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分享 十字路口黄灯时间及困境区域的数学模型研究
ぃ誓言゛ 2014-6-8 13:03
十字路口黄灯时间及困境区域的数学模型研究 王秀良 乔 木 中国人民公安大学理科基础部 北京 100038 摘要城市交通十字路口是冲突交通流汇聚的节点安全问题十分突出黄灯在交通信号系统中起 着非常重要的作用黄灯时间的长短设置直接影响城市交通的状况.建立保守黄灯时间数学模型 通过逐步修订建立了更符合实际情况的有效黄灯时间的数学模型并在城市道路十字路口黄灯 时间确定为4s的情况下对安全停车距离进行了分析指出困境区域的存在性与进行深入研究的 必要性. 关键词交通工程黄灯时间模型运动学方程有效黄灯时间困境区域安全停车距离 中图法分类号U491  DOI10.3963j.issn.1006 -2823.2011.05.007     收稿日期2011-06-15     王秀良1976- 男博士讲师主要研究领域为数学史应用数学 0 引  言 2004年颁布的中华人民共和国道路交通安 全法实施条例第38条规定 绿灯亮时准许车 辆通行但转弯的车辆不得妨碍被放行的直行车 辆行人通行.黄灯亮时已越过停止线的车辆可 以继续通行.红灯亮时禁止车辆通行.1近几 年国内很多城市已经对路口信号灯灯序及黄灯 闪烁时间进行了标准化设置.以北京市为例 2007年7月3日北京市交管局将机动车信号灯 灯序全部统一为绿-黄-红-绿 将黄灯过渡 信号时间统一设置为4s.这样方便了机动车驾驶 员对信号灯放行次序的辨识驾驶员在到达路口 前可以预判情况控制车速提高路口通行的安全 性.调整后的信号灯灯序与国际惯例保持一致不 同的国家关于黄灯时间的设定是不同的.美国联 邦公路局在2003年版的交通控制设施手册认 为黄灯持续时间应该在近似36s的范围内 路口 限 速 越 大则可增大对应黄灯的持续时 间2.德国现行的交通控制行业行为规范交通 信号控制指南中关于黄灯时间的规定依十字路 口进口道处不同限速而有所不同黄灯时间34 5s对应的限速分别为506070kmh3.黄灯应 该亮多长时间才能使停车线附近的车辆安全顺利 地通过路口呢?本文建立了一个有效黄灯时间的 数学模型并在城市道路十字路口黄灯时间确定 为4s的情况下分析车辆的安全停车距离. 1 黄灯时间确定的数学模型 1.1 保守黄灯时间的数学模型4-6 设驾驶员反映时间T1 汽车通过十字路口时 间T2 距停车线距离的驾驶时间T3 则黄灯应亮 时间为T=T1+T2+T3.见图1. 图1 车辆在十字路口的平面示意图 又令汽车的行驶速度为法定行驶限速度v0 十字路口的长度为L车身长度为I则汽车通过 十字路口的时间为T2=I+Lv0.设汽车质量为m刹车摩擦因数为f汽车从 刹车至停止的行驶距离为xt.由牛顿 第 二 定 律刹车过程应满足如下微分方程其中g为重 力加速度. m d2 x dT2 =-fmg 1 dx dtt=0 =v0 2 x0=0 3 烅 烄 烆   对式1积分将初始条件2代入得 dx dt =-fgt+v0 4   当汽车在停车线前停止时由式4得 t1= v0 fg 5   对式4再积分将式3代入得 xt=- 1 2 fgt2 +v0t 6   将式5代入式6得到停车距离 xt1 =- 1 2 fg v0 fg 2 +v0 v0 fg = v2 0 2fg 故有T3= xt v0 = v0 2fg . 当汽车 开 始 减 速 时设 汽 车 的 减 速 度 为a ms2 则有ma=fmg即a=fg所 以T3= xt v0 = v0 2fg = v0 2a . 所以黄灯时间理论上的数值应为 T=T1+T2+T3=T1+ I+L v0 + v0 2a 7   应用等不等式a+b≥2槡aba≥0b≥0得 T≥T1+ 2I+L 槡a 8   当a取最大值时即汽车紧急制动所得的时 间T就是黄灯应该闪烁的最短时间.根据资料 各种路面与轮胎之间的动摩擦因数见表1. 表1 路面与轮胎之间的动摩擦因数 路面类型 动摩擦因数 干沥青与混凝土路面 0.70 0.8 干碎石路面 0.60 0.7 湿沥青与混凝土路面 0.32 0.4   取g=10ms2 f=0.8由a=fg算得a= 8ms2. 驾驶员的反应时间T1的确定是一个比较复 杂的问题.速度时间道路位置空间等都是驾 驶员安全考虑并进行分析判断的因素.另外反应 时间也与驾驶员的年龄以及城市交通情况繁杂 多变和危险情况有关.根据目前已有的研究成果 85%的驾驶员感知时间值在11.8s对于一些 年老的驾驶员反应时间一般不小于2.5s.根据 美国各州公路和交通工作者协会建议对所有车 速在确定安全停车距离时反应时间用2.5s在 确定交叉口时距时反应时间用2.0s.本文将反 应时间设为12.5s典型车身长度为I=4m 路口宽度L设为20 40m.不同反应时间不同 路口宽度下模型7算出的黄灯时间见表2. 表2 黄灯闪烁最短时间表 Lm T1s 1.0  1.5  2.0  2.5 20  3.5  4.0  4.5  5.0 25  3.7  4.2  4.7  5.2 30  3.9  4.4  4.9  5.4 35  4.1  4.6  5.1  5.6 40  4.3  4.8  5.3  5.8   由表2可见绝大部分情况黄灯最小时间都 超过了4s.事实上在上式a=fg中计算的是 紧急刹车的最大减速度紧急刹车会导致比闯黄 灯更大的危险.研究表明90%的驾驶员会以不大 于a=3.4ms2的减速度减速这个减速度能够 使驾驶员在潮湿的路面上刹车时保持驾驶控制. 以a=3.4ms2 算得上表中最短的黄灯时间也 超过了4s.仔细考察式7发现其确定的黄灯时 间太过理想化其中存在以下几个问题1式 7中的黄灯时间虽然有效避免了相邻相位车流 间的相互干扰当红灯亮时汽车的尾部刚好通过 停车线.但实际上式7的黄灯时间相对比较保 守2速度始终为一个定值这也与实际情况 不符. 1.2 有效黄灯时间的数学模型7-11 见图2汽车只要通过冲突点A就可以了而 没有必要等到车辆完全通过路口才结束黄灯信 号令停车线与A点的距离为L1 因此黄灯时间 计算公式改变为 T=T1+T2+T3=T1+ I+L1 v0 + v0 2a 9   进一步考察黄灯时间发现只要东西向的车 辆在南北向的车辆到达可能冲突点A之前汽车 通过可能冲突点A就可以了故式9进一步修 正为 T=T1+T2+T3=T1+ I+L1 v0 + v0 2a -t1 10 798  第5期 王秀良等十字路口黄灯时间及困境区域的数学模型研究 图2 相邻相位下冲突点产生过程示意图 式中T1为南向驾驶员看到绿灯亮时的起步反应 时间T′ 1与汽车从停车线到达冲突点A所用的时 间见图3假定汽车起步时为匀加速直线运动 令南向汽车从起步到达A点的距离为L′ 1 以 v0 2 表 示这段距离的平均速度则南向汽车到达冲突点 A所用 时 间 为2L′ 1 v0 .所 以 有t1=T′ 1+ 2L′ 1 v0 故 式 10变为 T=T1+T2+T3= T1+ I+L1 v0 + v0 2a -T′ 1+ 2L′ 1 v0 = T1-T′ 1+ I+L1-2L′ 1 v0 + v0 2a 11 图3 修正前后交叉口通过距离对比示意图 另外在黄灯时间的保守数学模型中把驾驶 员的速度设为常数v0也是不合实际的.设汽车驶 入路口的速度v服从区间v0- v 2 v0+ v 2 上的 均匀分布则式11的黄灯时间改变为 T= 1 v∫ v0+ v 2 v0- v 2 Tvdv=T1-T′ 1+ v0 2a + I+L1-2L′ 1 v ln 2v0+v 2v0-v 12   根据城市路面十字路口的实际情况令L1= 2 3 L东西L′ 1= 1 3 L南北 则式12变为 T=T1-T′ 1+ v0 2a + I+ 2 3 L东西-L南北 v ln 2v0+v 2v0-v 13   式13表明黄灯时间的确定主要由以下几个 因素决定刹车反应时间与起步反应时间的差两 个方向路口的宽度差路口的限速度. 令a=3.4ms2L东西-L南北=8mT1-T′ 1 =0.2sv= 1 10 v0I=4mL=30mT1=2s.不 同车速不同模型的黄灯时间见表3. 表3 不同车速不同模型的黄灯时间比较表 以下车速km h-1 时黄灯时间s 30  40  50  60 模型7 5.5  4.9  4.7  4.7 北京实际 4  4  4  4 模型13 2.5  2.7  2.9  3.2   表3表明模型13计算出的黄灯时间更适 于实际情况北京市交管局把黄灯时间设置为4s 是合理的. 2 困境区域的研究12-13 2006年8月北京市交管部门对道路交通 安全法实施条例第38条规定做了进一步的解 释 黄灯闪烁的一刹那如果车辆在路口停止线 外需要减速停车否则要按照闯红灯处罚罚款 200元记3分如果车辆已经越过停止线进入路 口内则可以继续通过.但是对于那些接近停车 线的车辆当黄灯闪烁时如果立即刹车一方面 可能会造成后面的汽车反应不过来而可能发生追 尾事故另一方面即使立刻减速停车也很可能 当车停下后汽车也已经越过停车线而造成违 章.