內容簡介
本書共分為12章,既詳盡介紹瞭規劃論模型、微分方程模型、差分方程模型、組閤優化與隨機性模型、圖論模型、迴歸分析與時間序列方法、模糊數學建模方法、插值與擬閤建模、決策分析方法、現代優化算法等與數學建模相關的理論知識,又結閤典型實例全麵闡述瞭數學建模解決實際問題的基本過程,突齣瞭數學建模軟件的應用。
本書可作為專科生、本科生、研究生的數學建模課程教材,特彆適於數學建模競賽培訓使用,也可供從事應用研究的工程技術人員參考。
作者簡介
瀋世雲,男,重慶郵電大學副教授。多年來一直從事《高等數學》(上、下)、《工科數學分析》(上、下)、《數學建模》、《數學建模與仿真》、《綫性代數》、《模糊數學》、《概率論與數理統計》、《復變函數》、《數學方法》、《運籌與優化》等課程的教學工作。主持校級教改項目“數學建模教學與競賽的實踐與探索”(XJG0503),已結題。
內頁插圖
目錄
第1章數學建模概論
1.1數學模型與數學建模
1.1.1原型與模型
1.1.2數學模型
1.1.3數學建模
1.2椅子能在不平的地麵上放穩嗎?
1.3生産組織問題
1.4物體冷卻問題
1.5捕魚成本模型
習題1
第2章MATLAB及其應用
2.1MATLAB基礎知識簡介
2.1.1MATLAB係統界麵與係統命令
2.1.2基本運算與函數
2.1.3矩陣及其運算
2.2MATLAB作圖
2.2.1MATLAB二維繪圖
2.2.2MATLAB三維繪圖
2.3MATLAB程序設計
2.3.1M文件
2.3.2MATLAB關係運算與邏輯運算
2.3.3MATLAB控製流
2.3.4MATLAB的輸入語句與輸齣語句
習題2
第3章規劃論模型
3.1綫性規劃
3.1.1綫性規劃的概念及標準形
3.1.2綫性規劃的圖解法
3.1.3綫性規劃問題的標準化
3.1.4綫性規劃的若乾概念
3.1.5單純形法
3.1.6用MATLAB優化工具箱解綫性規劃
3.1.7綫性規劃案例——投資的收益和風險(1998年全國大學生數學
建模競賽試題)
3.2整數規劃
3.2.1問題的提齣
3.2.2整數規劃的求解方法
3.2.30��1型整數規劃
3.2.4整數規劃的MATLAB解法
3.3非綫性規劃
3.3.1非綫性規劃的實例及數學模型
3.3.2無約束非綫性規劃問題
3.3.3約束極值問題
3.3.4非綫性規劃建模案例——飛行管理問題
3.3.5非綫性規劃的MATLAB求解
3.4動態規劃
3.4.1引例
3.4.2數學描述
3.4.3基本方程
3.4.4最優化原理
3.4.5動態規劃應用
習題3
第4章微分方程模型
4.1微分方程模型引例
4.2放射性廢物處理模型
4.3傳染病模型
4.4捕魚業的持續收獲模型
4.4.1産量模型
4.4.2效益模型
4.4.3捕撈過度模型
4.5戰爭模型
4.5.1問題的提齣
4.5.2正規戰模型
4.5.3混閤戰模型
4.5.4遊擊戰模型
4.5.5硫磺島戰役
4.6微分方程的數值解
4.6.1歐拉方法
4.6.2梯形方法
4.6.3龍格�部饉�方法
4.7用MATLAB求解微分方程
4.7.1微分方程的解析解
4.7.2用MATLAB求常微分方程的數值解
習題4
第5章差分方程模型
5.1差分方程及其解的性質
5.1.1差分方程及其解
5.1.2綫性差分方程解的基本定理
5.1.3一階常係數綫性差分方程的解
5.1.4二階常係數綫性差分方程的解
5.2金融問題中的差分方程模型
5.2.1貸款模型
5.2.2養老保險模型
5.3市場經濟中的蛛網模型
5.3.1問題提齣
5.3.2模型假設
5.3.3模型求解
5.3.4模型的修正
5.3.5商品銷售量預測
5.4簡單的種群增長模型
5.4.1問題提齣
5.4.2模型假設
5.4.3模型建立
5.4.4種群數量xn,yn的求解
習題5
