数学建模中的数据处理方法(非常全)ppt课件.ppt
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1、资金是运动的价值,资金的价值是随时间变化而变化的,是时间的函数,随时间的推移而增值,其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值【数学建模中的数据处理方法】范筑军资金是运动的价值,资金的价值是随时间变化而变化的,是时间的函数,随时间的推移而增值,其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值【主要内容】曲线插值与拟合数值微分与积分微分方程数值解优化问题回归分析判别分析资金是运动的价值,资金的价值是随时间变化而变化的,是时间的函数,随时间的推移而增值,其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值曲线插值与拟合一维插值一维插值二维插值二维插值曲线拟合曲线拟合资金是运动的价值,资金的价值是随时间变化而变化的,是时
2、间的函数,随时间的推移而增值,其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值一维插值对表格给出的函数,求出没有给出的函数值。对表格给出的函数,求出没有给出的函数值。在实际工作中,经常会遇到插值问题。下表是待加工零件下轮廓线的一组数据,现需要得到x坐标每改变0.1时所对应的y的坐标.资金是运动的价值,资金的价值是随时间变化而变化的,是时间的函数,随时间的推移而增值,其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值一维插值下面是关于插值的两条命令(专门用来解决这类问题):y=interp1(x0,y0,x,method)分段线性插值y=spline(x0,y0,x)三次样条插值x0,y0是已知的节点坐标,是同维
3、向量。y对应于x处的插值。y与x是同维向量。method可选nearest(最近邻插值),linear(线性插值),spline(三次样条插值),cubic(三次多项式插值)资金是运动的价值,资金的价值是随时间变化而变化的,是时间的函数,随时间的推移而增值,其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值一维插值解决上述问题,我们可分两步:用原始数据绘图作为选用插值方法的参考.确定插值方法进行插值计算资金是运动的价值,资金的价值是随时间变化而变化的,是时间的函数,随时间的推移而增值,其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值一维插值(px_lc11.m)对于上述问题,可键入以下的命令:x0=0,3,5,
4、7,9,11,12,13,14,15;y0=0,1.2,1.7,2.0,2.1,2.0,1.8,1.2,1.0,1.6plot(x0,y0)%完成第一步工作x=0:0.1:15;y=interp1(x0,y0,x);%用分段线性插值完成第二步工作plot(x,y)y=spline(x0,y0,x);plot(x,y)%用三次样条插值完成第二步工作资金是运动的价值,资金的价值是随时间变化而变化的,是时间的函数,随时间的推移而增值,其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值练习1.对y=1/(1+x2),-5x5,用n(=11)个节点(等分)作上述两种插值,用m(=21)个插值点(等分)作图,比较结
5、果。(see:px_ex_lc1.m)2.在某处测得海洋不同深度处水温如下表:求深度为500、1000、1500米处的水温。(see:px_ex_lc2.m)资金是运动的价值,资金的价值是随时间变化而变化的,是时间的函数,随时间的推移而增值,其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值二维插值MATLAB中二维插值的命令是:z=interp2(x0,y0,z0,x,y,meth)资金是运动的价值,资金的价值是随时间变化而变化的,是时间的函数,随时间的推移而增值,其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值二维插值在一个长为5个单位,宽为3个单位的金属薄片上测得15个点的温度值,试求出此薄片的温度分布,
6、并绘出等温线图。(数据如下表)资金是运动的价值,资金的价值是随时间变化而变化的,是时间的函数,随时间的推移而增值,其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值二维插值(px_lc21.m)temps=82,81,80,82,84;79,63,61,65,87;84,84,82,85,86;mesh(temps)%根据原始数据绘出温度分布图,可看到此图的粗造度。资金是运动的价值,资金的价值是随时间变化而变化的,是时间的函数,随时间的推移而增值,其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值二维插值%下面开始进行二维函数的三阶插值。width=1:5;depth=1:3;di=1:0.2:3;wi=1:0.
