引言:数学建模

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  • 数学建模经典教材:
    • [1] 姜启源, 谢金星, 叶俊. 数学模型(第6版)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2024. ISBN 978-7-04-062963-7.
    • [2] 司守奎, 孙玺菁. 数学建模算法与应用(第3版)[M]. 北京: 国防工业出版社, 2021. ISBN 978-7-118-12298-5.

什么是数学建模?

“数学建模就是建立数学模型解决实际问题”. --姜启源

把“数学模型”想象成一次“自驾游”。

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│   自驾游攻略          │  ←1. 问题的数学描述
│  (我想去哪儿、想玩什么) │ 目的地坐标 + 必玩景点经纬度
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│   汽车仪表盘          │  ←2. 变量的关系式
│  (圆形表盘+指针)     │ 油门深浅(决策变量)与车速、油耗(状态变量)之间那条看不见的“传动链”
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│   红灯+50L油桶        │  ←3. 约束条件
│  (交通灯+容量刻度)   │ 红灯停、限速 120、油箱只有 50 L
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│   手机导航界面        │  ←4. 求解算法
│  (路线+箭头+ETA)     │ 输入起点终点,它在你画出的路线网里实时运算,告诉你“第几个路口左转”才能最快到达,并在堵车时自动重算——直到把抽象路线变成脚下真正跑过的公里数。
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  起点                  终点
(现实问题)        (决策/预测结果)

于是,整个自驾游(现实问题)就被“装进”了这张会说话的路线图(数学模型): 攻略给你目标,仪表盘给你语言,交规给你边界,导航给你答案。

怎么建立数学模型?

建立数学模型的方法可以参考初高中时求解应用题的思路:

  1. 理清变量:先找出“已知什么”、“要求什么”一样。然后把里面重要的“角色”(比如速度、时间、价格、人数)都用数学符号(比如 vtpn)来代替。
  2. 列出变量的关系(数学模型):我们有了变量,需要用数学的“语法”(比如加、减、乘、除、方程、函数)把它们串成一句有逻辑的话。比如,“路程等于速度乘以时间”就翻译成了 s = v * t。这句“数学话”就是我们的数学模型,它描述了现实世界的运行规则。
  3. 解方程(算法求解):用解数学题的技巧(解方程、画图、甚至用电脑帮忙)来算出结果

如何评价一个模型的好坏?

它需要遵循以下要点,

*   形式简洁:模型不至于太冗长,大道至简
*   精度到位:求解精度符合工程实际的要求
*   理论创新:在理论层面上进行一些创新
*   排除干扰:能够排除一些无关紧要的干扰项
*   可解释性:模型的结果有良好的可解释性
*   求解方便:模型能够利用 MATLAB 等求解工具进行求解
  • 数学建模没有一个完整的通用的体系可循,但就本科阶段的教学与竞赛需求而言,建模不同于模型案例的拼盘,它是有法可循的。

  • 大学生数学建模竞赛赛题问题类型大致可以分为,

    • “以模型为核心”的优化类、过程类问题,
    • 与“以数据为核心”的统计类、分析类问题

参考资料

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