具体情况见表4其中a=8.0ms2T1=1s. 表4 不同车速下车辆的反应距离刹车 制动距离和停车距离表 初速度 km h-1 反应距离 m 制动距离 m 停车距离 m 30  8.3  4.3  12.6 40  11.1  7.7  18.8 50  13.9  12.1  26.0 60  16.7  17.4  34.1   表4说明接近停车线的车辆即使采取立即 刹车直到完全停止也要行驶一段距离立刻停下 来是不现实的. 如果在黄灯开始闪烁时停车线前的汽车选 择继续冲过十字路口一方面汽车可能要突然加 速而如果汽车已经在法定速度行驶很可能会造 898 武汉理工大学学报交通科学与工程版 2011年 第35卷 成超速另一方面如果仍旧按照法定速度行驶 又很可能当红灯变亮时汽车仍没完全通过十字 路口而造成闯红灯违章. 假定当黄灯闪烁时一辆汽车处在距离停车 线S处汽车按限速度v0行驶黄灯闪烁时间为 T驾驶员的反应时间为T1 若汽车在黄灯闪烁 的时间内刚好通过十字路口到达对面的安全线 则汽车通过十字路口的时间为T2=I+Lv0 安全通过距离S的驾驶时间为T′ 则T′=T- T2.其中T′包括驾驶员的反应时间T1.S为汽车 选择通过十字路口时的安全通过距离此时S= v0T′=v0T-T2 =v0T-I+L.不同型号的车 辆和不同宽度的十字路口车辆通过路口的时间 T2不同. 当汽车与停车线的距离大于S时汽车不能 在黄灯闪烁的时间T内以速度v0通过 十 字 路 口必须选择减速停车.若在黄灯闪烁的时间内汽 车刚好在停车线处停止此时汽车通过的距离记 为S1 则S1=v0T1+ v2 0 2a .S1是处在十字路口的 汽车选择停车时的安全停车距离.显然S<S1. 假设 黄 灯 开 始 闪 烁 时汽 车 距 离 停 车 线 为 S′.情况一如果S′ <S则驾驶员不用停车可以 安全行驶过十字路口情况二如果S′ >S1 则驾 驶员必须选择安全减速停车情况三如果S<S′ <S1 驾驶员就面临一个两难的选择即如果选择 继续行驶那么肯定在黄灯闪烁的时间T内无法 完全通过十字路口而如果选择减速停车当汽车 停止时肯定已经越过停车线.于是出现了一个让 驾驶员进退两难的困境区域 见图4. 图4 黄灯时间内的困境区域示意图 黄灯亮时接近停车线的汽车驾驶员要在瞬 间决定是继续前行还是减速停车决策流程见图 5.   给定S和S1中的各个因素的数值举例来 分析困境区域的具体情况其中S=v0T-I+ LS1=v0T1+ v2 0 2a v0=60kmhT=4sI=4 mL=20ma=2.4ms2T1=1s. 图5 黄灯亮时驾驶员的决策流程 情况一 驾驶员以上述假定各相关因素值行 驶时在距离停车线S′=40 m处时黄灯开始闪 烁.由于此时S=v0T-I+L=42.8mS′ <S 驾驶员不必减速停车以原定速度v=60kmh 能够安全通过十字路口. 情况二 驾驶员在距离停车线S′=58 m处 黄灯开始闪烁.S1=v0T1+ v2 0 2a =57.7mS′ >S1 驾驶员必须减速停车他将在红灯亮时停在距离 停车线0.3m处休息. 情况三 驾 驶 员 在 距 离 安 全 停 车 线S′= 50m处黄 灯 开 始 闪 烁.由 于 此 时S=42.8 m S′ >S驾驶员必须减速停车否则如果汽车继续 行驶则还在距离对面的安全停车线7.2 m处 红灯已经亮了.但是如果驾驶员选择减速停车则 在完全停止时需要行驶的距离为S1=57.7m.显 然又已经越过最近安全停车线7.7 m.此种情 况驾驶员不能停车除非他以超出合理减速度刹 车这样对后面的车辆安全有不利影响也不能继 续行驶并安全合法的通过十字路口除非超过限 速.此时驾驶员就处于困境区域之中. 3 结 束 语 在实际生活中当黄灯开始闪烁时驾驶员要 根据当时的交通状态接近十字路口时的行驶速 度以及距离停车线的距离迅速综合各种因素以 后在很短的反应时间内正确的选择是减速还是 继续行驶.对于大部分经验比较丰富的驾驶员来 说上面的困境区域是不存在的他们总可以根据 当时的交通环境做出正确的选择顺利通过或者 安全停车.对于那些反映时间慢能够实施的减速 度小不能正确的选择是停车还是继续行驶的驾 998  第5期 王秀良等十字路口黄灯时间及困境区域的数学模型研究 驶员新手上面的困境区域就总是存在的. 中国城市交叉口的信号优化与配时问题已经 存在很长时间现在城市路网压力越来越大道路 建设最大的一个瓶颈就是十字交叉口的安全问 题.在很多场合安全与效率难以两全十字交叉 口经常又是冲突交通流汇聚的节点安全问题十 分突出.研究表明每年城市交通事故59%都发 生在交叉路口因为闯黄灯或者闯红黄灯.对城市 道路十字路口的安全停车距离及困境区域等问题 进行更深入的调查和研究对于缓解城市交通压 力降低城市交通事故的发生率等方面都有积极 的作用. 参 考 文 献 1中华人民共和国公安部.中华人民共和国道路交通 安全法S.北京人民交通出版社2004. 2美国运输部联邦公路局.交通控制系统手册S.李 海渊译.北京人民交通出版社1987. 3德国道路与交通工程研究学会.交通信号控制指南 S.李克平译.北京中国建筑工业出版社2006. 4马子斌商学岭.道路交叉口处信号灯的黄灯时间和 优化配时 问 题J.数学的实践与认识19951 8-14. 5张兰芳方守恩.公路平面交叉口合理间距研究J. 重庆交通大学学报自然科学版2008272276- 278. 6徐学珍田宏伟.快速路驾驶员反应时间的确定J. 信息技术与信息化20074105-108. 7钟连超叶彬强罗劲松.交通灯控制系统中黄灯时 间的确定J.重庆工学院学报自然科 学 版2008 224154-156. 8马 锐.十字路口黄灯闪亮时间的数学建模分析J. 云南民族大学学报自然科学版2004134302- 304. 9李建新毛保华.混合交通环境下有信号交叉口通行 能力研究J.交通运输系统工程与信息200112 119-123. 10 华杰工程咨询有限公司.公路项目安全性评价指南 JTGB05-2004S.北京人民交通出版社2004. 11 姜启源谢金星叶 俊.数学模型M.3版.北京 高等教育出版社2003. 12 王金梅王兆安邓 雯.与闯红灯违规相关的困境 区域的研究J.西安交通大学学报2005392 205-209. 13 高铁军.城市信控交叉口的过渡信号研究D.北 京北京交通大学交通运输学院2008. Research With Regard  to  the Mathematical Modeling of  Interval of Yellow Li ght  and Dilemma Zone at  Crossing Road Wang Xiuliang Qiao Mu Science Dept.Chinese People 's Public Security UniversityBeijing100038China AbstractCrossing roads  are  the nodes of  conflicted  traffic  flow  in urban  traffic.The  safet y problem is gettin g serious.Mathematical models of  yellow  li ght  time  and effective  yellow  li ght  time  are  devel- oped.In the  case  of  yellow  li ght  time  confirmed  in  crossing road of  urban  trafficsafet y sto pping dis- tance  and dilemma  zone problems  are  draw forth  in  road  traffic.Dilemma  zone  is  reall y existence  in some placeit  is  very necessary to  further  stud y. Key wordstraffic  engineeringyellow  li ght  time modelkinematics  equation effective  yellow  li ght time dilemma  zonesafel y sto pping distance
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分享 初等模型数学
hysx 2014-3-3 14:50
传统珠算、风靡一时的珠心算,古代筹算,计整补零、转进化退币珠算,独霸世界横竖式笔算,人文传情达意符号,历久不衰的汉字,井喷世界数学建模与用模,易经象数义理八门学科的数学计算资源整合,唯一填补世界空白的初等模型数学:“珠算精髓,币珠真情,算筹风骨,汉字体型;会意勋章,数据集成,数模特质,易经数象;小分整一,觉随角变,自然规律,直简实易”。
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分享 请问模型各种描述的英文版本怎么找呀?