第6章組閤優化與隨機性模型
6.1組閤優化模型
6.1.1一般組閤優化問題及算法
6.1.2組閤優化問題的貪婪法
6.1.3旅行商問題的分支定界法
6.2裝箱問題
6.3截斷切割加工問題
6.4隨機性模型
6.4.1報童問題
6.4.2軋鋼中的浪費問題
習題6
第7章圖論模型
7.1圖的基本概念
7.1.1圖的定義
7.1.2圖的節點與邊之間的關係及圖的分類
7.1.3節點的度數
7.1.4路與圖的連通性
7.1.5圖的矩陣錶示
7.2最小生成樹與最短路問題
7.2.1樹的概念及性質
7.2.2最小生成樹及其算法
7.2.3最短路問題
7.3歐拉圖與中國郵遞員問題
7.3.1歐拉圖
7.3.2中國郵遞員問題
7.4哈密頓圖與推銷員問題
7.4.1哈密頓圖
7.4.2推銷員問題
7.4.3災情巡視路綫問題
習題7
第8章迴歸分析與時間序列方法
8.1迴歸分析概述
8.2一元綫性迴歸
8.2.1一元綫性迴歸方程的建立
8.2.2一元綫性迴歸方程的檢驗
8.3多元綫性迴歸
8.3.1多元綫性迴歸方程的建立
8.3.2多元迴歸方程的假設檢驗
8.4逐步迴歸分析
8.4.1逐步迴歸原理
8.4.2逐步迴歸分析步驟
8.4.3逐步迴歸方程的假設檢驗
8.5非綫性迴歸分析
8.5.1非綫性關係的類型與特點
8.5.2非綫性迴歸方程的配置
8.6時間序列預測方法
8.6.1時間序列法
8.6.2移動平均法
8.6.3指數平滑法
8.6.4季節指數法
習題8
第9章模糊數學建模方法
9.1模糊數學引言
9.2模糊數學的基本概念
9.2.1模糊集、隸屬函數及模糊集的運算
9.2.2模糊集的基本定理
9.3模糊模式識彆
9.3.1模糊模式識彆的一般步驟
9.3.2最大隸屬度原則
9.3.3擇近原則
9.4模糊關係與模糊聚類分析
9.4.1模糊關係、模糊矩陣及其閤成
9.4.2模糊聚類方法
9.4.3模糊聚類實例分析
9.5模糊綜閤評價
9.5.1模糊綜閤評價法
9.5.2單因素模糊綜閤評價的步驟
9.5.3多級模糊綜閤評判
9.5.4模糊綜閤評判應用舉例
習題9
第10章插值與擬閤建模
10.1插值方法建模
10.1.1插值問題
10.1.2插值多項式的存在性和唯一性
10.1.3Lagrange插值公式
10.1.4Newton插值公式
10.1.5三次樣條插值函數
10.1.6利用MATLAB插值
10.2最小二乘法擬閤
10.2.1最小二乘法
10.2.2內積錶示
10.2.3利用MATLAB進行麯綫擬閤
10.3最佳平方逼近
習題10
第11章決策分析方法
11.1決策的概念
11.1.1實例
11.1.2決策的基本概念
11.1.3決策的數學模型
11.1.4決策的步驟與分類
11.2風險型決策
11.2.1風險型決策的基本條件
11.2.2最大可能準則
11.2.3期望值準則
11.2.4決策樹法
11.3不確定型決策
11.4層次分析法
11.4.1層次分析法的基本原理與步驟
11.4.2層次分析法的應用
習題11
第12章現代優化算法
12.1引言
12.2遺傳算法
12.2.1遺傳算法概述
12.2.2標準遺傳算法
12.2.3遺傳算法的應用
12.3模擬退火算法
12.3.1算法概述
12.3.2用模擬退火算法求解TSP問題
12.4人工神經網絡
12.4.1神經網絡概述
12.4.2神經網絡的基本模型
習題12
參考文獻
前言/序言
數學模型是聯係實際問題與數學的橋梁,是各種應用問題嚴密化、精確化、科學化的途徑,是發現問題、解決問題和探索新真理的工具。經典力學中的牛頓定律,電磁學中的麥剋斯韋方程組,化學中的門捷列夫周期錶,生物學中的孟德爾遺傳定律等都是經典學科中應用數學模型的範例。目前隨著計算機的迅猛發展,數學模型在生態、地質、航空、經濟管理、社會管理等方麵有瞭更加廣泛和深入的應用。
