姜启源杭州087.ppt

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1、清华大学 姜启源 数学建模 在数学教学改革中的 意义和作用 现实生活中的数学 -数学建模简介 数学建模+计算机技术如虎添翼 -数学建模在社会发展中的重要性 一次参赛 终生受益 -全国大学生数学建模竞赛简介 数学建模在数学教学改革中的意义和 作用 现实生活中的数学 -数学建模简介 通常，1公斤面， 1公斤馅，包100个汤圆（饺子） 今天，1公斤面不变，馅比 1公斤多了，问应多包几个 （小一些），还是少包几个（大一些）？ 问题 圆面积为S的一个皮，包成体积为V的汤圆, 若分成n个皮，每个圆面积为s，包成体积为v V和 nv 哪个大? 引子 从包汤圆（饺子）说起 S sss V vvv (共n个)

2、 定性分析 V比 nv大多少? 定量分析 从包汤圆（饺子）说起 假设 1. 皮的厚度一样2. 汤圆(饺子) 的形状一样 模型 应用 若100个汤圆（饺子）包1公斤馅, 则50个汤圆(饺子) 可以包 公斤馅 R 大皮 半径 V是 nv是 倍 1.4 r 小皮半径 两个 k1（和k2）一样 (1),(2),(3) 数学模型 (Mathematical Model) 和 数学建模（Mathematical Modeling) 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，得到的一个数学结构。 建立数学模型的全过程 （包括表述、求解、解释、检验等） 数

3、学模型 数学 建模 问 题 经试验，一盘录象带从头走到尾， 时间用了183分30秒，计数器读数 从0000变到6152。 在一次使用中录象带已经转过大半，计数器读数为 4580，问剩下的一段还能否录下1小时的节目？ 要求不仅回答问题，而且建立计数器读数与 录象带转过时间的关系。 思考 计数器读数是均匀增长的吗？ 示例 录象机计数器的用途 观察 计数器读数增长越来越慢！ 录象机计数器的工作原理 主动轮 压轮 0000 左轮盘 右轮盘 磁头 计数器 录象带 录象带运动方向 问题分析 主动轮匀速转动 右轮盘 半径增大 计数器读数增长变慢 录像带速度是常数 右轮转速越来越慢 模型假设 录象带的运动速度

4、是常数 v ； 计数器读数 n与右轮转数 m成正比，记 m=kn； 录象带厚度（加两圈间空隙）为常数 w； 空右轮盘半径记作 r ； 时间 t=0 时读数 n=0 . 建模目的 建立时间t与读数n之间的关系 （设v,k,w ,r为已知参数） 模型建立 建立t与n的函数关系有多种方法 1. 右轮盘转第 i 圈的半径为r+wi, m圈的总长度 等于录象带在时间t内移动的长度vt, 所以 2. 考察右轮盘面积的 变化，等于录象带厚度 乘以转过的长度，即 3. 考察t到t+dt录象带在 右轮盘缠绕的长度，有 模型建立 思考1. 3种建模方法得到同一结果 但仔细推算会发现稍有差别，请解释。 2.模型中有

5、待定参数 一种确定参数的办法是测量或调查，请设计测量方法 参数 估计 另一种确定参数的方法测试分析 将模型改记作只需估计 a,b 理论上，已知t=183.5, n=6152, 再有一组(t, n)数据即可 实际上，由于测试有误差，最好用足够多的数据作拟合 现有一批测试数据： t 0 20 40 60 80 n 0000 1153 2045 2800 3466 t 100 120 140 160 183.5 n 4068 4621 5135 5619 6152 用最小二乘法可得 模 型 检 验 应该另外测试一批数据检验模型： 模 型 应 用 回答提出的问题：由模型算得 n = 4580 时 t

6、= 118.5分， 剩下的录象带能录 183.5-118.5 = 65分钟的节目。 揭示了“t 与 n 之间呈二次函数关系”这一普遍规律， 当录象带的状态改变时，只需重新估计 a,b 即可。 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 将研究对象看作“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 (Case Studies)来学习。建模主要指机理分析 二者结合 机理分析建立模型结构,测试分析确定模型参数 数学建模的基本方法 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

7、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 怎 样 学 习 数 学 建 模 数学建模与其说是一门技术，不如说是一门艺术 技术大致有章可循艺术无法归纳成普遍适用的准则 想象力洞察力 判断力 学习、分析、评价、改进别人作过的模型 亲自动手，认真作几个实际题目 创新意识 数学建模+计算机技术 如虎添翼 -数学建模在社会发展 中的重要性 数 学 建 模 的 重 要 意 义 数

8、学建模和数学有着同样悠久的历史 两千多年以前创立的欧几里德几何，十七 世纪发现的牛顿万有引力定律，都是科学发 展史上数学建模的成功范例 近几十年来数学建模的重要性越来越突出 数 学 建 模 的 重 要 意 义 数学建模计算机技术 如虎添翼 知识经济 计算机技术和数学软件的迅速发展，为数学建模 的应用提供了强有力的工具; 数学迅速进入一些诸如经济、生态、人口、地质 等领域，为数学建模开拓了许多新的处女地. “数学是一种关键的,普遍的,可应用的技术” 数学“由研究到工业领域的技术转化， 对加强经济竞争具有重要意义” 教育必须反映并满足社会发展的需求 数 学 建 模 的 重 要 意 义 在一般工程技