20142014 2014-1-22 12:51
请问模型各种描述的英文版本怎么找呀? 请问模型各种描述的英文版本怎么找呀?
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分享 苦逼的建模。。。
沈波 2013-12-10 16:23
数模竞赛找资料是个大问题啊。。。论文是个大BOSS。。算法都看不懂啊。。没有指导老师自己真的好难建立模型啊。。不知道大神是怎么做的?
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分享 数学模型方法与算法
热度 22 多啦真人 2013-9-11 21:49
1. 现有的 统计方法 : 主要为多元 统计方法 ,如 多元回归 、逐步 回归分析 、 判别分析 、 因子分析 、 时间序列分析 2. 模糊多元 分析方法 :由 模糊数学 发展而来,包括模糊 聚类 、模糊判别、模糊综合评价等方法。 3. 简易方法:主要包括 综合评分法 、综合指数法、 层次分析法 、 Topsis 法、秩和比法等。 特点: ① 简单实用; ② 适用于各种资料; ③ 存在一定的局限性 2. 建模方法: 1 预测模块: 灰色预测 、 时间序列 预测、 神经网络 预测、 曲线拟合 ( 线性回归 ); 2 归类判别: 欧氏距离 判别、 fisher 判别等 ; 3 图论: 最短路径 求法 ; 4 最优化:列方程组 用 lindo 或 lingo 软件解 ; 5 其他方法: 层次分析法 马尔可夫链 主成分析法 3. 十种数学 建模常用算法,仅供参考: 1 、 蒙特卡罗 算法(该算法又称随机性模拟算法,是通过 计算机仿真 来解决 问题的算法,同时可以通过模拟可以来检验自己模型的正确性,是比赛时必 用的方法) 2 、 数据拟合 、 参数估计 、插值等 数据处理 算法(比赛中通常会遇到大量的数 据需要处理,而处理数据的关键就在于这些算法,通常使用 Matlab 作为工具) 3 、线性规划、整数规划、多元规划、二次规划等规划类问题(建模竞赛大多 数问题属于最优化问题,很多时候这些问题可以用数学规划算法来描述,通 常使用 Lindo 、 Lingo 软件实现) 4 、 图论算法 (这类算法可以分为很多种,包括最短路、 网络流 、 二分图 等算 法,涉及到图论的问题可以用这些方法解决,需要认真准备) 5 、 动态规划 、回溯搜索、分治算法、分支定界等计算机算法(这些算法是算 法设计中比较常用的方法,很多场合可以用到竞赛中) 6 、最优化理论的三大非经典算法: 模拟退火 法、 神经网络 、 遗传算法 (这些 问题是用来解决一些较困难的最优化问题的算法,对于有些问题非常有帮助, 但是算法的实现比较困难,需慎重使用) 7 、 网格 算法和 穷举法 ( 网格 算法和 穷举法 都是暴力搜索最优点的算法,在很 多竞赛题中有应用,当重点讨论模型本身而轻视算法的时候,可以使用这种 暴力方案,最好使用一些 高级语言 作为编程工具) 8 、一些连续离散化方法(很多问题都是实际来的,数据可以是连续的,而计 算机只认的是离散的数据,因此将其离散化后进行差分代替微分、求和代替 积分等思想是非常重要的) 9 、 数值分析 算法(如果在比赛中采用 高级语言 进行编程的话,那一些数值分 析中常用的算法比如方程组求解、矩阵运算、函数积分等算法就需要额外编 写 库函数 进行调用) 10 、图象处理算法(赛题中有一类问题与图形有关,即使与图形无关,论文 中也应该要不乏图片的,这些图形如何展示以及如何处理就是需要解决的问 题,通常使用 Matlab 进行处理)
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分享 怎样建立完整的数学模型
Longer☆吥蓠 2013-8-7 15:28
什么是数学模型?概括地说, 就是用数学语言和方法对实际问题的抽象和描述。牛顿万有引力定律便是数学模型的一个很好的例子。一般说来, 一个好的数学模型应该具备下列特点: 1. 对所给问题有较全面的考虑 在一个实际问题中, 往往有很多因素同时对所研究的对象发生作用, 如 MCM-93A 题要求考察有机混和物转化为堆肥的过程, 堆肥过程的快慢取决于真菌的数量, 而影响真菌生长繁殖的因素有许多,如发酵室的温度、湿度、原料的碳元素和氮元素含量之比, 甚至于堆肥过程发生的季节等。在对堆肥过程进行数学描述之前, 应该全面地对这些因素加以考虑。这项工作可以分三步进行: (1) 列举各种因素。 (2) 选取主要因素计入模型。 (3) 考虑其他因素的影响, 对模型进行修正。 2. 创造性地改造已有模型或自创新的模型 MCM中的问题一般来源于实际工作中遇到的未解决的问题, 没有现成的理论或模型可以套用。因此, 评价一个数学模型的优劣往往要看论文的创造性, 即是否能结合实际提出自己的独到见解。当然, 在数学建模竞赛的短短三天之内, 恐怕没有足够的时间去自创一种新的数学方法来解决问题,所以往往是在现有的模型上做出创造性的改进。这方面的例子很多。如 MCM-89B 题, 可以用线性规划的方法建立优先排队模型, 重要的是要对公司和乘客的满意度及各种费用做出合理的描述。 MCM-89A 题可以用统计学中的判别分析方法对蠓虫加以分类, 但必须合理解决蠓虫样品数量太少的问题。又如 CUMCM-93B 题要求设计一种足球比赛的排名方法, 特征向量法(一种成功应用于循环赛的排名方法)可以作为模型的基础, 模型的创造性则体现在对数据不规则性的处理上。 3. 善于在简单与复杂, 精确与普适等相反特征时间取得调和 数学模型应当是对实际问题的本质刻划。如果考虑问题过于简单, 如 MCM-90A 题用指数函数描述多巴胺在大脑中的分布, 模型固然明白易懂, 但却没有抓住问题的本质。