從1994年開始,我國開始瞭一年一度的全國大學生數學建模競賽。隨著這項以“創新意識,團隊精神,重在參與,公平競爭”為宗旨的大學生課外科技活動的蓬勃開展,全國每年數以萬計的大學生積極參與這項競賽活動。這項賽事不僅極大地激勵大學生學習數學的積極性,培養其創造精神及閤作意識,提高學生建立數學模型和運用計算機技術解決實際問題的綜閤能力,而且也大大推動大學數學教學體係、教學內容和方法的改革。
目前數學建模教學和數學建模競賽已成為各個理工科院校的數學教學和學生科技活動一個極其重要的平颱。由於數學建模是以解決實際問題和培養學生應用數學的能力為目的,因此它的教學內容和方式是多種多樣的。從教材內容來看,有的強調數學方法,有的強調實際問題,有的強調分析解決問題的過程; 從教學方式來看,有的以講為主,有的以練為主,有的在數學實驗室中讓學生探索,有的帶領學生到企事業中去閤作解決真正的實際問題。因而數學建模理論和方法的傳授已成為培養現代化高科技人纔的重要手段。
為瞭進一步搞好數學建模教學,推動數學建模競賽活動的開展,讓大學生比較係統地學習數學建模的理論知識和方法,我們根據長期從事數學建模課程教學的經驗,結閤指導學生參加數學建模競賽工作中遇到的問題,組織編寫瞭這部教材。本書係統介紹瞭數學建模理論知識和方法,結閤典型實例全麵闡述瞭數學建模解決實際問題的基本過程,突齣瞭數學建模軟件的應用和現代優化算法的介紹,體現瞭理論知識、數學實際模型與數學軟件及算法的有機融閤。書中附有大量習題,這些習題很多都是開放性的題目,並沒有標準答案,但一般可根據所在章中的方法得到問題的解。教師應該引導學生進一步思考討論,在更閤理的範圍內找到問題的解決方案。本書方法講解按照由淺入深、由簡到繁的原則,適閤大學本科低年級在數學建模課程中使用。書中各章自成體係,可以根據實際情況有選擇地講解有關建模理論知識,相關理論及方法適閤各年級大學生在數學建模實踐中使用。本書還可供有關教師作為教學參考書。
由於時間倉促,書中難免有部分紕漏,懇請讀者指正。
編者
2016年11月
《現代數學方法論:探索科學與工程的建模視角》 引言 人類對世界的認知,從宏觀的宇宙運行到微觀的粒子交互,無不蘊含著精妙的數學規律。科學與工程的進步,很大程度上依賴於我們能否有效地捕捉、理解並利用這些規律。數學,作為一種普適的語言和強大的思維工具,為我們提供瞭洞察事物本質、預測未來趨勢、並最終解決復雜問題的關鍵。本書《現代數學方法論:探索科學與工程的建模視角》旨在係統性地梳理和闡述在科學研究和工程實踐中至關重要的數學建模理論與方法。它不是對某一部具體書籍內容的復述,而是對這一領域核心思想、關鍵技術和應用範疇的深入探討,旨在為讀者構建一個完整、清晰且富有啓發性的數學建模知識框架。 第一部分:建模的基石——理論基礎與思維導圖 理解數學建模,首先需要把握其底層邏輯和方法論。本部分將從哲學層麵和理論層麵,深入剖析數學建模的核心概念。 1. 建模的哲學思想: 抽象與簡化: 任何現實問題都極其復雜,數學建模的第一步是抓住其本質特徵,剝離非關鍵因素,將其抽象為具有數學意義的符號和關係。這種抽象能力是建模者最重要的素質之一。我們會探討不同領域的抽象策略,例如物理學中的理想化模型(如質點、剛體),經濟學中的理性人假設等。 理想化與逼近: 現實世界並非完美,數學模型往往是對現實的理想化描述。模型的結果是對真實情況的一種逼近。理解理想化模型(如連續模型、離散模型)的適用範圍和局限性至關重要。我們會分析如何通過改進模型、調整參數來提高逼近的精度。 數學的普適性與局限性: 探討數學在描述自然和社會現象中的強大威力,同時也正視其在處理非量化、模糊性、主觀性等問題上的局限。理解何時數學是有效的,以及如何與其他學科方法相結閤,是高級建模的關鍵。 2. 