7、2:5;WI,DI=meshgrid(wi,di);%增加了节点数目 ZI=interp2(width,depth,temps,WI,DI,cubic);%对数据(width,depth,temps)进%行三阶插值拟合。surfc(WI,DI,ZI)contour(WI,DI,ZI)资金是运动的价值,资金的价值是随时间变化而变化的,是时间的函数,随时间的推移而增值,其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值二维插值资金是运动的价值,资金的价值是随时间变化而变化的,是时间的函数,随时间的推移而增值,其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值曲线拟合假设一函数假设一函数g(x)g(x)是以表格形式给出
8、的,现要是以表格形式给出的,现要求一函数求一函数f(x)f(x),使,使f(x)f(x)在某一准则下与表格函在某一准则下与表格函数(数据)最为接近数(数据)最为接近。由于与插值的提法不同,所以在数学上理论根据不同,解决问题的方法也不同。此处,我们总假设f(x)f(x)是多项式。资金是运动的价值,资金的价值是随时间变化而变化的,是时间的函数,随时间的推移而增值,其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值曲线拟合问题:弹簧在力F的作用下伸长x厘米。F和x在一定的范围内服从虎克定律。试根据下列数据确定弹性系数k,并给出不服从虎克定律时的近似公式。资金是运动的价值,资金的价值是随时间变化而变化的,是时间
9、的函数,随时间的推移而增值,其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值曲线拟合解题思路:可以用一阶多项式拟合求出k,以及近似公式。在MATLAB中,用以下命令拟合多项式。polyfit(x0,y0,n)一般,也需先观察原始数据的图像,然后再确定拟和成什么曲线。资金是运动的价值,资金的价值是随时间变化而变化的,是时间的函数,随时间的推移而增值,其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值曲线拟合(px_lc31.m)对于上述问题,可键入以下的命令:x=1,2,4,7,9,12,13,15,17;F=1.5,3.9,6.6,11.7,15.6,18.8,19.6,20.6,21.1;plot(x,F,.
10、)从图像上我们发现:前5个数据应与直线拟合,后5个数据应与二次曲线拟合。于是键入:a=polyfit(x(1:5),F(1:5),1);a=polyfit(x(5:9),F(5:9),2)资金是运动的价值,资金的价值是随时间变化而变化的,是时间的函数,随时间的推移而增值,其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值曲线拟合注意:有时,面对一个实际问题,究竟是用插值还是用拟合不好确定,还需大家在实际中仔细区分。同时,大家(包括学过计算方法的同学)注意去掌握相应的理论知识。资金是运动的价值,资金的价值是随时间变化而变化的,是时间的函数,随时间的推移而增值,其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值数值微
11、分与积分数值积分数值积分数值微分数值微分资金是运动的价值,资金的价值是随时间变化而变化的,是时间的函数,随时间的推移而增值,其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值数值积分先看一个例子:现要根据瑞士地图计算其国土面积。于是对地图作如下的测量:以西东方向为横轴,以南北方向为纵轴。(选适当的点为原点)将国土最西到最东边界在x轴上的区间划取足够多的分点xi,在每个分点处可测出南北边界点的对应坐标y1,y2。用这样的方法得到下表根据地图比例知18mm相当于40km,试由上表计算瑞士国土的近似面积。(精确值为41288km2)。资金是运动的价值,资金的价值是随时间变化而变化的,是时间的函数,随时间的推移
12、而增值,其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值数值积分资金是运动的价值,资金的价值是随时间变化而变化的,是时间的函数,随时间的推移而增值,其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值数值积分解题思路:数据实际上表示了两条曲线,实际上我们要求由两曲线所围成的图形的面积。解此问题的方法是数值积分的方法。具体解时我们遇到两个问题:1。数据如何输入;2。没有现成的命令可用。资金是运动的价值,资金的价值是随时间变化而变化的,是时间的函数,随时间的推移而增值,其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值数值积分(px_wj11.m)对于第一个问题,我们可把数据拷贝成M文件(或纯文本文件)。然后,利用数据绘制平面
13、图形。键入load mianji.txtA=mianji;plot(A(:,1),A(:,2),r,A(:,1),A(:,3),g)资金是运动的价值,资金的价值是随时间变化而变化的,是时间的函数,随时间的推移而增值,其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值数值积分资金是运动的价值,资金的价值是随时间变化而变化的,是时间的函数,随时间的推移而增值,其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值数值积分接下来可以计算面积。键入:a1=trapz(A(:,1)*40/18,A(:,2)*40/18);a2=trapz(A(:,1)*40/18,A(:,3)*40/18);d=a2-a1d=4.2414e+
14、004资金是运动的价值,资金的价值是随时间变化而变化的,是时间的函数,随时间的推移而增值,其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值数值积分至此,问题可以说得到了解决。之所以说还有问题,是我们觉得误差较大。但计算方法的理论给了我们更精确计算方法。只是MATLAB没有相应的命令。想得到更理想的结果,我们可以自己设计解决问题的方法。(可以编写辛普森数值计算公式的程序,或用拟合的方法求出被积函数,再利用MATLAB的命令quad,quad8)资金是运动的价值,资金的价值是随时间变化而变化的,是时间的函数,随时间的推移而增值,其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值数值微分已知20世纪美国人口统计数据如