相反, 如果将所有因素不分主次一概计入模型, 不仅显得十分庞杂, 而且事实上无法求解, 反而掩盖了问题的本质。对于优化模型(如 MCM-93B 题关于装煤车的调度设计)可以设计一些可调参数使模型具有较广的适用性, 但参数过多, 则会降低模型的精确性, 而且显得过于主观。要想建立一个好的模型, 就必须在相反的极端之间加以权衡, 这有赖于对问题本质的深刻理解。 4. 注重结果分析, 考虑其在实际中的合理性 数学建模是一个从实际到数学, 再从数学到实际的过程。由于现有的模型仅依赖于题中的数据, 从模型得到的结果是否符合实际, 是模型好坏的重要的标志。 以 MCM-91A 题用水量的估计为例, 得到每天的用水量曲线之后, 与当地每天用水量曲线比较, 发现相当吻合, 从而提高了模型的可靠性。又如 CUMCM-92A 题, 可以从农学角度对土豆和生菜的施肥效果进行分析, 并于模型结果比较。 5. 善于对模型进行检验 根据各种实际情况检验模型是判断其合理性的重要依据。一个好的模型所预见的结果不应该由于原始数据或参数的微小波动而有很大的变化。因此模型的敏感性和稳定性分析是至关重要的。对于运筹学模型, 如排队系统的设计等, 应该是实际数据或计算机模拟的办法, 验证其实际可行性和有效性。 在了解了数学模型的特点之后, 一个重要的问题是, 如何建立一个好的模型?许多同学误认为, 数学模型是一件与其他课程不相干的新鲜事, 其实不然, 书上出现的各种模型可以说都是数学模型。学习数学模型, 就是要学会怎样用自己学到的数学和计算机知识去解决实际问题。一个完整的数学建模过程主要由三部分组成:(1) 用适当的数学方法对实际问题进行描述。(2) 采用各种数学和计算机手段求解模型。(3) 从实际的角度分析模型的结果, 考察其是否具有实际意义。具体地说, 它包括一系列具体步骤。我们将以MCM试题为例加以阐述。首先应该指出的是, 我们的观点未必全面。一个具体模型的建立也不是一定要按这些步骤进行。
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分享 蒙特卡罗模拟模型过程前期的小问题。
热度 1 byx310 2013-7-17 16:07
话说,“解析法是一种最常用的不确定度评定方法,使用该方法时, 需要推导出输入变量不确定度与输出变量不确定度之间的解析表达式, 因此若描述测量过程的数学模型较复杂,实现起来会有很大的困难。因此采用蒙特拉罗法进行不确定性评估。”。我的问题是,针对一个模型进行蒙特卡罗法进行不确定性评估,好像也需要对模型进行过程推导,否则如何进行蒙特卡罗法的评估?希望高手可以帮我解决问题。
个人分类: 蒙特卡罗|229 次阅读|0 个评论
分享 差分方程在建模中的应用
飞吧aa 2013-7-14 22:52
差分方程建模 : 在实际建立差分方程模型时,往往要将变化过程进行划分,划分成若干时段,根据要解决问题的目标,对每个时段引入相应的变量或向量,然后通过适当假设,根据事物系统的实际变化规律和数量相互关系,建立每两个相邻时段或几个相邻时段或者相隔某几个时段的量之间的变化规律和运算关系(即用相应设定的变量进行四则运算或基本初等函数运算或取最运算等)等式(可以多个并且应当充分全面反映所有可能的关系),从而 建立起差分方程。或者对事物系统进行划分,划分成若干子系统,在每个子系统中引入恰当的变量或向量,然后分析建立起子过程间的这种量的关系等式,从而建立起差分方程。在这里,过程时段或子系统的划分方式是非常非常重要的,应当结合已有的信息和分析条件,从多种可选方式中挑选易于分析、针对性强的划分,同时,对划分后的时段或子过程,引入哪些变量或向量都是至关重要的,要仔细分析、选择,尽量扩大对过程或系统的数量感知范围,包括对已有的、已知的若干量进行结合运算、取最运算等处理方式,目的是建立起简洁、深刻、易于求解分析的差分方程。在后面我们所举的实际例子中,这方面的内容应当重点体会。 差分方程模型作为一种重要的数学模型,对它的应用也应当遵从一般的数学建模的理论与方法原则。同时注意与其它数学模型方法结合起来使用,因为一方面建立差分方程模型所用的数量、等式关系的建立都需要其他的数学分析方式来进行;另一方面,由差分方程获得的结果有可以进一步进行优化分析、满意度分析、分类分析、相关分析等等。
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分享 灰色预测模型
绛红宵寐 2012-7-12 10:13
华中理工大学 刘思峰 国人啊 大力支持
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分享 永咏数学模型
热度 1 1007476397 2012-4-25 18:56
永咏数学模型 李尚志 数学精微何处寻, 纷纭世界有模型。 描摹万象得神韵, 识破玄机算古今。 岂是空文无实效, 能生妙策济苍生。 经天纬地显身手, 七十二行任纵横。
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分享 数学模型之风险投资线性规划
逍遥子201167 2012-4-3 17:31
令人崩溃的第N次计算,还是和老师的不一样 无语的第N-1次计算,一看就知道结果不对,但却能有下面的 还有这些 尽管,尽管,尽管,一个月过去了,经过无数个小时的工作,但我还是没有计算出正确结果,但是收获却很多。虽然模型是老师在课堂上建好的,我们只是计算结果。但无尽失败。。。。。 最开始不会用EXCEL,但会了EXCEL还是求不出来.用liNGO 求得结果更不对。数学建模真的是一个“天将降大任于斯人也”的痛苦过程。不过主要原因,还是不会用软件。文盲很可怕,真的, 文盲很可怕!!!!!!