建模的邏輯框架: 問題識彆與定義: 如何從紛繁復雜的信息中識彆齣可建模的問題?如何準確地界定問題的邊界、輸入、輸齣和目標?我們將提供一套係統性的問題分析方法,幫助讀者明確建模的齣發點。 模型構建: 這是建模的核心步驟。我們將詳細介紹不同類型的模型構建策略,包括: 描述性模型: 旨在客觀地描述現象,如統計模型、分類模型。 預測性模型: 旨在根據曆史數據預測未來趨勢,如時間序列模型、迴歸模型。 規範性模型: 旨在指導決策,找到最優解,如優化模型、仿真模型。 探索性模型: 旨在理解係統內部機製,如係統動力學模型、 agent-based 模型。 模型求解與分析: 構建模型後,需要利用數學工具對其進行求解和分析。這可能涉及到解析解、數值解、近似解等。我們將介紹不同求解方法的適用場景和優缺點。 模型驗證與評估: 如何判斷一個模型的好壞?我們將討論模型驗證的各種方法,包括與實際數據的對比、敏感性分析、穩定性分析等,以及模型評估的常用指標。 模型修正與優化: 現實世界不斷變化,模型也需要不斷地更新和優化。我們將探討如何根據新的信息和反饋來改進現有模型。 3. 建模者的思維導圖: 跨學科思維: 成功的建模往往需要融匯不同學科的知識。本節將強調跨學科思維的重要性,以及如何整閤來自數學、物理、計算機科學、經濟學、生物學等不同領域的概念和工具。 係統性思維: 將問題置於更廣闊的係統中進行考察,理解各組成部分之間的相互作用和影響。 創造性思維: 數學建模並非簡單的公式套用,它需要建模者具備創新意識,能夠設計齣巧妙的模型來解決前所未有的問題。 第二部分:核心建模方法與技術詳解 本部分將聚焦於數學建模中最常用、最有效的一係列方法和技術,並結閤實際案例進行解析。 1. 代數與方程模型: 綫性方程組: 求解綫性方程組在科學與工程中無處不在,從電路分析到結構力學,再到數據擬閤。我們將介紹高斯消元法、 LU 分解、迭代法等經典求解算法。 非綫性方程與方程組: 許多實際問題是非綫性的,如人口增長模型、化學反應動力學。我們將探討牛頓法、不動點迭代等求解方法,以及解析求解的技巧。 矩陣與嚮量: 矩陣和嚮量是描述多變量係統的重要工具。我們將講解矩陣運算、特徵值分解、奇異值分解等在數據分析、降維、圖像處理等領域的應用。 2. 微積分與微分方程模型: 微分: 描述變化率,在物理、工程、經濟等領域用於分析動態過程。我們將介紹導數、梯度等概念的應用,如牛頓運動定律、經濟學中的邊際分析。 積分: 纍積效應,用於計算麵積、體積、功等。我們將介紹不定積分、定積分以及它們在纍積效應分析中的應用,如麯綫下麵積、概率分布。 常微分方程(ODE): 描述變量隨一個自變量(通常是時間)的變化率。我們將深入探討一階和高階 ODE 的解析解法(如分離變量法、綫性 ODE 通解)和數值解法(如歐拉法、龍格-庫塔法)。實際應用包括種群動態、熱傳導、電路仿真等。 偏微分方程(PDE): 描述變量隨多個自變量的變化率。PDE 在描述連續介質的運動、電磁場、量子力學等領域至關重要。我們將介紹幾種重要的 PDE(如熱方程、波動方程、拉普拉斯方程)的物理意義,以及有限差分法、有限元法等數值求解技術。 3. 概率論與統計模型: 概率分布: 描述隨機現象的可能性。我們將介紹常見的概率分布(如正態分布、泊鬆分布、指數分布)及其在風險評估、可靠性分析、機器學習中的作用。 隨機過程: 描述隨時間演變的隨機現象。我們將介紹馬爾可夫鏈、泊鬆過程等,並探討它們在排隊論、金融建模、信號處理中的應用。 統計推斷: 從樣本數據推斷總體特徵。我們將講解參數估計、假設檢驗、置信區間等統計方法,以及它們在實驗數據分析、質量控製中的應用。 迴歸分析: 建立變量之間的數量關係。我們將深入講解綫性迴歸、多元迴歸、非綫性迴歸,以及它們在預測、解釋和控製中的應用。 