9、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。 数学建模进入大学课堂 20世纪6070年代进入西方国家的大学（数学建模 教材较集中地出现在70年代）。 20世纪80年代初开始进入我国大学；1987年出版第 1本教材（数学模型，姜启源编，高教社）；80 年代末估计3040所学校开课（数学系，讲座）。 1985年美国大学生数学建模竞赛开始举办， 1989 年我国大学生开始参加这项竞赛。 1992年我国大学生数学建模竞赛开始举办，2007 年有30省（市、自治区）969所学校参加。 数学建模竞赛与教学相互促进，参赛的学

10、校基本上 都开设课程（各专业，必修课，选修课，讲座）。 一次参赛 终生受益 -全国大学生数学建模 竞赛简介 数学建模竞赛 (Mathematical Contest in Modeling)简介 内容 赛题：工程技术、管理科学中经过简化的实际问题 答卷：一篇包含模型假设、建立、求解、计算方法设计和 计算机实现、结果分析和检验、模型改进等方面的论文 形式 3名大学生组队，在3天内完成的通讯比赛 可使用任何“死”材料（图书、计算机、软件 、互联网等），但不得与队外任何人讨论 宗旨 创新意识 团队精神 重在参与 公平竞争 标准 假设的合理性，建模的创造性，结果的正确性 ，表述的清晰程度 年份A题题B

11、题题C题题D题题 2003SARS的传传播露天矿矿生产产的 车辆车辆 安排 SARS的传传 播 抢抢渡长长江 2004奥运会临时临时 超 市网点设计设计 电电力市场场的 输电输电 阻塞管理 饮饮酒驾车驾车公务员务员 招聘 2005长长江水质质的评评 价和预测预测 DVD在线线租 赁赁 雨量预报预报 方 法的评评价 DVD在线线租 赁赁 2006出版社的资资源 配置 艾滋病疗疗法的 评评价和疗疗效的 预测预测 易拉罐形状 和尺寸的最 优设计优设计 煤矿矿瓦斯和 煤尘尘的监监 测测与控制 2007中国人口增长长 预测预测 乘公交，看奥 运 手机“套餐” 优优惠几何 体能测试测试 时间时间 安排 全

12、国大学生数学建模竞赛竞赛 近5年的题题目（本科队队 从A, B题题中选选一题题，专专科队队从C, D题题中选选一题题) 综合运用学过的数学知识和计算机技术(选择、使用合适 的数学软件)通过数学建模分析、解决实际问题的能力 面对复杂事物的想象力、洞察力、创造力和独立进行 科学研究的能力 关心国家建设的意识和理论联系实际的学风 团结合作精神和进行协调的组织能力 诚信意识和自律精神 在图书室及互联网上查阅文献、收集资料及撰写科技 论文的文字表达能力 数学建模竞赛培养学生创新精神，提高学生综合素质 1992年由中国工业与应用数学学会(CSIAM)组织第一次竞赛 1994年起由教育部高教司和CSIAM共

13、同举办，每年一次(9月) 全国大学生数学建模竞赛 http:/ 全国高校规模最大的课外科技活动 数学建模 在数学教学改革中的 意义和作用 培养学生用数学的能力， 探索数学教学改革的途径 数学教育应该培养学生两种能力：“算数学”（ 计算、推导、证明）和“用数学”（实际问题建 模及模型结果的分析、检验、应用）； 传统数学教学体系和内容偏重前者，忽略后者； 数学建模引入教学是不打乱现有体系下的教改实验。 数学建模课的宗旨： 引起注意 激发兴趣 介绍方法 培养能力。 将数学建模的思想和方法融入到 数学主干课程中去，推动数学教 学体系和内容的改革 让凡是学习数学课程的学生都了解数学建模 让数学主干课程的

14、教学内容”返朴归真 ” 近年出版的数学主干课程的教材已经有所反映 数学建模和数学主干课程教师的交流与交换促进 了融入的进程 促进了一门新的数学课程-数学 实验-的创立和发展 数学建模对计算机技术和数学软件的使用 提出了新的要求 数学实验-在教师指导下学生自己动手、动 眼、动脑，借助计算机和数学软件，通过数值的 、几何的观察、联想、类比，去发现线索，探讨 规律，学习解决实际问题常用的数学方法。 实现数学方法、数学软件和数学建模的融合 从事数学建模教学和竞赛指导的教师成为数学 实验课程创立和发展的主力 在从事数学建模教学和竞赛指导的过程 中，全国数以千计的数学教师（主要是 年轻教师）得到了很大锻炼

15、和提高 拓宽了知识面，改善了知识结构 提高了利用数学工具和计算机技术解决实际问题 的意识和能力, 打开一条从事科研工作的门路 在指导竞赛工作中培养了热爱学生、不计 名利、献身祖国教育事业的精神 在数学建模教学和竞赛活动的推动下，许多 院校的数学系(教研室)建立了(计算机)实验室, 改变了一张纸一支笔学习、钻研数学的传统 许多学校学生自发成立数学建模协会等社团，校内 和地区的数学建模竞赛非常活跃，丰富了大学生课 外科技活动 在各级教学成果奖和精品课程的评选中数学建模和 数学实验成绩突出 数学建模教学和竞赛活动的开展大大提高了数学 学科在各个院校中的地位 祝大家在数学教学改革中 取得优异成绩 谢谢大家