数学建模概论

数学建模概论

数学模型（MathematicalModel）是用数学符号、数学式子、程序、图形等对实际课题本质属性的抽象而又简洁的刻划，它或能解释某些客观现象，或能预测未来的发展规律，或能为控制某一现象的发展提供某种意义下的最优策略或较好策略。

数学建模（MathematicalModeling）

应用知识从实际课题中抽象、提炼出数学模型的过程。§1.1

数学模型与数学建模

1.了解问题的实际背景，明确建模目的，收集掌握必要的数据资料。

2.在明确建模目的，掌握必要资料的基础上，通过对资料的分析计算，找出起主要作用的因素，经必要的精炼、简化，提出若干符合客观实际的假设。

3.在所作假设的基础上，利用适当的数学工具去刻划各变量之间的关系，建立相应的数学结构——即建立数学模型。

4.模型求解。

5.模型的分析与检验。

在难以得出解析解时，也应当借助计算机求出数值解。

§1.2

数学建模的一般步骤实体信息(数据)假设建模求解验证应用§1.3

数学模型的分类分类标准具体类别对某个实际问题了解的深入程度白箱模型、灰箱模型、黑箱模型模型中变量的特征连续型模型、离散型模型或确定性模型、随机型模型等建模中所用的数学方法初等模型、微分方程模型、差分方程模型、优化模型等研究课题的实际范畴人口模型、生态系统模型、交通流模型、经济模型、基因模型等①数学建模实践的每一步中都蕴含着能力上的锻炼，在调查研究阶段，需要用到观察能力、分析能力和数据处理能力等。在提出假设时，又需要用到想象力和归纳简化能力。②在真正开始自己的研究之前，还应当尽可能先了解一下前人或别人的工作，使自己的工作成为别人研究工作的继续而不是别人工作的重复，你可以把某些已知的研究结果用作你的假设，去探索新的奥秘。因此我们还应当学会在尽可能短的时间内查到并学会我想应用的知识的本领。③还需要你多少要有点创新的能力。这种能力不是生来就有的，建模实践就为你提供了一个培养创新能力的机会。§1.4

数学建模与能力的培养

开设数学建模课的主要目的为了提高学生的综合素质，增强应用数学知识解决实际问题的本领。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？§1.5

一些简单实例

似乎条件不够哦。。

换一种想法，问题就迎刃而解了。假如他的妻子遇到他后仍载着他开往会合地点，那么这一天他就不会提前回家了。提前的十分钟时间从何而来？

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段路的缘故，故由相遇点到会合点需开5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二十五分钟。

例2

某人第一天由A地去B地，第二天由B地沿原路返回A地。问：在什么条件下，可以保证途中至少存在一地，此人在两天中的同一时间到达该地。分析

本题多少有点象数学中解的存在性条件及证明，当然，这里的情况要简单得多。

假如我们换一种想法，把第二天的返回改变成另一人在同一天由B去A，问题就化为在什么条件下，两人至少在途中相遇一次，这样结论就很容易得出了：只要任何一人的到达时间晚于另一人的出发时间，两人必会在途中相遇。（请自己据此给出严格证明）

例3

崖高的估算假如你站在崖顶且身上带着一只具有跑表功能的计算器，你也许会出于好奇心想用扔下一块石头听回声的方法来估计山崖的高度，假定你能准确地测定时间，你又怎样来推算山崖的高度呢，请你分析一下这一问题。我有一只具有跑表功能的计算器。方法一假定空气阻力不计，可以直接利用自由落体运动的公式来计算。例如，设t=4秒，g=9.81米/秒2，则可求得h≈78.5米。

我学过微积分，我可以做得更好，呵呵。

除去地球吸引力外，对石块下落影响最大的当属空气阻力。根据流体力学知识，此时可设空气阻力正比于石块下落的速度，阻力系数K为常数，因而，由牛顿第二定律可得：

令k=K/m，解得

代入初始条件v(0)=0，得c=－g/k，故有

再积分一次，得：

若设k=0.05并仍设t=4秒，则可求得h≈73.6米。

听到回声再按跑表，计算得到的时间中包含了反应时间

进一步深入考虑不妨设平均反应时间为0.1秒，假如仍设t=4秒，扣除反应时间后应为3.9秒，代入式①，求得h≈69.9米。

①多测几次，取平均值再一步深入考虑代入初始条件h(0)=0，得到计算山崖高度的公式：

将e-kt用泰勒公式展开并令k→0+

，即可得出前面不考虑空气阻力时的结果。还应考虑回声传回来所需要的时间。为此，令石块下落的真正时间为t1，声音传回来的时间记为t2，还得解一个方程组：这一方程组是非线性的，求解不太容易，为了估算崖高竟要去解一个非线性主程组似乎不合情理