時間序列分析: 分析具有時間順序的數據。我們將介紹 ARIMA 模型、指數平滑法等,並應用於經濟預測、天氣預報、股票價格分析等。 4. 優化模型與算法: 綫性規劃: 在綫性約束條件下最大化或最小化綫性目標函數。我們將介紹單純形法等經典算法,以及在資源分配、生産計劃、運輸問題中的應用。 非綫性規劃: 在非綫性約束條件下優化非綫性目標函數。我們將介紹梯度下降法、牛頓法等,以及在工程設計、投資組閤優化中的應用。 組閤優化: 在離散的解空間中尋找最優解。我們將介紹圖論中的最短路徑問題、旅行商問題,以及動態規劃、分支定界等算法。 整數規劃: 目標函數或約束條件中包含整數變量的優化問題。我們將介紹割平麵法、匈牙利算法等。 5. 離散數學與圖論模型: 圖論: 用圖(節點和邊)來錶示對象及其關係。我們將講解圖的錶示方法、搜索算法(如 BFS、DFS)、最短路徑算法(如 Dijkstra、Floyd-Warshall)、最小生成樹算法(如 Prim、Kruskal),以及在網絡分析、社交網絡、交通係統中的應用。 組閤學: 研究計數、排列、組閤等問題。我們將介紹排列組閤的原理,以及在概率計算、編碼理論、算法設計中的應用。 離散事件仿真: 模擬係統隨離散事件的發生而演變的過程。我們將介紹仿真模型的設計、離散事件調度、仿真輸齣分析等,以及在生産綫優化、物流管理、計算機網絡中的應用。 第三部分:建模的實踐應用與前沿探索 數學建模的應用領域極其廣泛,本部分將通過具體的案例,展示不同建模方法在實際問題中的落地,並展望未來發展趨勢。 1. 科學研究中的建模: 物理學: 從牛頓力學到量子力學,從宇宙學到粒子物理,數學模型是理解自然界基本規律的基石。 化學: 化學反應動力學、分子模擬、材料設計都離不開數學模型。 生物學: 種群動力學、基因調控網絡、疾病傳播模型、腦科學研究等。 地球科學: 氣候建模、地震預測、地質勘探等。 2. 工程技術中的建模: 機械工程: 結構強度分析、流體力學仿真、控製係統設計。 電氣工程: 電路仿真、信號處理、電力係統分析。 計算機科學: 算法復雜度分析、網絡流、機器學習模型。 土木工程: 橋梁結構穩定性、交通流優化。 航空航天: 飛行器設計、軌道力學計算。 3. 經濟與金融領域的建模: 宏觀經濟模型: 描述國民經濟運行規律,如 IS-LM 模型、增長模型。 微觀經濟模型: 分析市場行為、消費者選擇,如供需模型、博弈論模型。 金融建模: 股票價格預測、期權定價、風險管理、投資組閤優化。 4. 社會科學與管理領域的建模: 社會動力學: 傳染病傳播模型、輿論傳播模型。 城市規劃: 交通流模擬、資源分配。 決策科學: 運籌學在企業管理中的應用。 5. 人工智能與大數據時代的建模: 機器學習模型: 深度學習、支持嚮量機、決策樹等背後的數學原理。 大數據分析: 如何利用統計模型和優化算法從海量數據中提取有價值的信息。 數據驅動建模: 更加依賴數據而非先驗知識來構建模型。 6. 建模的倫理與挑戰: 模型偏差與公平性: 探討模型可能存在的偏見,以及如何確保模型的公平和公正。 模型的可解釋性: 尤其是在人工智能領域,理解模型決策過程的重要性。 模型的魯棒性與安全性: 確保模型在各種情況下都能穩定運行,並抵抗惡意攻擊。 計算能力的極限與並行計算: 隨著模型復雜度的增加,對計算資源的需求也隨之增長。 結語 數學建模是一門集理論、方法、實踐於一體的綜閤性學科。它不僅是解決實際問題的強大工具,更是培養嚴謹邏輯思維、創新能力和係統性視野的有效途徑。《現代數學方法論:探索科學與工程的建模視角》希望通過對建模理論和方法的深入剖析,以及對廣泛應用領域的探討,激發讀者對數學建模的興趣,提升其解決復雜問題的能力,並為他們在各自的學術和職業生涯中開闢新的可能性。掌握數學建模,就是在掌握一種認識世界、改造世界的重要力量。