姜启源等编《数学模型》第四版-课件第1章

数学模型第四版第一章建立数学模型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数学建模能力的培养玩具、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1.3数学建模示例1.3.1椅子能在不平的地面上放稳吗问题分析模型假设通常~三只脚着地放稳~四只脚着地•四条腿一样长，椅脚与地面点接触，四脚连线呈正方形.•地面高度连续变化，可视为数学上的连续曲面.•地面相对平坦，使椅子在任意位置至少三只脚同时着地.模型构成用数学语言把椅子位置和四只脚着地的关系表示出来.•椅子位置利用正方形(椅脚连线)的对称性.xBADCOD´C´B´A´用(对角线与x轴的夹角)表示椅子位置.•四只脚着地距离是的函数.四个距离(四只脚)A,C两脚与地面距离之和~f()B,D两脚与地面距离之和~g()两个距离椅脚与地面距离为零正方形ABCD绕O点旋转正方形对称性用数学语言把椅子位置和四只脚着地的关系表示出来.f(),g()是连续函数对任意,f(),g()至少一个为0数学问题已知：f(),g()是连续函数;对任意，f()•g()=0;且g(0)=0，f(0)0.证明：存在0，使f(0)=g(0)=0.模型构成地面为连续曲面椅子在任意位置至少三只脚着地模型求解给出一种简单、粗糙的证明方法3）由f,g的连续性知h为连续函数,据连续函数的基本性质,必存在0(00/2),使h(0)=0,即f(0)=g(0).1）将椅子旋转90°，对角线AC和BD互换.由g(0)=0，f(0)0，知f(/2)=0,g(/2)0.2）令h()=f()–g(),则h(0)0和h(/2)0.4）因为f()•g()=0,所以f(0)=g(0)=0.评注和思考建模的关键：假设条件中哪些是本质的,哪些是非本质的?考察四脚连线呈长方形的椅子(习题4).用表示椅子的位置椅子的旋转轴在哪里，它在旋转过程中怎样变化？用f(),g()表示椅脚与地面的距离证明过程的粗糙之处：1.3.2商人们怎样安全过河问题(智力游戏)3名商人3名随从随从们密约,在河的任一岸,一旦随从的人数比商人多,就杀人越货.乘船渡河的方案由商人决定.商人们怎样才能安全过河?问题分析多步决策过程决策~每一步(此岸到彼岸或彼岸到此岸)船上的人员.要求~在安全的前提下(两岸的随从数不比商人多),经有限步使全体人员过河.河小船(至多2人)模型构成xk~第k次渡河前此岸的商人数yk~第k次渡河前此岸的随从数xk,yk=0,1,2,3;k=1,2,…sk=(xk,yk)~过程的状态S={(x,y)x=0,y=0,1,2,3;x=3,y=0,1,2,3;x=y=1,2}S~允许状态集合uk~第k次渡船上的商人数vk~第k次渡船上的随从数dk=(uk,vk)~过程的决策D~允许决策集合uk,vk=0,1,2;k=1,2,…sk+1=skdk+(-1)k~状态转移律D={(u,v)u+v=1,2,u,v=0,1,2}状态因决策而改变模型求解xy3322110•穷举法~编程上机•图解法状态s=(x,y)~16个格点~10个点允许决策~移动1或2格;k奇,左下移;k偶,右上移.s1sn+1d1,,d11给出安全渡河方案d1d11允许状态S={(x,y)x=0,y=0,1,2,3;x=3,y=0,1,2,3;x=y=1,2}求dkD(k=1,2,,n),使skS,并按转移律sk+1=sk+(-1)kdk由s1=(3,3)到达sn+1=(0,0).模型构成商人和随从人数增加或小船容量加大;商人们怎样安全过河智力游戏多步决策过程(数学模型)易于推广:规格化方法考虑4名商人各带一随从的情况.多步决策模型:恰当地设置状态和决策,确定状态转移律及目标(目标函数).便于求解(计算机编程等).场景1.3.3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.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数学建模能力的培养数学建模与其说是一门技术，不如说是一门艺术技术大致