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分享 经验
む伈随风飞る 2012-4-2 23:11
第一天一定要多查论文,具体模型只要在第二天中午前定下来就行。在编程序这边我也遇到了不少麻烦,之前没有具体做过,所以真正自己动手的时候很多细节的问题是一定要动手才能具体解决的,比如 DEBUG 的方法,子程序传函这些。 当时做程序 DEBUG 几乎 DE 了我一天的时间,所以还是建议大家之前一定要独立做程序,掌握 DEBUG 的方法,不然有模型编程出不了结果,会很郁闷的。
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分享 ‘分享’ 《数学建模流程》
Mr.Q 2012-2-10 21:09
拿到建模题目以后,按照一下流程去分工合作。 一、第一天上午 1.各自对立思考1个小时,主要分析题目的问题背景,已知条件,建模目的等问题。至少每人必须提出10到15个问题,并回答自己的问题。 2.重点用语言的形式表述清楚问题的结构,即用语言描述自己的初步模型。(要自己提出的模型,可能就会产生一些假设。) 3.再和队友讨论。讨论1个小时。形成自己团队的初步模型,同样是以语言形式描述的。 4.接下来查找一些文献,讨论修改团队的模型,形成一个最终较完整的模型。并根据讨论最后形成对问题的统一认识,形成问题重述部分的内容。 注: 1)如果问题有好几问,可以重点讨论第一个问题,但是也要考虑其他问题与第一问的关系!(一般建模中的几问都是有一定联系得);也可以同时考虑,同时建模。 2)注意参考文献的处理,参考别人的方法一定要在文中注明!这也是要求一直留意查找文献的目的。 二、第一天下午 将自己团队的模型数学化,用数学符号和数学语言公式的形式,表述自己的模型。此时会继续需要查文献,产生一些假设条件,并产生自己论文中的符号说明。 三、第二天上午 一个人开始写文章,语言重在逻辑清晰,叙述简洁明了!图、表准确。文章格式正确、内容完整。(问题重述,问题分析,模型假设,符号说明,模型形式,以及参考文献都已经在第一天的讨论中有了一定的共识。) 其余两个人(在不清楚时3人讨论),开始考虑第一个问题的模型的求解,即研究模型的解法。查找文献或者自己提出对模型的求解方法。此时可能需要继续对第一天建立的模型进行修改,简化等处理。(讨论后,及时告诉写文章的队友)。 四、第二天下午 写文章的继续。编程的开始编程计算模型。此时,可能需要根据所采取的算法对模型的表述重新修改。 另一人帮忙编程,并开始考虑第二个、第三个问题的模型及求解方法。并一起讨论,形成共识,写进文章中。(此时,同样可能需要查文献,符号表示,产生假设) 五、第三天上午 应该给出所有问题的计算结果了(最迟下午6点前)。产生论文初稿。 六、第三天下午 进行模型的分析。主要是分析编程计算出的解的现实意义等,通过图、表等形式说明自己的结果。并一定进行误差分析(因为模型是对实际问题的近似,同时在建模中也进行的假设,所以必须进行误差分析。) 注:如果模型的计算在下午才出来,需要加紧进度。晚上不要休息了! 七、第三天晚上 对模型进行总结推广(3人讨论1个小时,切忌不要在这个问题上过多的讨论,只需写一段。只讨论模型本身的问题,假设的合理性去处和条件的放松,模型的求解方法等。文章的此部分必须有,但是一定不能太多。) 重点精力放在对模型的摘要的书写上,一定3人认真讨论2小时左右。摘要A4纸2/3,主要是模型的目标,方法,结果。用清晰简洁的语言叙述,突出创新的内容。 注: 1)整建模过程中要注意自己数据,文章的电子文件的保存,随时保存副本! 2)队内交流,不可队外交流,不要和其他队和人交流!以免雷同,抄袭的发生!保护自己的劳动成果。 3)假设要认真考虑,切合实际,又合理,同时,可以使处理的问题简单化。一定不要为了假设而假设(即为了论文中有模型假设这一内容,而做出一些无意的假设!)。
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分享 线性规划模型
916585354 2012-1-2 10:15
在人们的生产实践中,经常会遇到如何利用现有资源来安排生产,以取得最大经济效益的问题。此类问题构成了运筹学的一个重要分支—数学规划,而线性规划 (LinearProgramming 简记 LP) 则是数学规划的一个重要分支。自从 1947 年 G.B.Dantzig 提出求解线性规划的单纯形方法以来,线性规划在理论上趋向成熟,在实用中日益广泛与深入。特别是在计算机能处理成千上万个约束条件和决策变量的线性规划问题之后,线性规划的适用领域更为广泛了,已成为现代管理中经常采用的基本方法之一。 一般线性规划问题的标准型为 ( 1 ) ( 2 ) 可行解 满足约束条件( 2 )的解 ,称为线性规划问题的可行解,而使目标函数( 1 )达到最小值的可行解叫最优解。 例 配料问题 某工厂要用三种原材料 C , P , H 混合调配出三种不同规格的产品 A , B , D 。已知产品的规格要求,产品单价,每天能供应的原材料数量级原材料单价,分别见表 1 和表 2 。问:该厂应如何安排生产,使利润收益最大? 表 1 产品规格要求与单价表表 2 原材料限额与价格表 产品 名称 规格要求 单价 (元 /kg ) A 原材料 C 不少于 50% 原材料 D 不超过 25% 50 B 原材料 C 不少于 25% 原材料 D 不超过 50% 35 D 不限 25 原材料 名称 每天最多供应量 单价 (元 /kg ) C 100 65 P 100 25
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分享 研究=理论+模型+方**+表达
zj-jscsbao 2011-10-28 09:42
对于经济管理读研的研究生、博士生,或是学者来说,搞好研究大概需要这么四种能力:理论,指经济管理理论、金融理论,一些国外的经典教材必不可少;模型,现代经管的研究只要方式,用数学得很多,但是重要的是理解数学模型的本质;方**指研究采用方法方面的掌握,包括一些经典的方法和较新的方法,关键也是数学基础,方法如何应用、在什么场合适用,关心的是这个;最后就是表达能力,包含两个方面:口头表达和书面写作的能力,两者并重。有一些学术研究会的机会,将自己的观点清晰准确地表达出来,传递给听众,是一种软实力;书面写作的能力很要紧,对于做出的成果,运用简洁明了的方式将其写成论文,主要包含问题的提出、文献综述、理论方法回顾、实证分析、结果讨论、结语等部分。
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分享 2011-08-31
西方狼 2011-8-31 20:58
数学建模论文基本格式 摘要 ( 200-300 字,包括模型的主要特点、建模方法和主要结果。 ) 关键词 ( 求解问题、使用的方法中的重要术语 ) 内容较多时最好有个目录 1 。问题重述 2 。问题分析 3 。模型假设与约定 4 。符号说明及名词定义 5 。模型建立与求解 ①补充假设条件,明确概念,引进参数; ②模型形式(可有多个形式的模型); 6 。进一步讨论(参数的变化、假设改变对模型的影响) 7 。模型检验 ( 使用数据计算 结果,进行分析与检验 ) 8 。模型优缺点( 改进方向,推广新思想 ) 9 。参考文献及参考书籍和网站 10 。附录 ( 计算程序,框图;各种求解演算过程,计算中间结果;各种图形、表格。 ) 小经验: 1 。随时记下自己的假设。有时候在很合理的假设下开始了下一步的工作,就应该顺手把这个假设给记下 来,否则到了最后可能会忘掉,而且这也会让我们的解答更加严谨。 2 。随时记录自己的想法,而且不留余地的完全的表达自己的思想。 3 。要有自己的特色,闪光点。 如何撰写数学建模论文 当我们完成一个数学建模的全过程后,就应该把所作的工作进行小结,写成论文。撰写数学建模论文和参加大学生数学建模时完成答卷,在许多方面是类似的。事实上数学建模竞赛也包含了学生写作能力的比试,因此,论文的写作是一个很重要的问题。 