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1、数学建模讲座,By 魏晓旭,讲 座 内 容,关于数学建模,80年代以来在发达国家兴起并引起巨大凡响的数学建模竞赛是适应世界性高科技发展及人才需求而出现的新生事物。 在国家教育部高教司的领导和支持下，提出在全国普通高校开展数学建模竞赛，旨在“培养学生解决时间问题的能力和创造精神，全面提高学生的综合素质”。 现在，全国大学生数学建模竞赛正在健康、迅速的向前发展，受到广大同学的热烈欢迎。,什么是数学建模,问题：树上有十只鸟，开枪打死一只，还剩几只？,9只？ 还是 0只？,分析：这是一道数学应用题（应该是小学生的）。但他一样是数学建模问题，不过答案就不重要了，重要的是过程。,真正的数学建模高手应该这样
2、回答这道！,建模与求解,是无声手枪或别的无声的枪吗？ 不是。 枪声有多大？ 80100分贝。 那就是说会震得耳朵疼？ 是。 在这个城市里打鸟犯不犯法？ 不犯。 您确定鸟里真的没有聋子？ 没有。 有没有关在笼子里的？ 没有。 边上还有没有其他的树，树上还有没有其他的鸟？ 没有,有没有残疾的鸟或饿得飞不动的鸟？ 没有。 打鸟的人眼有没有花？保证是十只？ 没有花，就十只。 有没有傻得不怕死的鸟？ 都怕死。 会不会一枪打死两只？ 不会。 所有的鸟都可以自由活动吗？ 完全可以。 。,不是开玩笑，这就是数学建模。从不同度思考一个问题，想尽所有的可能，正所谓智者千虑，绝无一失，这才是数学建模的高手。,数学建
3、模的意义,1 体现了数学的应用价值 2 有利于学生理论联系实际能力的培养 3 有利于培养学生的科研素养 4 有利于增加同学参加课外学术活动的 经验并在评优时更有竞争力。,数学建模的乐趣,1.可以认识一群人； 2.可以消磨一下无聊的时光； 3.可以学会喝咖啡，提高生活品味； 获奖后： 1.加个奖励分拿个奖学金； 2.加个分，保个研； 3.各种其他好处。,数学建模需要能力？,1）分析题意的能力,2）超找资料的能力,3）建立数学模型的能力,4）问题的转化能力,5）现学现用的能力,7）论文写作能力,6）编程能力,培养和提升建模的能力,1）培养对数学建模的兴趣,2）学会自学学会研究,3）增强数学理论知识
4、,4）平时多领悟建模过程,5）多参加比赛，在实践中体会平时学到的理论知识从而得到领悟和进步,6）研读优秀论文,数学建模竞赛,三大赛： 武汉理工大学数学建模选拔赛 （华中地区大学生数学建模邀请赛） 全国大学生数学建模竞赛 国际数学建模竞赛,报名：组队-3人,建模 &编程&写作,建 模,建模：建立数学模型,从现实对象到数学模型 示例一：椅子能在不平的地面上放稳吗？ 示例二：商人们怎样安全过河 示例三：如何预报人口的增长 数学模型的分类,初等模型 微分方程模型 网络模型 规划模型 概率统计模型 。 。,数学模型分类,问题的提出 模型建立 模型求解 模型检验,编 程,编程：为求解数学模型验并且证模型的
5、正确性， 同时为论文提供数据。,1.编程一定要规范； 2.其实编程的最大部分时间是花在了调试上。 3.最好的调试方法就是在你认为有错误的地方插入输入出语句。,MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。,编程软件,编程软件,LINGO(Linear Interactive and General Optimizer)是由美国LINDO系统公司推出的，可以用于求解非线性规划，也可以用于一些线性和非线
6、性方程组的求解等，功能十分强大，是求解优化模型的最佳选择。,编程软件,EXCEL功能强大，操作简单。 它有大量的内置函数的。 可以用来处理数据，简单编程。 提示： EXCEL是一款非常强大的软件！,编程软件,SPSS统计分析程包括描述性统计、均值比较、一般线性模型、相关分析、回归分析、对数线性模型、聚类分析、数据简化、生存分析、时间序列分析、多重响应等几大类，每类中又分好几个统计过程，比如回归分析中又分线性回归分析、曲线估计Logistic回归、Probit回归、加权估计、两阶段最小二乘法、非线性回归等多个统计过程，而且每个过程中又允许用户选择不同的方法及参数。SPSS也有专门的绘图系统，可以
7、根据数据绘制各种图形。,论 文,关 键,数学建模论文的一般结构,摘要 问题重述与分析 问题假设 符号说明 模型建立与求解 模型检验 结果分析 模型的进一步讨论 模型优缺点,论文的模块设计,问题的背景 问题的重述 基本假设与符号说明 问题的分析与模型的准备,论文的模块设计,模型的建立 模型的求解 模型的检验 模型的灵敏度与稳定性分析 模型的科学性及现实意义 模型的使用说明 模型的进一步讨论与改进 模型评价与推广,论文的模块设计,参考文献 附录,数学建模竞赛网上资源,中国数学建模网: 数学中国网: 中国大学生数学建模竞赛网:,例1 加工奶制品的生产计划,50桶牛奶,时间480小时,至多加工100公
