数学建模课程建设与竞赛辅导天津杨启帆.pptx
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1、(一)浙江大学开展数学建模教学和组织参加各种竞赛的情况简介1982-1995课程开设,数学系限定性选修课,教材建设,1990年出版“数学模型”1995-1999扩大受教育面,开设各种必修课、选修课:(1)竺可桢学院混合班必修课(今年起改为荣誉课程)(2)竺可桢学院工程高级班(3)理科基地班必修课修课(4)全校性选修课(5)数学系必修课(6)研究生学位课第1页/共45页 1999-2004创建名牌课程与数学建模实践基地国家理科基地创建精品课程项目(1999年)国家理科基地创建优秀课程项目(2001年)获浙江省教学成果一等奖(2000年)获国家级教学成果二等奖(2001年)被浙江省教育厅授予首批省
2、级精品课程(2003年)被教育部授予首批国家级精品课程(2004年)数学建模方法与实践被立项为国家级教学团队(2008)第2页/共45页我们的教学方法普及教育:为新生举办讲座,激发学生的兴趣课堂教学:为二三年级学生开课(周学时4-5不等)课堂教学与学生建模实践活动相结合(SRTP项目,课外课题研究),荣誉课程建设(三个转变)数学建模教育与培训组织学生参加国内外大学生数学建竞赛相结合(校内竞赛,全国竞赛、国际竞赛等)教学内容改革与教材建设(包括教材建设、学生建模基地与建模网站建设、教改项目的执行等)兼顾创新性人才的培养与应用型人才的培养(竺可桢学院-尖子学生的培养、全校选修-普及、独立二级学院-
3、应用型人才培养、研究生研讨班)开设研究生学位课,开展较高层次的课题研究第3页/共45页教学效果与教改收获学生综合素质与科研能力得到了有效提高(每年有上千名学生听课、提交科研论文或研究报告数十篇,300多个队参加学校数学建模竞赛,大约25-30个队参加全国竞赛、10个队参加美国竞赛,学生参与的积极性十分高涨,这些学生的素质与能力在科研实践中迅速提高)增强了学生学习数学知识和专业知识的兴趣(培养兴趣、提高能力、增长知识是大学教育的主要任务)为更高层次的人才培养输送了大批尖子学生(为国内外著名高校和科研机构提供了优秀生源,其中不少原先只是中等生)培养了学生合作研究的习惯第4页/共45页学生参赛获奖(
4、1999年以来)美国竞赛:特等奖4项(99、03、10、11)其中INFORMS(美国运筹与管理学会)3项,国际一等奖52项(2000、2001全部一等奖),二等奖30项全国竞赛:一等奖34项(含高教社杯),二等奖46项出版教材:除较早期和边馥萍老师合作编写的“数学模型”外还有:(1)数学建模,1999(省重点建设教材),国家十五规划教材,2006年6月出版,浙江大学出版社(2)数学建模竞赛-浙江大学学生获奖论文点评,2005年7月出版,浙江大学出版社(3)数学建模,教育科学十五规划研究成果,2005年5月出版,高等教育出版社(4)数学建模案例集,2006年7月出版,高等教育出版社另有几本正在
5、编写中第5页/共45页(二)教学中注意对学生能力的培养在介绍经典模型的同时,讲解基本技巧:经验方法、量纲分析、比例关系的利用、参数选取、房室系统、集中参数法与分布参数法、工程师原则、统计筹算率等等基本技巧的灵活应用与经典模型的推广:从人口模型到多种群生态系统模型从P-P模型到大鱼吃小鱼、小鱼吃虾米第6页/共45页将课堂教学、课外实践、SRTP(毕业设计)等项目指导、研讨班、竞赛培训及组织竞赛有机结合起来,形成系列化教学体系。(春节后开课、5月初校竞赛、暑假后举办1次研讨班、暑假自行准备竞赛、美赛前举办1次研讨)加强学生实践环节的指导(鼓励学生研究自己感兴趣的问题,如:蝉的共鸣、紫金港校区路灯优
6、化设计、杭州黄金周旅游接待等)第7页/共45页注意对学生综合素质的培养(冰冻三尺,非一日之寒,功夫在平时)(观察与发现能力),如:(例)数字的黑洞现象任取一个能被3整除的数,如213按如下运算:猜测自然也有可能猜错,例如欧拉方,费马数(3,5,17,257,65537)等被猜错-猜测须证明第8页/共45页(例1)某人平时下班总是按预定时间到达某处,然然后他妻子开车接他回家。有一天,他比平时提早了三十分钟到达该处,于是此人就沿着妻子来接他的方向步行回去并在途中遇到了妻子,这一天,他比平时提前了十分钟到家,问此人共步行了多长时间?发散性思维能力的培养 似乎条件不够哦似乎条件不够哦 。换一种想法,问