首先要明确撰写论文的目的。数学建模通常是由一些部门根据实际需要而提出的,也许那些部门还在经济上提供了资助,这时论文具有向特定部门汇报的目的,但即使在其他情况下,都要求对建模全过程作一个全面的、系统的小结,使有关的技术人员(竞赛时的阅卷人员)读了之后,相信模型假设的合理性,理解在建立模型过程中所用数学方法的适用性,从而确信该模型的数据和结论,放心地应用于实践中。当然,一篇好的论文是以作者所建立的数学模型的科学性为前提的。其次,要注意论文的条理性。 下面就论文的各部分应当注意的地方具体地来做一些分析。 (一) 问题提出和假设的合理性 在撰写论文时,应该把读者想象为对你所研究的问题一无所知或知之甚少的一个群体,因此,首先要简单地说明问题的情景,即要说清事情的来龙去脉。列出必要数据,提出要解决的问题,并给出研究对象的关键信息的内容,它的目的在于使读者对要解决的问题有一个印象,以便擅于思考的读者自己也可以尝试解决问题。历届数学建模竞赛的试题可以看作是情景说明的范例。 对情景的说明,不可能也不必要提供问题的每个细节。由此而来建立数学模型还是不够的,还要补充一些假设,模型假设是建立数学模型中非常关键的一步,关系到模型的成败和优劣。所以,应该细致地分析实际问题,从大量的变量中筛选出最能表现问题本质的变量,并简化它们的关系。这部分内容就应该在论文的“问题的假设”部分中体现。由于假设一般不是实际问题直接提供的,它们因人而异,所以在撰写这部分内容时要注意以下几方面: ( 1 )论文中的假设要以严格、确切的数学语言来表达,使读者不致产生任何曲解。 ( 2 )所提出的假设确实是建立数学模型所必需的,与建立模型无关的假设只会扰乱读者的思考。 ( 3 )假设应验证其合理性。假设的合理性可以从分析问题过程中得出,例如从问题的性质出发做出合乎常识的假设;或者由观察所给数据的图像,得到变量的函数形式;也可以参考其他资料由类 推得到。对于后者应指出参考文献的相关内容。 (二) 模型的建立 在做出假设后,我们就可以在论文中引进变量及其记号,抽象而确切地表达它们的关系,通过一定的数学方法,最后顺利地建立方程式或归纳为其他形式的数学问题,此处,一定要用分析和论证的方法,即说理的方法,让读者清楚地了解得到模型的过程上下文之间切忌逻辑推理过程中跃度过大,影响论文的说服力,需要推理和论证的地方,应该有推导的过程而且应该力求严谨;引用现成定理时,要先验证满足定理的条件。论文中用到的各种数学符号,必须在第一次出现时加以说明。总之,要把得到数学模型的过程表达清楚,使读者获得判断模型科学性的一个依据。 (三) 模型的计算与分析 把实际问题归结为一定的数学问题后,就要求解或进行分析。在数值求解时应对计算方法有所说明,并给出所使用软件的名称或者给出计算程序(通常以附录形式给出)。还可以用计算机软件绘制曲线和曲面示意图,来形象地表达数值计算结果。基于计算结果,可以用由分析方法得到一些对实践有所帮助的结论。 有些模型(例如非线性微分方程)需要作稳定性或其他定性分析。这时应该指出所依据的数学理论,并在推理或计算的基础上得出明确的结论。 在模型建立和分析的过程中,带有普遍意义的结论可以用清晰的定理或命题的形式陈述出来。结论使用时要注意的问题,可以用助记的形式列出。定理和命题必须写清结论成立的条件。 (四) 模型的讨论 对所作的数学模型,可以作多方面的讨论。例如可以就不同的情景,探索模型将如何变化。或可以根据实际情况,改变文章一开始所作的某些假设,指出由此数学模型的变化。还可以用不同的数值方法进行计算,并比较所得的结果。有时不妨拓广思路,考虑由于建模方法的不同选择而引起的变化。 通常,应该对所建立模型的优缺点加以讨论比较,并实事求是地指出模型的使用范围。 除正文外,论文和竞赛答卷都要求写出摘要。我们不要忽视摘要的写作。因为它会给读者和评卷人第一印象。摘要应把论文的主要思路、结论和模型的特色讲清楚,让人看到论文的新意。 语言是构成论文的基本元素。数学建模论文的语言与其他科学论文的语言一样,要求达意、干练。不要把一句句子写得太长,使人不甚卒读。语言中应多用客观陈述句,切忌使用你、我、他等代名词和带主观意向的语句。在英语论文写作中应多用被动语态,科学命题与判断过程一般使用现在时态。 最后,论文的书写和附图也都很重要。附图中的图形应有明确的说明,字迹力求端正。 参加数学建模竞赛的十大秘诀 1 诚信是最重要的 数学建模竞赛是考查学生研究能力和实践能力的一场综合性比赛,有很多方面的知识和能力可以考查,但其中我觉得最重要的是诚信。我感到中国在这方面的教育还远远不够,我知道有很多同学写论文并不是实事求是地去做,而是编造数据、修改结论,明明自己没法编程实现却硬说自己做出来了,还编了一些数据。这些行为也许能够骗过评委,也许可以因“此”而获奖,但是这对他们将来是很不利的 , 希望能够引起足够的注意。 2 团队合作是能否获奖的关键 在三天的比赛中,团队交流所占用的时间可能会超过一半。在一个小组中,出现意见不一是非常正常的,如果一个队意见完全一致,我想他们肯定不会拿奖。出现分歧的时候应当如何解决是很关键的,甚至直接决定你是否可以获奖,我的建议是“妥协”,这似乎是个贬义词,但我的意思是说不要总认为自己的观点是正确的,多听听别人的观点,在两者之间谋求共同点。如果三个人都是自傲类型的人,也许每个人都非常强,但一旦合作,分歧就无法解决,做出来的就是一团糟,也就是说“三个诸葛亮顶不上一个臭皮匠”。我奉劝这样的话最好别组成一队了。合作在竞赛前就应当培养,比如一块儿做模拟题什么的,充分利用每个人的优点,也可以张三准备图论,李四准备最优化方法,然后几天后大家一块交流,这些都是可以磨合团队之间的关系的。 通常在比赛时,三个人的分工是明确的,一个是领军人物,主要是构建整个问题的框架并提出有创意的 idea ,自然其他部分比如论文写比如程序设计比如计算他也能参加,应该算是一名全能型的人物;第二个是算手,顾名思义,主司计算方面的问题,比如编程计算一个微积分或者手工计算一条最优路径等。优秀的团队算手一般会精通(是精通不是入门)一个软件的应用,比如 C 比如 MATLAB 比如 LINGO ;最后一个是写手,主要工作在于论文的写作和润色上。好的论文要让人一眼就明了其中的意思,所以写手的工作还是需要一定的技巧的。当然,最重要的还是三个队员之间的讨论和交流,同心协力,在整个比赛过程中形成一种良好的交流氛围。 3 时间和体力的问题 竞赛中时间分配也很重要,分配不好可能完不成论文,所以开始时要大致做一下安排。不必分的太细,比如第一天做第一小题,第二天做第二小题,这样反而会有压力,一切顺其自然。开始阶段不忙写作,可以将一些小组讨论的要点记录下来,不要太工整,随便写一下,到第三天再开始写论文也不迟的。也不要到第三天晚上才开始。另外要说的就是体力要跟上,三天一般睡眠只有不到 10 个小时,所以没有体力是不行的,建议是赛前熬夜编程几次,既训练了自己的建模能力,也达到了训练体力的目的,赛前锻炼身体我觉得没什么用处,多熬夜就行了,但比赛前一天可不许熬。 4 重视摘要 摘要是论文的门面,摘要写的不好评委后面就不会去看了,自然只能给个成功参赛奖。摘要首先不要写废话,也不要照抄题目的一些话,直奔主题,要写明自己怎样分析问题,用什么方法解决问题,最重要的是结论是什么要说清楚,在中国的竞赛中结论如果正确一般得奖是必然的,如果不正确的话评委可能会继续往下看,也可能会扔在一边,但不写结论的话就一定不会得奖了,这一点不比美国竞赛,所以要认真写。摘要至少需要琢磨两个小时,不要轻视了它的重要性。很有必要多看看优秀论文的摘要是如何写的,并要作为赛前准备的内容之一。 5 论文写作要正规 论文一定要大致按照摘要、问题重述、模型假设、符号说明、问题分析、(建立、分析、求解模型)、模型检验、参考文献、附录等等的方式来写。一篇论文结构上如果失败的话,比赛也一定不会成功,一般初评会先淘汰一些结构失败的文章,如果论文没有好的结构,内容再好也没有用。论文前面的结构一般都不会变,后面可以按照实际情况来安排,省略的部分可以有结果说明、灵敏度分析、其他模型、模型扩展、优缺点分析等等,多看些优秀论文就知道还有哪些形式了。