第一讲数学建模概论

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1、数学建模陕西科技大学侯再恩教授博士Email:sustsxjm@126.com密码：sxjm2010什么是数学建模什么是数学模型为什么要建立数学模型学习数学建模有什么用处如何学习数学建模数学建模课程内容与要求数学建模简介第一讲数学建模概论数学模型（MathematicalModel）是用数学符号、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。数学建模（MathematicalModeling）应用知识从实际课题中抽象、提炼出数学模型的过程。§1.1数学模型与数学建

2、模例（万有引力定律的发现）十五世纪中期，哥白尼提出了震惊世界的日心说。丹麦著名的实验天文学家第谷花了二十多年时间观察纪录下了当时已发现的五大行星的运动情况。第谷的学生和助手开普勒对这些资料进行了九年时间的分析计算后得出著名的Kepler三定律。牛顿根据开普勒三定律和牛顿第二定律，利用微积分方法推导出牛顿第三定律即万有引力定律。1.行星轨道是一个椭圆，太太阳位于此椭圆的一个焦点上。2.行星在单位时间内扫过的面积不变。3.行星运行周期的平方正比于椭圆长半轴的三次方，比例系数不随行星而改变（绝对常数）开普勒三大定律这其中必定是某一力学规律的反映，哼哼，我要找出它。。。。如图，有椭圆方程:矢径所

3、扫过的面积A的微分为:由开普勒第二定律:常数立即得出:即:椭圆面积由此得出常数简单推导如下：行星r太阳我们还需算出行星的加速度，为此需要建立两种不同的坐标架。第一个是固定的，以太阳为坐标原点，沿长轴方向的单位向量记为i,沿短轴方向的单位向量记为j，于是：进而有加速度以行星为坐标原点建立活动架标，其两个正交的单位向量分别是因此得出由于也就是说行星的加速度为由开普勒第三定律知为常数。若记那么就导出著名的万有引力定律：再将椭圆方程两边微分两次，得将前面得到的结果和焦参数代入，即得1.了解问题的实际背景，明确建模目的，收集掌握必要的数据资料。2.在明确建模目的，掌握必要资料的基础上，通过对资料的

4、分析计算，找出起主要作用的因素，经必要的精炼、简化，提出若干符合客观实际的假设。3.在所作假设的基础上，利用适当的数学工具去刻划各变量之间的关系，建立相应的数学结构——即建立数学模型。4.模型求解。5.模型的分析与检验。在难以得出解析解时，也应当借助计算机求出数值解。§1.2数学建模的一般步骤实体信息(数据)假设建模求解验证应用数学建模示例建模示例之一椅子的稳定性问题问题：将四条腿一样长的正方形椅子放在不平的地面上，是否总能设法使它的四条腿同时着地，即放稳。假设1）地面为光滑曲面；2）相对地面的弯曲程度而言，椅子的腿是足够长的；3）只要有一点着地就视为已经着地，即将与地面的接触视为几何上

5、的点接触；4）椅子的中心不动。xyAABBCCDDO2建模分析表示A,C与地面距离之和表示B,D与地面距离之和则由三点着地，有不失一般性，设初始时：假设：是的连续函数，且对任意，求证：至少存在，使得数学模型数学命题：.4模型求解证明：将椅子转动，对角线互换，由可得令由的连续性，根据介值定理，在中至少存在一点,使得,即又所以结论：能放稳。连续函数的介值定理oxyab思考题1：长方形的椅子会有同样的性质吗？思考题1：长方形的椅子会有同样的性质吗？§1.3数学模型的分类分类标准具体类别对某个实际问题了解的深入程度白箱模型、灰箱模型、黑箱模型模型中变量的特征连续型模型、离散型模型或确定性模型、随

6、机型模型等建模中所用的数学方法初等模型、微分方程模型、差分方程模型、优化模型等研究课题的实际范畴人口模型、生态系统模型、交通流模型、经济模型、基因模型等①数学建模实践的每一步中都蕴含着能力上的锻炼，在调查研究阶段，需要用到观察能力、分析能力和数据处理能力等。在提出假设时，又需要用到想象力和归纳简化能力。②在真正开始自己的研究之前，还应当尽可能先了解一下前人或别人的工作，使自己的工作成为别人研究工作的继续而不是别人工作的重复，你可以把某些已知的研究结果用作你的假设，去探索新的奥秘。因此我们还应当学会在尽可能短的时间内查到并学会我想应用的知识的本领。③还需要你多少要有点创新的能力。这种能力不

7、是生来就有的，建模实践就为你提供了一个培养创新能力的机会。§1.4数学建模与能力的培养开设数学建模课的主要目的为了提高学生的综合素质，增强应用数学知识解决实际问题的本领。仅2009、2010两年里，我校学生在参加了半年左右的学习和实践后，就在全国数学建模竞赛中交出了比较出色的竞赛论文，取得得了全国一等奖3项、二等奖3项的好成绩（1999年到、2010年我校获全国一等奖3项、二等奖6项、陕西赛区一、二、三等奖共计40余项）。例1某人平