相对于石块速度，声音速度要快得多，我们可用方法二先求一次

h，令t2=h/340，校正t，求石块下落时间t1≈t-t2将t1代入式①再算一次，得出崖高的近似值。例如，若h=69.9米，则t2≈0.21秒，故t1≈3.69秒，求得h≈62.3米。例4双层玻璃的功效在寒冷的北方，许多住房的玻璃窗都是双层玻璃的，现在我们来建立一个简单的数学模型，研究一下双层玻璃到底有多大的功效。比较两座其他条件完全相同的房屋，它们的差异仅仅在窗户不同。

不妨可以提出以下假设：1、设室内热量的流失是热传导引起的，不存在户内外的空气对流。2、室内温度T1与户外温度T2均为常数。3、玻璃是均匀的，热传导系数为常数。设玻璃的热传导系数为k1，空气的热传导系数为k2，单位时间通过单位面积由温度高的一侧流向温度低的一侧的热量为θ

ddl室外T2室内T1TaTb由热传导公式θ=kΔT/d

解得：此函数的图形为dd室外T2室内T1类似有

一般故记h=l/d并令f(h)=

01234567891000.10.20.30.40.50.60.70.80.91hf(h)考虑到美观和使用上的方便，h不必取得过大，例如，可取h=3，即l=3d，此时房屋热量的损失不超过单层玻璃窗时的4%

。例5

方桌问题将一张四条腿的方桌放在不平的地面上，不允许将桌子移到别处，但允许其绕中心旋转，是否总能设法使其四条腿同时落地？

不附加任何条件，答案显然是否定的，

因此我们假设

（1）地面为连续曲面（2）方桌的四条腿长度相同（3）相对于地面的弯曲程度而言，方桌的腿是足够长的（4）方桌的腿只要有一点接触地面就算着地。总可以使三条腿同时着地。

中心问题是数学语言表示四只脚同时着地的条件、结论。首先用变量表示椅子的位置，由于椅脚的连线呈正方形，以中心为对称点，正方形绕中心的旋转正好代表了椅子的位置的改变，于是可以用旋转角度这一变量来表示椅子的位置。（如下图所示）

以方桌的中心为坐标原点作直角坐标系如下图所示，方桌的四条腿分别在A、B、C、D处，A、C的初始位置在x轴上，而B、D则在y轴上，当方桌绕中心o旋转时，对角线AC与x轴的夹角记为θ。容易看出，当四条腿尚未全部着地时，腿到地面的距离是不确定的。为消除这一不确定性，令f(θ)为A、C离地距离之和，g(θ)为B、D离地距离之和，它们的值由θ唯一确定。由假设（1），f(θ)、g(θ)均为θ的连续函数。又由假设（3），三条腿总能同时着地，故f(θ)g(θ)=0必成立（θ）。不妨设f(0)=0,g(0)>0（若g(0)也为0，则初始时刻已四条腿着地，不必再旋转），于是问题归结为：yxθCDABo已知f(θ)、g(θ)均为θ的连续函数，f(0)=0,g(0)>0且对任意θ有f(θ)g(θ)=0，求证存在某一θ0，使f(θ0)=g(θ0)=0。

证明当θ=π/2时，AC与BD互换位置，故f(π/2)>0,g(π/2)=0。作h(θ)=f(θ)-g(θ)，显然，h(θ)也是θ的连续函数，h(0)=f(0)-g(0)<0而h(π/2)=f(π/2)-g(π/2)>0，由连续函数的取零值定理，存在θo，0<θo

<π/2，h(θ0)=0，即f(θo)=g(θo)。又由于f(θo)g(θo)=0，故必有f(θo)=g(θo)=0，证毕。

例6

为什么要用三级火箭来发射人造卫星构造数学模型，以说明为什么不能用一级火箭而必须用多级火箭来发射人造卫星？为什么一般都采用三级火箭系统？1、为什么不能用一级火箭发射人造卫星?

