數學模型建構步驟

數學模型建構步驟

數學模型的構造,是指對現實世界中的原型進行具體地數學建構地過程。作為解決實踐問題的數學模型,它要求靈活,綜合地運用所學的數學知識來解決一些現實生活中的問題。數學模型的構造過程是數學的應用過程,是一個需要多次,艱苦的努力才能完成的過程,當然,也是一個創造性的過程。

在建構數學模型時,大體分為四個步驟。

第一,掌握和分析客觀原型的各種關係,數量形式。數學模型是從現實原型中抽象出來的,如果我們不能準確全面地掌握客觀原型的數量關係,內部變化規律等,就會無法構造出正確的數學模型。因此我們要求作為構造數學模型的第一步,要儘量地分析和掌握原型的各種數據和各種關係。

第二,確定所研究原型的本質屬性,從而抓住問題的本質。從構建數學模型的意義上來分析,要清楚準備建立的數學模型的類型,只有這樣才能為建構數學模型做好準備工作。這其中最重要的是認清變量關係以及事物各元素之間的關係。

第三,建立數學模型。這一階段要求建立起在數學概念,語言表述,符號等基礎上的數學模型。此時,客觀原型已經被數學的抽象形式明確地表現出來,數學模型的確定性,隨機性,模糊性已經十分清楚,進而應當運用的數學工具及計算用的表達式都應當清楚。

第四,對數學模型進行運演和檢驗。這一階段要求把數學模型進行邏輯推理,理論計算的結果返回到實踐中去檢驗,如果其結果不符合客觀實踐就要被修正,甚至重新構造數學模型。

以上四步用圖形表示如下:

原型分析→確定模型類別→建立模型→檢驗

為便於理解,舉一個現實生活中人口增長預測的例子

例:根據下表給出的數據,確定該國人口的增長規律,預測該國2020年的人口數

數學模型建構步驟

1. 建模的分析與判斷(假設與簡化)

這是一個確定人口增長模型的問題,假設:

(1)該國的政治,經濟,社會環境穩定;

(2)該國的人口增長數由其人口的生育,死亡引起,與外界移民無關;

(3)該國的人口數量變化是連續的;

(4)該國的每一個人有相同的生育能力和死亡概率。

確定人口數量是時間的函數,記時間為t,t時刻的人口數為P(t)。

2. 建模與求解

根據給出的數據資料繪出散點圖,尋找一條直線或曲線,使它們儘可能地與這些散點吻合,該直線或曲線就被認為近似地描述了該國人口的增長規律,從而作出預測。

數學模型建構步驟

觀察以上散點圖,從整體趨勢來看,可以認為散點近似分佈在一條以直線t=1850 為對稱軸的拋物線上。選兩點(1850,7.241)和(1930,62.949)可確定出該拋物線方程為:

數學模型建構步驟

這是人口增長的拋物線模型。

我們還可以認為散點近似分佈在一條指數曲線上。取1970年,1980年這兩年的數據確定方程,而用1990年的數據作檢驗。因此,過兩點(1970,122.776)和(1980,131.67)求得指數方程為

數學模型建構步驟

這是人口增長的指數模型。

通過1990年的人口數據的檢驗,其誤差分別為8.59%和1.07%。所以,可以認為第二個模型精確度更好。

為了更接地氣,後面會為大家列舉一些中小學教學中的常見數學模型。


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