8、斤A1,制订生产计划，使每天获利最大,35元可买到1桶牛奶，买吗？若买，每天最多买多少?,可聘用临时工人，付出的工资最多是每小时几元?,A1的获利增加到 30元/公斤，应否改变生产计划？,每天：,x1桶牛奶生产A1,x2桶牛奶生产A2,获利 243x1,获利 164 x2,原料供应,劳动时间,加工能力,决策变量,目标函数,每天获利,约束条件,非负约束,线性规划模型(LP),时间480小时,至多加工100公斤A1,模型分析与假设,比例性,可加性,连续性,xi对目标函数的“贡献”与xi取值成正比,xi对约束条件的“贡献”与xi取值成正比,xi对目标函数的“贡献”与xj取值无关,xi对约束条件的“贡
9、献”与xj取值无关,xi取值连续,A1,A2每公斤的获利是与各自产量无关的常数,每桶牛奶加工出A1,A2的数量和时间是与各自产量无关的常数,A1,A2每公斤的获利是与相互产量无关的常数,每桶牛奶加工出A1,A2的数量和时间是与相互产量无关的常数,加工A1,A2的牛奶桶数是实数,线性规划模型,模型求解,图解法,约束条件,目标函数,z=c (常数) 等值线,在B(20,30)点得到最优解,目标函数和约束条件是线性函数,可行域为直线段围成的凸多边形,目标函数的等值线为直线,最优解一定在凸多边形的某个顶点取得。,模型求解,软件实现,LINGO,OBJECTIVE FUNCTION VALUE 1) 3
10、360.000 VARIABLE VALUE REDUCED COST X1 20.000000 0.000000 X2 30.000000 0.000000 ROW SLACK OR SURPLUS DUAL PRICES 2) 0.000000 48.000000 3) 0.000000 2.000000 4) 40.000000 0.000000 NO. ITERATIONS= 2,DO RANGE (SENSITIVITY) ANALYSIS?,No,20桶牛奶生产A1, 30桶生产A2，利润3360元。,max =72*x1+64*x2; x1+x20; X20; end,结果解释,
11、OBJECTIVE FUNCTION VALUE 1) 3360.000 VARIABLE VALUE REDUCED COST X1 20.000000 0.000000 X2 30.000000 0.000000 ROW SLACK OR SURPLUS DUAL PRICES 2) 0.000000 48.000000 3) 0.000000 2.000000 4) 40.000000 0.000000 NO. ITERATIONS= 2,原料无剩余,时间无剩余,加工能力剩余40,三种资源,“资源” 剩余为零的约束为紧约束（有效约束）,max =72*x1+64*x2; x1+x20;
12、X20; end,结果解释,OBJECTIVE FUNCTION VALUE 1) 3360.000 VARIABLE VALUE REDUCED COST X1 20.000000 0.000000 X2 30.000000 0.000000 ROW SLACK OR SURPLUS DUAL PRICES 2) 0.000000 48.000000 3) 0.000000 2.000000 4) 40.000000 0.000000 NO. ITERATIONS= 2,最优解下“资源”增加1单位时“效益”的增量,原料增加1单位, 利润增长48,时间增加1单位, 利润增长2,加工能力增长不影
13、响利润,影子价格,35元可买到1桶牛奶，要买吗？,35 48, 应该买！,聘用临时工人付出的工资最多每小时几元？,2元！,RANGES IN WHICH THE BASIS IS UNCHANGED: OBJ COEFFICIENT RANGES VARIABLE CURRENT ALLOWABLE ALLOWABLE COEF INCREASE DECREASE X1 72.000000 24.000000 8.000000 X2 64.000000 8.000000 16.000000 RIGHTHAND SIDE RANGES ROW CURRENT ALLOWABLE ALLOWABL