（1）卫星能在轨道上运动的最低速度假设：（i）卫星轨道为过地球中心的某一平面上的圆，卫星在此轨道上作匀速圆周运动。（ii）地球是固定于空间中的均匀球体，其它星球对卫星的引力忽略不计。分析：根据牛顿第三定律，地球对卫星的引力为:在地面有:得:k=gR2

R为地球半径，约为6400公里故引力:假设(ii)dmm-dmvu-v假设(i)卫星所受到的引力也就是它作匀速圆周运动的向心力故又有:从而:设g=9.81米/秒2，得:

卫星离地面高度

(公里)卫星速度

(公里/秒)10020040060080010007.807.697.587.477.377.86（2）火箭推进力及速度的分析假设：火箭重力及空气阻力均不计分析：记火箭在时刻t的质量和速度分别为m(t)和υ(t)有：记火箭喷出的气体相对于火箭的速度为u（常数），由动量守恒定理：υ0和m0一定的情况下，火箭速度υ(t)由喷发速度u及质量比决定。

故：由此解得：(3.11)

（2）火箭推进力及速度的分析现将火箭——卫星系统的质量分成三部分：（i）mP（有效负载，如卫星）（ii）mF（燃料质量）（iii）mS（结构质量——如外壳、燃料容器及推进器）。最终质量为mP+mS

，初始速度为0，所以末速度：根据目前的技术条件和燃料性能，u只能达到3公里/秒，即使发射空壳火箭，其末速度也不超过6.6公里/秒。目前根本不可能用一级火箭发射人造卫星火箭推进力在加速整个火箭时，其实际效益越来越低。如果将结构质量在燃料燃烧过程中不断减少，那么末速度能达到要求吗？2、理想火箭模型假设：

记结构质量mS在mS+mF中占的比例为λ，假设火箭理想地好，它能随时抛弃无用的结构，即结构质量与燃料质量以λ与（1-λ）的比例同时减少。建模:

由

得到：解得：

理想火箭与一级火箭最大的区别在于，当火箭燃料耗尽时，结构质量也逐渐抛尽，它的最终质量为mP，所以最终速度为：

只要m0足够大，我们可以使卫星达到我们希望它具有的任意速度。考虑到空气阻力和重力等因素，估计（按比例的粗略估计）发射卫星要使υ=10.5公里/秒才行，则可推算出m0/mp约为51,即发射一吨重的卫星大约需要50吨重的理想火箭3、理想过程的实际逼近——多级火箭卫星系统

记火箭级数为n，当第i级火箭的燃料烧尽时，第i+1级火箭立即自动点火，并抛弃已经无用的第i级火箭。用mi表示第i级火箭的质量，mP表示有效负载。为简单起见，先作如下假设：

（i）设各级火箭具有相同的λ,即i级火箭中λmi为结构质量，（1-λ）mi为燃料质量。

（ii）设燃烧级初始质量与其负载质量之比保持不变，并记比值为k。考虑二级火箭：

由3.11式，当第一级火箭燃烧完时，其末速度为：当第二级火箭燃尽时，末速度为：该假设有点强加的味道，先权作讨论的方便吧又由假设（ii），m2=kmP，m1=k(m2+mP)，代入上式，并仍设u=3公里/秒，且为了计算方便，近似取λ=0.1，则可得：要使υ2=10.5公里/秒，则应使:即k≈11.2，而:类似地，可以推算出三级火箭：

在同样假设下:

要使υ3=10.5公里/秒，则(k+1)/(0.1k+1)≈3.21，k≈3.25，而（m1+m2+m3+mP）/mP≈77。三级火箭比二级火箭几乎节省了一半是否三级火箭就是最省呢？最简单的方法就是对四级、五级等火箭进行讨论。考虑N级火箭：

记n级火箭的总质量（包含有效负载mP）为m0

，在相同的假设下可以计算出相应的m0/mP的值，见表3-2n（级数）12345…

∞（理想）

火箭质量（吨）/149776560…50表3-2由于工艺的复杂性及每节火箭都需配备一个推进器，所以使用四级或四级以上火箭是不合算的，三级火箭提供了一个最好的方案。当然若燃料的价钱很便宜而推进器的价钱很贵切且制作工艺非常复杂的话，也可选择二级火箭。4、火箭结构的优化设计3中已经能说过假设(ii)有点强加的味道；现去掉该假设，在各级火箭具有相同λ的粗糙假设下，来讨论火箭结构的最优设计。W1=m1+…+mn+mP