7、题就迎刃而换一种想法,问题就迎刃而解了。假如他的妻子遇到他后仍解了。假如他的妻子遇到他后仍载着他开往会合地点,那么这一载着他开往会合地点,那么这一天他就不会提前回家了。提前的天他就不会提前回家了。提前的十分钟时间从何而来?十分钟时间从何而来?显然是由于节省了从相遇点到显然是由于节省了从相遇点到会合点,又从会合点返回相遇点这一会合点,又从会合点返回相遇点这一段路的缘故,故由相遇点到会合点需段路的缘故,故由相遇点到会合点需开开5分钟。而此人提前了三十分钟到分钟。而此人提前了三十分钟到达会合点,故相遇时他已步行了二十达会合点,故相遇时他已步行了二十五分钟。五分钟。请思考一下,本题解答中隐含了哪些假设
8、请思考一下,本题解答中隐含了哪些假设?第9页/共45页例例2 2 交通灯在绿灯转换成红灯时,有交通灯在绿灯转换成红灯时,有一个过渡状态一个过渡状态亮一段时间的黄灯。亮一段时间的黄灯。请分析黄灯应当亮多久。请分析黄灯应当亮多久。设想一下黄灯的作用是什么,不难看设想一下黄灯的作用是什么,不难看出,黄灯起的是警告的作用,意思是出,黄灯起的是警告的作用,意思是马上要转红灯了,假如你能停住,请马上要转红灯了,假如你能停住,请立即停车。停车是需要时间的,在这立即停车。停车是需要时间的,在这段时间内,车辆仍将向前行驶一段距段时间内,车辆仍将向前行驶一段距离离 L。这就是说,在离街口距离为。这就是说,在离街口
9、距离为 L处处存在着一条停车线(尽管它没被画在存在着一条停车线(尽管它没被画在地上),见图地上),见图1-4。对于那些黄灯亮时。对于那些黄灯亮时已过线的车辆,则应当保证它们仍能已过线的车辆,则应当保证它们仍能穿过马路。穿过马路。马路的宽度马路的宽度 D是容易测得是容易测得 的,问题的关键在的,问题的关键在 于于L的确定。为确定的确定。为确定 L,还应当将,还应当将 L划分为两段:划分为两段:L1和和L2,其中其中 L1是司机在发现黄灯亮及判断应当是司机在发现黄灯亮及判断应当刹车的反应时间内驶过的路程刹车的反应时间内驶过的路程 ,L2为刹车制动为刹车制动后车辆驶过的路程。后车辆驶过的路程。L1较
10、容易计算,交通部门对较容易计算,交通部门对司机的平均反应时间司机的平均反应时间 t1早有测算,反应时间过早有测算,反应时间过长将考不出驾照),而此街道的行驶速度长将考不出驾照),而此街道的行驶速度 v 也也是交管部门早已定好的,目的是使交通流量最大,是交管部门早已定好的,目的是使交通流量最大,可另建模型研究,从而可另建模型研究,从而 L1=v*t1。刹车距离。刹车距离 L2既可用曲线拟合方法得出,也可利用牛顿第二既可用曲线拟合方法得出,也可利用牛顿第二定律计算出来定律计算出来(留作习题)留作习题)。黄灯究竟应当亮多久现在已经变得清楚多了。第黄灯究竟应当亮多久现在已经变得清楚多了。第一步,先计算
11、出一步,先计算出 L应多大才能使看见黄灯的司机应多大才能使看见黄灯的司机停得住车。第二步,黄灯亮的时间应当让已过线停得住车。第二步,黄灯亮的时间应当让已过线的车顺利穿过马路,即的车顺利穿过马路,即T 至少应当达到至少应当达到 (L+D)/v。DL第10页/共45页例例3 3 将形状质量相同的砖块一一向右往外将形状质量相同的砖块一一向右往外叠放,欲尽可能地延伸到远方,问最远可叠放,欲尽可能地延伸到远方,问最远可以延伸多大距离。以延伸多大距离。设砖块是均质的,长度与重量均设砖块是均质的,长度与重量均 为为1 1,其,其 重重心在中点心在中点1/21/2砖长处,现用砖长处,现用归纳法归纳法推导。推导
