生物数学模型第一讲-数学模型与生物数学

1数学模型与生物数学1.1从现实对象到数学模型1.2数学建模的重要意义1.3数学建模示例：药物中毒施救1.4数学建模的基本方法和步骤1.5数学模型的特点和分类1.6生物数学模型的内涵与分支玩具、照片、飞机、火箭模型…~实物模型水箱中的舰艇、风洞中的飞机…~物理模型地图、电路图、分子结构图…~符号模型模型是为了一定目的，对客观事物的一部分进行简缩、抽象、提炼出来的原型的替代物.模型集中反映了原型中人们需要的那一部分特征.1.1从现实对象到数学模型我们常见的模型你碰到过的数学模型——“航行问题”用x表示船速，y表示水速，列出方程：75050)(75030)(yxyx答：船速为20km/h.甲乙两地相距750km，船从甲到乙顺水航行需30h，从乙到甲逆水航行需50h，问船的速度是多少?x=20y=5求解航行问题建立数学模型的基本步骤•作出简化假设（船速、水速为常数）•用符号表示有关量（x,y分别表示船速和水速）•用物理定律（匀速运动的距离等于速度乘以时间）列出数学式子（二元一次方程）•求解得到数学解答（x=20,y=5）•回答原问题（船速为20km/h）数学模型(MathematicalModel)和数学建模（MathematicalModeling)对于一个现实对象，为了一个特定目的，根据其内在规律，作出必要的简化假设，运用适当的数学工具，得到的一个数学表述.建立数学模型的全过程（包括表述、求解、解释、检验等）数学模型数学建模1.2数学建模的重要意义•电子计算机的出现及飞速发展.•数学以空前的广度和深度向一切领域渗透.数学建模作为用数学方法解决实际问题的第一步，越来越受到人们的重视.•在一般工程技术领域,数学建模仍然大有用武之地.•在高新技术领域,数学建模几乎是必不可少的工具.•数学进入一些新领域，为数学建模开辟了许多处女地.“数学是一种关键的、普遍的、可以应用的技术”.数学“由研究到工业领域的技术转化，对加强经济竞争力具有重要意义”.“计算和建模重新成为中心课题，它们是数学科学技术转化的主要途径”.数学建模的重要意义数学建模的具体应用•分析与设计•预报与决策•控制与优化•规划与管理数学建模计算机技术知识经济如虎添翼场景如何施救药物中毒两位家长带着孩子急匆匆来到医院急诊室.诉说两小时前孩子一次误吞下11片治疗哮喘病、剂量100mg/片的氨茶碱片，已出现呕吐、头晕等不良症状.按照药品使用说明书，氨茶碱的每次用量成人是100~200mg，儿童是3~5mg/kg.过量服用可使血药浓度(单位血液容积中的药量)过高，100μg/ml浓度会出现严重中毒,200μg/ml浓度可致命.医生需要判断：孩子的血药浓度会不会达到100~200μg/ml；如果会达到，应采取怎样的紧急施救方案.1.3数学建模示例调查与分析转移率正比于x排除率正比于y胃肠道血液系统口服药物体外认为血液系统内药物的分布，即血药浓度是均匀的，可以将血液系统看作一个房室，建立“一室模型”.药量x(t)药量y(t)血液系统对药物的吸收率(胃肠道到血液系统的转移率)和排除率可以由半衰期确定.半衰期可以从药品说明书上查到.通常，血液总量约为人体体重的7%~8%，体重50~60kg的成年人有4000ml左右的血液.目测这个孩子的体重约为成年人的一半，可认为其血液总量约为2000ml.调查与分析血药浓度=药量/血液总量•口服活性炭来吸附药物，可使药物的排除率增加到原来（人体自身）的2倍.临床施救的办法：•体外血液透析，药物排除率可增加到原来的6倍，但是安全性不能得到充分保证.模型假设1.胃肠道中药物向血液的转移率与x(t)成正比，比例系数λ(0)，总剂量1100mg药物在t=0瞬间进入胃肠道.2.血液系统中药物的排除率与y(t)成正比，比例系数μ(0)，t=0时血液中无药物.3.氨茶碱被吸收的半衰期为5h，排除的半衰期为6h.4.孩子的血液总量为2000ml.胃肠道中药量x(t),血液系统中药量y(t)，时间t以孩子误服药的时刻为起点（t=0）.模型建立x(t)下降速度与x(t)成正比(比例系数λ),总剂量1100mg药物在t=0瞬间进入胃肠道.