W2=m2+…+mn+mP……Wn=mn+mPWn+1=mP记应用（3.11）可求得末速度：记则又问题化为，在υn一定的条件下，求使k1k2…kn最小

解条件极值问题：或等价地求解无约束极值问题：可以解出最优结构设计应满足：火箭结构优化设计讨论中我们得到与假设（ii）相符的结果，这说明前面的讨论都是有效的！§1.6怎样撰写数学建模的论文？

一、

写好数模论文的重要性

1.

评定参赛队的成绩好坏、高低，获奖级别，

数模论文是唯一依据.2.

论文是竞赛活动的成绩结晶的书面形式。

3.

写好论文的训练，是科技写作的一种基本训练。二、数模论文的基本内容

评阅原则：

假设的合理性；建模的创造性；结果的合理性；表述的清晰程度。0、摘要1、问题的叙述，问题的分析，背景的分析等，

2、模型的假设，符号说明（表）3、模型的建立（问题分析，公式推导，基本模型，最终或简化模型

等）

4、模型的求解5、模型检验:结果表示、分析与检验，误差分析，……6、模型评价:特点，优缺点，改进方法，推广…….7、参考文献8、

附录：计算框图、详细图表……论文的文章结构需要重视的问题

0．摘要a.

模型的数学归类（在数学上属于什么类型）

b.

建模的思想（思路）

c.

算法思想（求解思路）d.

建模特点（模型优点，建模思想或方法，算法特点，灵敏度分析，模型检验…….）

e.

主要结果（数值结果，结论）（回答题目所问的全部“问题”）

1、建模准备及问题重述：了解问题实际背景，明确建模目的，搜集文献、数据等，确定模型类型，作好问题重述。

2、模型假设、符号说明

基本假设的合理性很重要（1）根据题目中条件作出假设；（2）根据题目中要求作出假设；（3）关键性假设不能缺；（4）符号使用要简洁、通用。

3、模型的建立（1）基本模型

1)

首先要有数学模型：数学公式、方案等

2)

基本模型，要求

完整，正确，简明（2）简化模型

1）要明确说明：简化思想，依据

2）简化后模型，尽可能完整给出

（3）模型要实用，有效，以解决问题有效为原则。数学建模面临的、要解决的是实际问题，不追求数学上的高（级）、深（刻）、难（度大）。能用初等方法解决的、就不用高级方法；能用简单方法解决的，就不用复杂方法；能用被更多人看懂、理解的方法，就不用只能少数人看懂、理解的方法。（4）鼓励创新，但要切实，不要离题搞标新立异,数模创新可出现在▲建模中，模型本身，简化的好方法、好策略等，▲模型求解中▲结果表示、分析，模型检验▲推广部分(5)在问题分析推导过程中，需要注意的问题分析：中肯、确切；术语：专业、内行；原理、依据：正确、明确；表述：简明，关键步骤要列出；忌：外行话，专业术语不明确，表述混乱、繁琐。

4、模型求解（1）需要建立数学命题时：命题叙述要符合数学命题的表述规范，尽可能论证严密；（2）需要说明计算方法或算法的原理、思想、依据、步骤。若采用现有软件，说明采用此软件的理由，软件名称；（3）计算过程，中间结果可要可不要的，不要列出。（4）设法算出合理的数值结果。

5、模型检验、结果分析（1）最终数值结果的正确性或合理性是第一位的

；（2）对数值结果或模拟结果进行必要的检验。结果不正确、不合理、或误差大时，分析原因，对算法、计算方法、或模型进行修正、改进；（3）题目中要求回答的问题，数值结果，结论，须一一列出；（4）结果表示：要集中，一目了然，直观，便于比较分析

▲数值结果表示：精心设计表格；可能的话，用图形图表形式。

6．模型评价优点突出，缺点不回避。改变原题要求，重新建模可在此做。推广或改进方向时，不要玩弄新数学术语。

7．参考文献规范格式：

[1]周义仓,赫孝良.数学建模实验（M），西安：西安交通大学出版社，2007.[2]楚扬杰，快速聚类分析在产