5:00点点,根据经验根据经验,每天不同时间段所需雇每天不同时间段所需雇员数量如下表所示员数量如下表所示:时间段时间段9101

25、011111212112233445雇员数量雇员数量43465688储蓄所可以雇佣全时工和半全时工储蓄所可以雇佣全时工和半全时工,全时雇员每天从全时雇员每天从9:005:00工作工作,每天报酬每天报酬100元元,但中午但中午12:002:00之间必须安排之间必须安排1小时时间的午餐小时时间的午餐.储蓄所每天可以雇佣不超过储蓄所每天可以雇佣不超过3名的半时服务员名的半时服务员,每每个半时服务员必须连续工作个半时服务员必须连续工作4小时小时,报酬每天报酬每天40元元.问该储蓄所如何雇佣全时工和半全时工问该储蓄所如何雇佣全时工和半全时工服务员服务员?如果不能雇佣半全时工服务员如果不能雇佣半全时工服务

26、员,每天增加多少经费每天增加多少经费?如果雇佣半时工服务员的人数没有限制如果雇佣半时工服务员的人数没有限制,每天可减少多少经费每天可减少多少经费?设储蓄所每天雇佣的储蓄所每天雇佣的全时服务员全时服务员中以中以12:001:00为为午餐时间午餐时间的有的有x1名名,以以1:002:00为为午餐时间的有午餐时间的有x2名名;半时服务员半时服务员中从中从9:00,10:00,11:00,12:00,1:00开始工作开始工作的分别为的分别为y1,y2,y3,y4,y5名名.列列出模型出模型模型建立模型建立第26页，本讲稿共35页目标全时全时服务员服务员被分成两部分被分成两部分半时服务员被分成半时服务员

27、被分成5部分部分Min100 x1+100 x2+40y1+40y2+40y3+40y4+40y5按午餐时间分全时服务员每天报酬全时服务员每天报酬100元，半时服务员每天报酬元，半时服务员每天报酬40元。元。储蓄所每天费用为：储蓄所每天费用为：第27页，本讲稿共35页约束条件约束条件时间段时间段9101011111212112233445雇员数量雇员数量43465688各各时时段段工工作作人人数数限限制制半时服务员限制半时服务员限制非负限制非负限制X1=3,X2=4,Y1=0,Y2=0,Y3=2,Y4=0,Y5=1最小费用最小费用820元元整数规划整数规划第28页，本讲稿共35页世博会雇佣志愿

28、者作为接待处的工作人员，接待时间是从早上世博会雇佣志愿者作为接待处的工作人员，接待时间是从早上8：00点到晚上点到晚上10：00点。每名志愿者连续工作点。每名志愿者连续工作3小时，只有在晚上小时，只有在晚上8：00开始工作的人员除外，他们只工作开始工作的人员除外，他们只工作2小时。对于志愿者的最小需求可以小时。对于志愿者的最小需求可以近似成近似成2小时间隔的阶梯函数，其函数在早上小时间隔的阶梯函数，其函数在早上8：00开始，相应的需求人开始，相应的需求人数分别为数分别为4、6、8、6、4、6、8（单位：（单位：10人）因为大多数志愿者是人）因为大多数志愿者是退休人员，他们愿意在一天的任何时间提

29、供服务。所需数目必须保退休人员，他们愿意在一天的任何时间提供服务。所需数目必须保持尽可能低。为志愿者的开始时间确定最优时间表。持尽可能低。为志愿者的开始时间确定最优时间表。在问题（在问题（1）中，考虑午饭和晚饭，假定没有志愿者在中午）中，考虑午饭和晚饭，假定没有志愿者在中午12：00点和晚上点和晚上6：00点开始上班，确定最优时间表点开始上班，确定最优时间表设志愿者志愿者中从中从8：00，9:00,10:00,11:00,12:00,1:00，2：00，3：00，4：00，5：00，6：00，7：00，8:00,开始工作开始工作的分别为的分别为y1,y2,y3,y4,y13名名.列出模型列出模

30、型世博会志愿者排班问题世博会志愿者排班问题第29页，本讲稿共35页时间段时间段899101011111212112233445566778810雇员数量雇员数量4466886644668约束条件约束条件各各时时段段工工作作人人数数限限制制y14Y1+y24Y1+Y2+y36Y2+y3+y46y3+y4+y58y4+y5+y68y5+y6+y76y6+y7+y86y7+y8+y94y8+y9+y104y9+y10+y116y10+y11+y126y11+y12+y138y12+y138y138每人工作每人工作3小时小时目标目标y1+y2+y3+y4+y5+y6+y7+y8+y9+y10+y11+

31、y12+y13第30页，本讲稿共35页y1=4,y3=2,Y4=4,Y5=2,Y6=2,Y7=2,Y8=2,y10=2,y11=4,y13=8最小人员最小人员321)32.00000VARIABLEVALUEREDUCEDCOSTY14.0000000.000000Y20.0000000.000000Y32.0000000.000000Y44.0000000.000000Y52.0000000.000000Y62.0000000.000000Y72.0000000.000000Y82.0000000.000000Y90.0000001.000000Y102.0000000.000000Y114

32、.0000000.000000Y120.0000000.000000Y138.0000000.000000ROWSLACKORSURPLUSDUALPRICES2)0.0000000.0000003)0.000000-1.0000004)0.0000000.0000005)0.0000000.0000006)0.000000-1.0000007)0.0000000.0000008)0.0000000.0000009)0.000000-1.00000010)0.0000000.00000011)0.0000000.00000012)0.0000000.00000013)0.000000-1.00

33、000014)4.0000000.00000015)0.0000000.00000016)0.000000-1.000000NO.ITERATIONS=13第31页，本讲稿共35页2009年全国大学生数学建模年全国大学生数学建模B题：眼科医院病床安排题：眼科医院病床安排我们将问题简化：医院有10张病床，有两种病人。第一组数据统计出了平均住院天数两种病、住院安排病种12平均住院天数 23第二组数据提供了6天每天到达病人情况到达日期病种1病种2152221332441521612第32页，本讲稿共35页设设xi为第为第i天安排的第一种病人人数，天安排的第一种病人人数，yi为第为第i天安排的第天安排

34、的第2种病人人数。种病人人数。第第i天末未能安排的第天末未能安排的第1、2种病人数为：种病人数为：ui,viMinu1+u2+u3+u4+u5+u6+v1+v2+v3+v4+v5+v6约束条件约束条件stx1+y110 x1+y1+x2+y210y1+X2+y2+x3+y310y2+x3+y3+x4+y410y3+x4+y4+x5+y510y4+x5+y5+x6+y610病床限制病床限制平衡限制平衡限制x1+u1=5y1+v1=2x1+x2+u2=7y1+y2+v2=3x1+x2+x3+u3=10y1+y2+y3+v3=5x1+x2+x3+x4+u4=14y1+y2+y3+y4+v4=6x1+x2+x3+x4+x5+u5=16y1+y2+y3+y4+y5+v5=7x1+x2+x3+x4+x5+x6+u6=17y1+y2+y3+y4+y5+y6+v6=9第33页，本讲稿共35页日期病种1病种2病种1安排病种2安排1剩余2剩余剩余病床数152520032212100033232000441311005213100061212002第34页，本讲稿共35页谢谢大家！谢谢大家！第35页，本讲稿共35页