15、下,根据数据计算人口增长率。(其实还可以对于后十年人口进行预测)资金是运动的价值,资金的价值是随时间变化而变化的,是时间的函数,随时间的推移而增值,其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值数值微分解题思路:设人口是时间的函数x(t).于是人口的增长率就是x(t)对t的导数.如果计算出人口的相关变化率 。那么人口增长满足 ,它在初始条件x(0)=x0下的解为 .(用以检查计算结果的正确性)资金是运动的价值,资金的价值是随时间变化而变化的,是时间的函数,随时间的推移而增值,其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值数值微分解:此问题的特点是以离散变量给出函数x(t),所以就要用差分来表示函数x(t)
16、的导数.常用后一个公式。(因为,它实际上是用二次插值函数来代替曲线x(t))即常用三点公式来代替函数在各分点的导数值:资金是运动的价值,资金的价值是随时间变化而变化的,是时间的函数,随时间的推移而增值,其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值数值微分MATLAB用命令diff按两点公式计算差分;此题自编程序用三点公式计算相关变化率.编程如下(diff3.m):for i=1:length(x)if i=1 r(1)=(-3*x(1)+4*x(1+1)-x(1+2)/(20*x(1);elseif i=length(x)r(i)=(x(i+1)-x(i-1)/(20*x(i);else r(le
17、ngth(x)=(x(length(x)-2)-4*x(length(x)-1)+3*x(length(x)/(20*x(length(x);endendr=r;资金是运动的价值,资金的价值是随时间变化而变化的,是时间的函数,随时间的推移而增值,其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值数值微分保存为diff3.m文件听候调用.再在命令窗内键入X=1900,1910,1920,1930,1940,1950,1960,1970,1980,1990;x=76.0,92.0,106.5,123.2,131.7,150.7,179.3,204.0,226.5,251.4;diff3;由于r以离散数据给出
18、,所以要用数值积分计算.键入x(1,1)*exp(trapz(X(1,1:9),r(1:9)数值积分命令:trapz(x),trapz(x,y),quad(fun,a,b)等.资金是运动的价值,资金的价值是随时间变化而变化的,是时间的函数,随时间的推移而增值,其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值微分方程数值解(单摆问题)单摆问题的数学模型是在初始角度不大时,问题可以得到很好地解决,但如果初始角较大,此方程无法求出解析解.现问题是当初始角为100和300时,求出其解,画出解的图形进行比较。资金是运动的价值,资金的价值是随时间变化而变化的,是时间的函数,随时间的推移而增值,其增值的这部分资金就
19、是原有资金的时间价值微分方程数值解(单摆问题)解:若0较小,则原方程可用 来近似.其解析解为(t)=0cost,.若不用线性方程来近似,那么有两个模型:资金是运动的价值,资金的价值是随时间变化而变化的,是时间的函数,随时间的推移而增值,其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值微分方程数值解(单摆问题)取g=9.8,l=25,100=0.1745,300=0.5236.用MATLAB求这两个模型的数值解,先要作如下的处理:令x1=,x2=,则模型变为资金是运动的价值,资金的价值是随时间变化而变化的,是时间的函数,随时间的推移而增值,其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值微分方程数值解(单摆问题
20、)再编函数文件(danbai.m)function xdot=danbai(t,x)xdot=zeros(2,1);xdot(1)=x(2);xdot(2)=-9.8/25*sin(x(1);资金是运动的价值,资金的价值是随时间变化而变化的,是时间的函数,随时间的推移而增值,其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值微分方程数值解(单摆问题)在命令窗口键入()t,x=ode45(danbai,0:0.1:20,0.1745,0);t,y=ode45(danbai,0:0.1:20,0.5236,0);plot(t,x(:,1),r,t,y(:,1),k);资金是运动的价值,资金的价值是随时间变化
21、而变化的,是时间的函数,随时间的推移而增值,其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值优化问题线性规划有约束极小问题线性规划有约束极小问题非线性规划有约束极小问题非线性规划有约束极小问题非线性无约束极小问题非线性无约束极小问题非线性最小二乘问题非线性最小二乘问题二次规划二次规划资金是运动的价值,资金的价值是随时间变化而变化的,是时间的函数,随时间的推移而增值,其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值线性规划有约束极小问题模型模型 用命令x,fval=linprog(f,A,b,A1,b1,lb,ub)资金是运动的价值,资金的价值是随时间变化而变化的,是时间的函数,随时间的推移而增值,其增值的这部
22、分资金就是原有资金的时间价值线性规划有约束极小问题Find x x that minimizes f(x x)=-5x1-4x2-6x3subject tox1-x2+x3203x1+2x2+4x3423x1+2x2300 x1,0 x2,0 x3资金是运动的价值,资金的价值是随时间变化而变化的,是时间的函数,随时间的推移而增值,其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值线性规划有约束极小问题资金是运动的价值,资金的价值是随时间变化而变化的,是时间的函数,随时间的推移而增值,其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值线性规划有约束极小问题解问题把问题极小化并将约束标准化资金是运动的价值,资金的价值
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