附录可以贴一些算法流程图或比较大的结果或图表等等。 6 分析问题要认真 一般竞赛题目自己肯定没有见过,而且我发现近些年来的赛题都不是书上哪个模型可以直接套成功的,很多根本就没有固定的模型可以参考,所以分析问题不是一个去找书本的过程,依赖书本就意味着自己的思想被束缚起来。可以完全按照自己的分析去完成,平时练习的时候学习的是一种方法,通过以前学到的方法来解决,不是套用书本来解决,没有模型套怎么办,只有靠自己去实际分析。我估计在前面说的五点也许会有三分之一的队可以做到,而且可以做的很好,但是这一点上就需要真本事了,平时多努力,比赛发挥正常,这一点做好是没有问题的。 7 编程求解是重要手段 美国竞赛时,美国学生中的论文很多是编程数据的说明,比如 99 年 A 题行星撞地球那题,他们也能够模拟出撞击后果,这对我们来说简直是不可思议的。美国学生实践能力较强,而中国学生擅长理论分析,所以我把编程放在了分析的后面是有中国特色的。数学建模竞赛特别强调计算机编程解决实际问题的能力,最近几年尤其强调,编程方面的能力不是一朝一夕可以练成的,需要长期刻苦的训练,常用的工具有 MATLAB 、 Mathematica 、 C/C++ 等等,一个人只需要会一门语言就行了,但需要精通它。比如要画柱状图该怎么做,要用 Floyd 算法怎么办,赛前不准备是没有办法在比赛中很好运用的,因此每个常用的算法都自己去编程实现一下。 8 模型的假设与模型的建立 评委看完摘要后紧接着就是看模型假设了,有一个万能的方法就是可以抄题目中可以作为假设的几句话,这样会给人留下好的印象,毕竟说明你审题了。但不能全抄,要加上自己的一些假设。一般假设用文字描述就行了,最好不要太具体了,一些重要参数不要被定死只能取某些值,否则会让人感觉论文的局限性较强。模型的建立是根据你对问题分析而来的,提出的数学符号和建立模型最好要比较接近,在同一页最好,以便评委可以对照符号来看,数学公式要严谨,推导要严密,这些都反映了参赛者的数学素质和能力,即使你推导不对,别人看到你的阵势也首先会误以为你是对的。那么多的试卷,评委不可能顺着你的公式一直推下去,但你要写得显得有数学修养才行。 9 图文表并貌可以增色 我听说一个不确切的信息是评委老师喜欢用 MATLAB 编程的论文,不知道有没有这回事,但这说明了老师需要看一个具有图或表在其中的论文,一篇如果像**书那样写的论文估计没有人会对它感兴趣的,尤其是科技论文。 MATLAB 编程之所以受到青睐是因为 MATLAB 提供的图形处理能力很强大。图表的说明性特别强,如果结论有很多数据的话,最好做成图表的形式加以说明,会令你的论文更有说服力,也更容易受到评委的好评。 10 其他 其他内容还是有很多的,说也说不完,挑几个重要的讲。比如不要上网讨论,网上的人水平参差不齐,你不知道谁是对的,而且很多人想得奖,不会告诉你正确的,反而骗你说相反的,有时真理往往掌握在少数人手里。还有就是论文写作中灵敏度分析不要写太多,大致说明一下就可以了,不要喧宾夺主。最后想到的就是要使用数学公式编辑器来写论文,不要用什么上下标来表示,论文字体用小四,分标题用四号黑体等等。
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分享 研究获得三年养鱼利润最优模型
784577252 2011-8-27 11:28
在我们日常生活中,都有这么些相关的例子。那么这里我们将基于求利润最优化的养鱼规划问题,根据鱼的存活空间有限,以及鱼本身的生长情况,可以假设鱼在长成成鱼后生长非常缓慢,近似为不生长,未成年鱼的生长模型为指数增长模型 , 得出鱼的增长函数,对于的价格进行预知,将利润的最大化问题着手于研究养鱼周期、捕鱼次数及每次捕鱼的重量,结合鱼的生长模型充分利用池塘空间,在合理假设条件下建立数学模型,并借助 MATLAB 软件编程计算,通过比较分析各模型的最优解,确定出三年获得较大利润的最优养鱼方案,为养殖户提供有用的参考。
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分享 男生追女孩数学模型
良知璞玉 2011-8-21 14:59
一、问题分析 男生追女生,对男生来说最重要的是学习、爱情两不误。因此我们引进男生的学业成绩函数 Y(t) 。 首先,我们不考虑男生的追求攻势,则影响该函数的因素主要是两个人的关系程度。为了便于分析,我们将两人的关系简化为女生对该男生的疏远度,于是引入疏远度函数 X(t) 。 问题就转化为求解 Y(t) 和 X(t) 的相互作用关系。利用微分,很容易就可以求出两者的关系。但现实中男生可能会对该女生**XX的追求攻势,因此还要考虑到追求攻势对模型的影响。而追求攻势又与女生的疏远度有关,可以简化地将两者看成是正比关系。将追求攻势加入到模型中,就可以找出攻势与 Y(t) 和 X(t) 的关系了。 二、模型假设 1 、 t 时刻 A 君的学业成绩为 Y(t) ; 2 、 t 时刻 B 女对A 君的疏远度为 X(t) ; 3 、假设追求是同一个女生,即B女是同一个人,并且她不是歌星之类的人物; 4 、当 A 君没开始追求 B 女,B 女对 A 君的疏远度增长(平时发现的 A 君的不良行为)符合 Malthus 模型,即 dX/dt=aX(t) 其中 a 为正常数。 5 、当 Y(t) 存在时,单位时间内减少 X(t) 的值与 X(t) 的值成正比,比例常数为 b ,从而 dX(t)/dt=aX(t)-bX(t)Y(t) 。 6 、 A 君发起对 B 女追求后,立即转化为 B 女对 A 君的好感,并设定转化系数为 α,而随着的 A 君发起对 B 女的追求, A 君学业的自然下降率与学业成绩成正比,比例系数为 e 。于是有 dY(t)/dt= α bX(t)Y(t)-eY(t) 。 三、模型构成 由假设 5和假设 6 ,就得到了学业与疏远度在无外界干扰的情况下互相作用的模型: {dX(t)/dt=aX-bXY ; dY(t)/dt=cXY-eY} 其中 c= α b. (1) 这是一个非线性自治系统,为了求两个数 X 与 Y 的变化规律,我们对它作定性分析。令 {aX-bXY=0 ; cXY-eY=0} 解得系统 (1) 的两个平衡位置为: O(0,0) , M (e/c,a/b) 。从 (1) 的两方程中消去 dt ,分离变量可求得首次积分: F(X,Y)=cX-dln|X|-aln|Y|=k (2) 容易求出函数 F(X,Y) 有唯一驻点为 M(e/c,a/b) 。再用极值的充分条件判断条件可以判断 M 是 F 的极小值点。同时易见,当 X →∞( B 女对 A 君恨之入骨)或 Y →∞ ( A 君是一块只会学习的木头)时均有 F →∞;而 X → 0 ( A 君作了变形手术, B 女对他毫无防备)或 Y → 0 ( A 君不学无术,丝毫不学习)时也有 F →∞。由此不难看出,在第一象限内部连续的函数 z=F(X,Y) 的图形是以 M 为最小值点,且在第一卦限向上无限延伸的曲面,因而它与 z=k(k > 0) 的交线在相平面 XOY 的投影 F(X,Y)=k (k > 0,k取无穷) 是环绕点 M 的闭曲线簇。这说明学业成绩和疏远度的指数成周期性变化。 四、 结果解释 从生态意义上看这是容易理解的,由循环效应知,当 A 君的学习成绩 Y(t) 下降时, B 女会疏远 A 君,疏远度 X(t) 上升;于是 A 君就又开始奋发图强,学习成绩 Y(t) 又上升了。于是 B 女就又和 A 君开始了来往,疏远度 X(t) 又下降了。与 B 女交往多了,当然分散了学习时间, A 君的学习成绩 Y(t) 下降了。 然而我们可证明,尽管闭轨线不同,但在其周期内的 X 和 Y 的平均数量都分别是一常数,而且恰为平衡点 M 的两个坐标。事实上,由 (1) 的第二个方程可得: dY/Ydt=cX- e, 两端在一个周期时间 T 内积分,得: ∫ (dy/Ydt)dt=c ∮ Xdt-dT (3) 注意到当 t 经过一个周期 T 时,点 (X,Y) 绕闭轨线运行一圈又回到初始点,从而:∫ (dY/Ydt)dt= ∮ dY/Y=0 。