12、。Zn(n1)n(n1)由第由第 n块砖受到的两个力的力矩相等,有:块砖受到的两个力的力矩相等,有:1/2-Zn=(n1)Zn故故Zn=1/(2n),从而上面,从而上面 n块砖向右推出块砖向右推出的总距离为的总距离为 ,故砖块向右可叠至故砖块向右可叠至 任意远任意远 ,这一结果多少,这一结果多少有点出人意料。有点出人意料。第11页/共45页发散性思维要有意义,科研要有目的,要尽量应用已有的学科知识,但学科知识的应用有时是意想不到的。(例)循环图的连通性与gcd(a,n)=1之间的关系)。举例gcd(2,7)=1,gcd(2,6)=2希尔密码设计古典密码不能改变字母出现的频率利用矩阵与向量相乘运
13、算困难:逆矩阵不能用于解密想办法克服困难。第12页/共45页(实(实例例)取取A=则则 (具体求法见具体求法见后后),用用A加密加密THANK YOU,再用再用 对密文解密对密文解密 用矩阵用矩阵A左乘各向量加密(关左乘各向量加密(关 于于26取余)得取余)得 得到密文得到密文 JXCPI WEK 解解:(希尔密码加希尔密码加 密密)用相应数字代替字符,划分为两个元素一用相应数字代替字符,划分为两个元素一 组并表示为向量:组并表示为向量:第13页/共45页(希尔密码解密希尔密码解密)用用A-1左乘求得的向量,即可还原为原来的向量。左乘求得的向量,即可还原为原来的向量。(自行验证自行验证)希尔密
14、码是以希尔密码是以矩阵矩阵 法法为基础的,明文与密文的对为基础的,明文与密文的对 应由应由n阶矩阶矩阵阵A确定。矩阵确定。矩阵A的阶数是事先约定的,与明文分组时每组字的阶数是事先约定的,与明文分组时每组字母的字母数量相同,如果明文所含字数母的字母数量相同,如果明文所含字数 与与n不匹配,则最后不匹配,则最后几个分量可任意补足。几个分量可任意补足。A-1的求法的求法方法方法1 利用公式利用公式 ,例如,若取,例如,若取 ,则则 ,(mod26),即,即 方法方法2 利用高斯消去法。将矩利用高斯消去法。将矩 阵阵(A,E)中的矩阵中的矩阵A消为消为E,则原先的则原先的E即被消成了即被消成了A-1,
15、第14页/共45页观察猜测证明,科学研究的重要途径之一(例(例1)设有一个半径为)设有一个半径为 r 的圆形湖,圆心为的圆形湖,圆心为 O。A、B 位于湖的两侧,位于湖的两侧,AB连线过连线过O,见图。,见图。现拟从现拟从A点步行到点步行到B点,在不得进入湖中的限点,在不得进入湖中的限 制下,问怎样的路径最近。制下,问怎样的路径最近。ABOrEFEF逻辑推理与证明能力第15页/共45页猜测证明如下:猜测证明如下:(方法一)(方法一)显然,显然,由由AE、EF、FB及及AE,EF,FB围成围成的区域的区域 R是一凸集。利用是一凸集。利用分离定理分离定理易证最短径不可能经过易证最短径不可能经过R外
16、的点,若不然,设外的点,若不然,设 为最短路径,为最短路径,过过R外的一点外的一点M,则,则必存在直必存在直 线线l分离分离M与与R,由于路径,由于路径是连续曲线,由是连续曲线,由A沿沿到到M,必交,必交l于于M1,由,由M沿沿到到B又必交又必交l于于M2。这样,直线。这样,直线 段段M1M2的长度必小于路的长度必小于路 径径M1MM2的长度,与的长度,与是是A到到B的的最短路径矛盾,至此,我们已证明最短路径必在凸集最短路径矛盾,至此,我们已证明最短路径必在凸集R内。内。不妨设路径经湖的上方到达不妨设路径经湖的上方到达B点,则弧点,则弧EF必在路径必在路径F上,又上,又直线段直线段AE是由是由
17、A至至E的最短路径,直线的最短路径,直线FB是由是由F到到B的最短的最短路径,猜测得证。路径,猜测得证。ABOrEFEFM1M2Ml第16页/共45页(例2)(交换座位奇偶数校验)(问题的提出)一位老师正在上英语课,教室里共有九排座位,每排有7把椅子,座位上坐满了学生。为了增加口语练习机会,老师要求学生变换一下座位,但该老师要求每位同学在交换以后必须坐在原先座位的前后左右4个座位之一上,问学生应当怎样交换座位?(解答)这一问题是无解的,教室里共有63个座位,如果你给座位编一下号(要连续编号),你会发现原先坐在奇数号上的学生交换以后必定坐在偶数位上,反之,原先坐在偶数位的同学交换后必定坐在奇数位
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