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數(shù)學(xué)建模中的過程與步驟探析

基礎(chǔ)部 劉小剛

  數(shù)學(xué)模型就是針對(duì)一些實(shí)際問題,對(duì)其特征和數(shù)量關(guān)系以數(shù)學(xué)關(guān)系式的形式表達(dá)出來,這種表達(dá)不一定非常精確,有可能只是近似的,系統(tǒng)的。我們建立數(shù)學(xué)模型時(shí),要根據(jù)不同的問題提出不同的假設(shè),得出不同的數(shù)學(xué)模型。因此,建立數(shù)學(xué)模型不僅僅需要數(shù)學(xué)計(jì)算能力,更要有豐富的想象力和縝密的邏輯思維能力。數(shù)學(xué)建模注重的是建模的方法和過程,一般的建模方法和步驟如下:

  1.模型準(zhǔn)備

  如果想要對(duì)某個(gè)實(shí)際問題進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,通常要先了解該問題的實(shí)際背景和建模目的,弄清楚我們要研究的對(duì)象的大概特征,然后通過互聯(lián)網(wǎng)或圖書館查找,搜集與建模要求相關(guān)的資料和信息,對(duì)該問題進(jìn)行全面的,深入細(xì)致的調(diào)查和研究.

  2.模型假設(shè)

  我們所要研究的實(shí)際問題會(huì)涉及很多相關(guān)的因素,要準(zhǔn)確建立模型,我們需要抓住主要的因素,忽略掉一些次要的因素,將問題給予一定程度的簡化。簡化問題時(shí)需要注意不能過于簡化,導(dǎo)致研究問題不能得到相應(yīng)的結(jié)果,也不能簡化的不到位,假設(shè)的條件過于復(fù)雜導(dǎo)致模型太復(fù)雜或者建模失敗。所以,模型假設(shè)是非常重要的一步,需要反復(fù)的對(duì)自己想研究的問題作出合理的分析。模型假設(shè)可以不用一步到位,隨著建模過程中對(duì)問題的更深入的了解,我們可以對(duì)模型假設(shè)進(jìn)行不斷的修改達(dá)到完善。

  3.模型構(gòu)成

  有了模型假設(shè),我們就可以選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)語言和符號(hào)來描述研究對(duì)象的規(guī)律和特征。我們這里研究的是利用微分方程來建立數(shù)學(xué)模型。將已知的或者假設(shè)的常量、自變量、未知函數(shù)、函數(shù)的導(dǎo)數(shù)等組成關(guān)系式,得到微分方程的數(shù)學(xué)模型。建立模型時(shí),我們要注意不能只針對(duì)單個(gè)的問題做分析,要系統(tǒng)的全面的了解問題,抓住問題的本質(zhì)。不僅如此,建模時(shí)更要注意要盡量采用比較簡單的數(shù)學(xué)工具來完成表達(dá)式。不僅要做到準(zhǔn)確的表達(dá),更要做到簡單明了能使大部分人看懂并應(yīng)用。

  4.模型求解

  在已經(jīng)建立起來的數(shù)學(xué)模型中可采用解方程、推理、圖解、定理證明等各種傳統(tǒng)和現(xiàn)代的數(shù)學(xué)方法進(jìn)行求解,其中有些工作可以用計(jì)算機(jī)軟件來完成。目前市場上流行的數(shù)學(xué)工具軟件比較多,如Mathlab,Mathematic等。

  5.模型分析

  對(duì)求解的結(jié)果進(jìn)行分析,比如說誤差分析,靈敏度分析等。

  6.模型檢驗(yàn)

  在求解和分析后,我們需要將所求的解帶入到我們所研究的實(shí)際問題中去,與實(shí)際問題所發(fā)生的那些現(xiàn)象、數(shù)據(jù)做一些比較,來驗(yàn)證建立的數(shù)學(xué)模型符合不符合。如果結(jié)果與實(shí)際問題相差較大,這時(shí),我們就需要對(duì)模型進(jìn)行重新梳理,對(duì)問題進(jìn)行進(jìn)一步的分析理解,適當(dāng)?shù)男薷膯栴}的假設(shè),然后根據(jù)修改后的假設(shè)重新建立模型,完成以上步驟,直到模型與實(shí)際情況相差不大或者得到所需要的結(jié)果。進(jìn)行這一步時(shí),我們需要足夠的耐心,反復(fù)修改,不能過于急躁或者偷工減料。

  7.模型應(yīng)用

  利用建模中獲得的正確模型對(duì)研究的實(shí)際問題給出預(yù)報(bào)或?qū)︻愃茖?shí)際問題進(jìn)行分析、解釋和預(yù)報(bào)供決策者參考,這一過程稱為模型應(yīng)用。一般來說,建模是預(yù)測的基礎(chǔ),而預(yù)測又是決策與控制的前提。

  建立數(shù)學(xué)模型的步驟可以用下面的圖來表示:

  當(dāng)然,在大多數(shù)情況下并不是所有的數(shù)學(xué)模型都需要以上那些步驟,從實(shí)際問題出發(fā),要靈活的運(yùn)用這些模式,建立一個(gè)完整的優(yōu)秀的數(shù)學(xué)模型。

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