所以,由 (3) 式可得: ( ∫ Xdt)/T=e/c 。 同理,由 (1) 的第一个方程可得: ( ∫ Ydt)/T=a/b 。 模型优化 考虑到追求攻势对上述模型的影响。设追求攻势与该时刻的疏远度成正比,比例系数为 h , h 反映了追求攻势的作用力。在这种情况下,上述学业与疏远度的模型应变为: {dX/dT=aX-bXY-hX=(a-h)X-bXY ; dY/dt=cXY-eY-hY=cXY-(e+h)Y} (4) 将 (4) 式与 (1) 式比较,可见两者形式完全相同,前者仅是把 (1) 中 X 与 Y 的系数分别换成了 a-h 与 e+h 。因此,对 (4) 式有 x ' =( ∫ Xdt)/T=(e+h)/c , y ' =( ∫ Ydt)/t=(a-h)/b (5) 利用 (5) 式我们可见:攻势作用力 h 的增大使 X '增加, Y '减少。 我们的建议:考试期间,由于功课繁忙,使得追求攻势减少,即 h 减小,与平时相比,将有利于学业成绩 Y 的增长。这就是Volterra 原理。此原理对男生有着重要的指导意义:强大的爱情攻势有时不一定能达到满意的效果,反而不利与学业的成长;有时通过慢慢接触,慢慢了解,再加上适当的追求行动,女生的疏远度就会慢慢降低。学习成绩也不会降低!还有当成绩下降到一定程度时,一定要当机立断。因为你必须相信有些女孩是追不到的,不信你去追twins任何一个,你永远追不到。但是学习好与坏与你追女孩子的成功率成正比(这里是说你喜欢的那个,不喜欢的不在讨论中),所以你有理由相信你能追到你喜欢的,只要努力了。当然这是说一个女孩疏远你的时候,不好好学习,除非你做了变形手术,否则难成美事。祝君好运! 五.模型的推广及评价 由于模型的建立是为解决一种期望的结果,因此不仅是成绩对女生的疏远的关系,还可以是能力对疏远、money对疏远等都有效。广而推之,还可以是一个人想得到某种成功的期望。我们的优点是可以把模型推的更广,符合一般性,不足是一般人看不懂。
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沉默_代表我? 2011-8-15 11:07
问题 3 :能否在 的方格表 的各个空格中,分别填写 这三个数中的任一个,使得每行,每列及对角线 的各个数的和都不相同?为什么? 分析:若从考虑填法的种类入手,情况太复杂;这里我们注意到,方格表中行 , 列及对角线的总数为 个;而用 填入表格,每行 , 列及对角线都是 个数, 个数的和最小为 ,最大为 ,共有 种;利用鸽笼原理, 个“鸽”放入 个“鸽笼”,必有两个在一个“鸽笼”,也即必有两个和相同。所以题目中的要求,无法实现。 思考题:在一个边长为 的正三角形内,若要彼此间距离大于 ,最多能找到几个点? 1.2 “奇偶校验”方法 所谓 “奇偶校验”,即是如果两个数都是奇数或偶数,则称这两个数具有相同的奇偶性;若一个数是奇数,另一个数是偶数,则称具有相反的奇偶性。在组合问题中,经常使用“奇偶校验”考虑配对问题。 问题 1 (棋盘问题):假设你有一张普通的国际象棋盘,一组对角上的两个方格被切掉,这样棋盘上只剩下 个方格(如图 1 — 2 )。若你还有 块骨牌,每块骨牌的大小为 方格。试说明用互不重叠的骨牌完全覆盖住这张残缺的棋盘是不可能的。 分析:关键是对图 1 — 2 的棋盘进行黑白着色,使得相邻的两个方格有不同的颜色;用一块骨牌覆盖两个方格,必是盖住颜色不同的方格。我们计算一下黑白着色棋盘的黑格,白格个数,分别为 和 ;因此不同能用 块骨牌盖住这张残缺的棋盘。用奇偶校验法,我们可以把黑色方格看成奇数方格,白色方格看成偶数方格;因为奇偶个数不同,所以不能进行奇偶配对,故题中要求的作法是不可能实现的。 问题 2 (菱形十二面体上的 H 路径问题):沿一菱形十二面体各棱行走,要寻找一条这样的路径它通过各顶点恰好一次,该问题被称为 Hamilton 路径问题。 分析:我们注意到菱形十二面体每个顶点的度或者为 或者为 ,所谓顶点的度是指通过这一顶点的棱数,如图 1 — 3 ;且每 度顶点刚好与 个 度顶点相连,而每个 度顶点刚好与 个 度 顶点相连。因此一个 Hamilton 路径必是 度与 度顶点交错,故若存在 Hamilton 路径,则 度顶点个数,与 度顶点个数要么相等,要么相差 。用奇偶校验法 度顶点为奇数顶点, 度顶点为偶数顶点,奇偶配对,最多只能余 个;而事实上菱形十二面体中,有 度顶点 个, 度顶点 个;可得结论,菱形十二面体中不存在 Hamilton 路径 . 思考题: 1 、设一所监狱有 间囚室,其排列类似 棋盘,看守长告诉关押在一个角落里的囚犯,只要他能够不重复地通过每间囚室到达对角的囚室(所有相邻囚室间都有门相通) , 他将获释,问囚犯能否获得自由? 2 、某班有 个学生,坐成 行 列,每个坐位的前后左右的坐位叫做它的邻座,要让 个学生都换到他的邻座上去,问是否有这种调换位置的方案? 1.3 自然数的因子个数与狱吏问题 令 为自然数 的因子个数,则 有的为奇数,有的为偶数,见下表 : n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 d(n) 1 2 2 3 2 4 2 4 3 4 2 6 2 4 4 5 我们发现这样一个规律,当且仅当 为完全平方数时 , 为奇数;这是因为 的因子是成对出现的 , 也即 ; 只有 为完全平方数 , 才会出现 的情形, 才为奇数。 下面我们利用上述结论研究一个有趣的问题 . 狱吏问题:某王国对囚犯进行大赦,让一狱吏 n 次通过一排锁着的 n 间牢房,每通过一次按所定规则转动门锁 , 每转动一次 , 原来锁着的被打开 , 原来打开的被锁上;通过 n 次后,门锁开着的,牢房中的犯人放出,否则犯人不得获释。转动门锁的规则是这样的,第一次通过牢房,要转动每一把门锁,即把全部锁打开;第二次通过牢房时,从第二间开始转动,每隔一间转动一次;第 k 次通过牢房,从第 k 间开始转动,每隔 k-1 间转动一次;问通过 n 次后,那些牢房的锁仍然是打开的? 问题分析: 牢房的锁最后是打开的,则该牢房的锁要被转动奇数次;如果把 n 间牢房用 编号,则第 k 间牢房被转动的次数,取决于 k 是否为 整除,也即 k 的因子个数,利用自然数因子个数定理,我们得到结论:只有编号为完全平方数的牢房门仍是开着的。 1 . 4 相识问题 问题:在 6 人的集会上,总会有 3 人互相认识或互相不认识。 分析:设 6 人为 ; 下面分二种情形, 1. 至多只和两个人相识,不妨设 不认识 ;若 互相都认识,则结论成立,若 中有两人不认识,则加上 ,有三人互不相识 . 2 . 至少和三人相识,不妨设 认识 ;若 互不相识结论成立,若 有两人相识,加上 则有三人互相认识 。这样,我们就证明了结论成立 , 这个问题的讨论,我们也可以采用几何模似的方法,如图 1 — 4
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山石写意 2011-8-9 21:52
是一种模拟,是数学式子、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。一般并非现实问题的直接翻版,它的建立常常既需要人们对现实问题深入细微的观察和分析,又需要人们灵活巧妙地利用各种数学知识。这种应用知识从实际课题中抽象、提炼出数学模型的过程就称为数学模型一般是实际事物的一种数学简化。它常常是以某种意义上接近实际事物的抽象形式存在的,但它和真实的事物有着本质的区别。要描述一个实际现象可以有很多种方式,比如录音,录像,比喻,传言等等。为了使描述更具科学性,逻辑性,客观性和可重复性,人们采用一种普遍认为比较严格的语言来描述各种现象,这种语言就是数学。使用数学语言描述的事物就称为数学模型。有时候我们需要做一些实验,但这些实验往往用抽象出来了的数学模型作为实际物体的代替而进行相应的实验,实验本身也是实际操作的一种理论替代。
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