转移率正比于x排除率正比于y胃肠道血液系统口服药物体外药量x(t)药量y(t)y(t)由吸收而增长的速度是λx，由排除而减少的速度与y(t)成正比(比例系数μ),t=0时血液中无药物.d,(0)0dyxyytd,(0)1100dxxxt模型求解d,(0)1100dxxxt药物吸收的半衰期为5h()1100etxt(ln2)/50.1386(1/h)51100e1100/22/)0()5(xxddyxyt1100ety0)0(y药物排除的半衰期为6h1100()(ee)ttyt只考虑血液对药物的排除2/)6(,)(ayay()()etytaddyyt(ln2)/60.1155(1/h)0.1386()1100etxt0.11550.1386()6600(ee)ttyt0510152025020040060080010001200t(h)x,y(mg)x(t)y(t)血液总量2000ml血药浓度200μg/ml结果及分析胃肠道药量血液系统药量血药浓度100μg/mly(t)=200mg严重中毒y(t)=400mg致命t=1.62t=4.87t=7.89y=442孩子到达医院前已严重中毒，如不及时施救，约3h后将致命！y(2)=236.5施救方案•口服活性炭使药物排除率μ增至原来的2倍.d,2,1100e,(2)236.5dtzxztxzt孩子到达医院(t=2)就开始施救，血液中药量记作z(t)0.13860.2310()1650e1609.5e,2ttzttλ=0.1386(不变)，μ=0.1155×2=0.2310施救方案0510152025020040060080010001200t(h)x,y,z(mg)x(t)y(t)z(t)t=5.26z=318•施救后血液中药量z(t)显著低于y(t).•z(t)最大值低于致命水平.•要使z(t)在施救后立即下降，可算出μ至少应为0.4885.若采用体外血液透析，μ可增至0.1155×6=0.693，血液中药量下降更快；临床上是否需要采取这种办法，当由医生综合考虑并征求病人家属意见后确定.数学建模的基本方法•机理分析•测试分析根据对客观事物特性的认识，找出反映内部机理的数量规律.将对象看作“黑箱”,通过对量测数据的统计分析，找出与数据拟合最好的模型.机理分析没有统一的方法，主要通过实例研究(CaseStudies)来学习.以下建模主要指机理分析.•二者结合用机理分析建立模型结构,用测试分析确定模型参数.1.4数学建模的基本方法和步骤数学建模的一般步骤模型准备模型假设模型构成模型求解模型分析模型检验模型应用模型准备了解实际背景明确建模目的搜集有关信息掌握对象特征形成一个比较清晰的“问题”模型假设针对问题特点和建模目的作出合理的、简化的假设在合理与简化之间作出折中模型构成用数学的语言、符号描述问题发挥想像力使用类比法尽量采用简单的数学工具数学建模的一般步骤模型求解各种数学方法、软件和计算机技术.如结果的误差分析、统计分析、模型对数据的稳定性分析.模型分析模型检验与实际现象、数据比较，检验模型的合理性、适用性.模型应用数学建模的一般步骤数学建模的全过程现实对象的信息数学模型现实对象的解答数学模型的解答表述求解解释验证(归纳)(演绎)表述求解解释验证根据建模目的和信息将实际问题“翻译”成数学问题.选择适当的数学方法求得数学模型的解答.将数学语言表述的解答“翻译”回实际对象.用现实对象的信息检验得到的解答.实践现实世界数学世界理论实践1.5数学模型的特点和分类模型的逼真性和可行性模型的渐进性模型的强健性模型的可转移性模型的非预制性模型的条理性模型的技艺性模型的局限性数学模型的特点数学模型的分类应用领域人口、交通、经济、生态、…数学方法初等数学、微分方程、规划、统计、…表现特性描述、优化、预报、决策、…建模目的了解程度白箱灰箱黑箱确定和随机静态和动态线性和非线性离散和连续1.6生物数学模型的内涵与分支生物数学是生物与数学之间的边缘学科。它是用数学方法研究和解决生物学问题，并对与生物有关的数学方法进行理论研究的学科。如果把生物学的分支领域看作一个集合，数学的分支领域看作另一个集合，生物数学就是这两个集合导出的乘积空间。从研究使用的数学方法划分，生物数学可分为生物统计学、生物信息论、生物系统论、生物控制论和生物方程等分支。生命现象极为复杂，从生物学中提出的数学问题往往也十分复杂，需要进行大量计算工作，建立模型是成了必需。数学模型能定量地描述生物现象，一个复杂的生物学问题借助数学模型能转变成一个数学问题，通过对数学模型的逻辑推理、求解和运算，通过获得的理论知识对生命或非生命现象进行研究。内涵伴随着生物数学的快速发展，生物数学研究的内容已经形成一个巨大的体系，总共包含了14个分支学科.这些学科是按下列两种分类方法来划分的.第一种是按所涉及的数学方法来分类，分为生物统计、生物动力系统和生物控制论、统计医药学、人口统计学等；生物动力系统又分为种群动力学，细胞动力学、人口动力学等.第二种是按研究生命科学中的分支学科的不同分类，有数学生态、数量生理、数量分类、数量遗传、传染病动力学、数量生物经济学、数理医药学、神经科学的数学模型、分子动力学、细胞动力学、人口动力学等分支学科.其中数学生态学又可分为种群生态学、统计生态学、系统生态学等分支学科.分支