14、E RHS INCREASE DECREASE 2 50.000000 10.000000 6.666667 3 480.000000 53.333332 80.000000 4 100.000000 INFINITY 40.000000,最优解不变时目标函数系数允许变化范围,DO RANGE(SENSITIVITY) ANALYSIS?,Yes,x1系数范围(64,96),x2系数范围(48,72),A1获利增加到 30元/千克，应否改变生产计划,x1系数由24 3=72增加为303=90，在允许范围内,不变！,(约束条件不变),结果解释,RANGES IN WHICH THE BASIS
15、IS UNCHANGED: OBJ COEFFICIENT RANGES VARIABLE CURRENT ALLOWABLE ALLOWABLE COEF INCREASE DECREASE X1 72.000000 24.000000 8.000000 X2 64.000000 8.000000 16.000000 RIGHTHAND SIDE RANGES ROW CURRENT ALLOWABLE ALLOWABLE RHS INCREASE DECREASE 2 50.000000 10.000000 6.666667 3 480.000000 53.333332 80.000000
16、 4 100.000000 INFINITY 40.000000,影子价格有意义时约束右端的允许变化范围,原料最多增加10,时间最多增加53,35元可买到1桶牛奶，每天最多买多少？,最多买10桶!,(目标函数不变),例2 奶制品的生产销售计划,在例1基础上深加工,制订生产计划，使每天净利润最大,30元可增加1桶牛奶，3元可增加1小时时间，应否投资？现投资150元，可赚回多少？,50桶牛奶, 480小时,至多100公斤A1,B1，B2的获利经常有10%的波动，对计划有无影响？,出售x1 千克 A1, x2 千克 A2，,X3千克 B1, x4千克 B2,原料供应,劳动时间,加工能力,决策变量,目
17、标函数,利润,约束条件,非负约束,x5千克 A1加工B1， x6千克 A2加工B2,附加约束,丁的蛙泳成绩退步到115”2；戊的自由泳成绩进步到57”5, 组成接力队的方案是否应该调整？,如何选拔队员组成4100米混合泳接力队?,例1 混合泳接力队的选拔,5名候选人的百米成绩,穷举法：组成接力队的方案共有5!=120种。,目标函数,若选择队员i参加泳姿j 的比赛，记xij=1, 否则记xij=0,0-1规划模型,cij(秒)队员i 第j 种泳姿的百米成绩,约束条件,每人最多入选泳姿之一,每种泳姿有且只有1人,模型求解,最优解：x14 = x21 = x32 = x43 = 1, 其它变量为0;
18、 成绩为253.2(秒)=413”2,MIN 66.8x11+75.6x12+87x13+58.6x14 + +67.4x51+71 x52+83.8x53+62.4x54 SUBJECT TO x11+x12+x13+x14 =1 x41+x42+x43+x44 =1 x11+x21+x31+x41+x51 =1 x14+x24+x34+x44+x54 =1 END INT 20,输入LINGO求解,甲 自由泳、乙 蝶泳、丙 仰泳、丁 蛙泳.,丁蛙泳c43 =69.675.2，戊自由泳c54=62.4 57.5, 方案是否调整？,敏感性分析？,乙 蝶泳、丙 仰泳、丁 蛙泳、戊 自由泳,IP规
19、划一般没有与LP规划相类似的理论，LINGO输出的敏感性分析结果通常是没有意义的。,最优解：x21 = x32 = x43 = x51 = 1, 成绩为417”7,c43, c54 的新数据重新输入模型，用LINGO求解,指派(Assignment)问题：每项任务有且只有一人承担，每人只能承担一项，效益不同，怎样分派使总效益最大.,讨论,为了选修课程门数最少，应学习哪些课程 ？,例2 选课策略,要求至少选两门数学课、三门运筹学课和两门计算机课,选修课程最少，且学分尽量多，应学习哪些课程 ？,0-1规划模型,决策变量,目标函数,xi=1 选修课号i 的课程（xi=0 不选）,选修课程总数最少,约束条件,最少2门数学课，3门运筹学课， 2门计算机课。,先修课程要求,最优解： x1 = x2 = x3 = x6 = x7 = x9 =1, 其它为0；6门课程，总学分21,0-1规划模型,约束条件,x3=1必有x1 = x2 =1,模型求解（LINGO）,谢谢大家观赏！,