数学模型MathematicalModeling
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数学模型:[英文]:mathematical model[解释]:对于现实世界的某一特定对象,为了某个特定的目的,通过一些必要的假设和简化后所作的数学描述。
利用模型,通过数学的分析处理,能够对原型的现实性态给出深层次的解释,或预测原型未来的状况或提供处理原型的控制或优化的决策。
它是数学理论和方法用以解决现实世界实际问题的一个重要途径。
例如牛顿第二定律所描述的力和运动的关系 F = ma = md 2 s / dt 2 给出了受外力 F 作用的物体运动的距离 s ( t )与 F 的关系。
它是一个数学上的二阶微分方程,假设物体为一个质点,不存在阻力,摩擦力等的前提下描述了物体的运动与所受外力的依赖关系。
这就是动力学一个最基本的数学模型。
利用它就可以从理论上探讨大量的动力学的现象。
当代由于数学向各门学科的全面渗透,数学不仅仅是物理学的研究工具,它已成为各门学科的一个重要的研究手段,建立数学模型最重要的步骤是首先要把研究对象通过化简,归结出它的数学结构,以便于使用数学理论和方法。
由于数学模型在科学发展中的重要性,它和数学建模已经逐渐从各门学科中独立出来,成为应用数学的一个重要的方向而进入学校的教学计划。
与数学的演绎推理不同,数学模型是运用数学的语言和工具,对现实世界的信息通过假设、化简加以翻译归纳的产物,因此随着研究目的、简化方式的不同,同一个原型的数学模型可以有不同的表现方式,它可以是确定型的,也可以是随机的;可以是连续型的,也可以是离散的。
因此对于同一个原型,可以使用不同的数学分支,通过相应的模型进行研究。
当然通过数学抽象出来的模型较之原型有更宽的覆盖面,甚至于能够描述不同学科有关对象的变化关系。
由于现实世界的复杂性,科学技术发展到今天,还不能给出普遍适用的建立数学模型的准则和技巧。
在一些使用模型较多的研究领域内,已经开始形成了自己的数学模型及建模体系,例如种群生态学中的数学模型,经济学中的数学模型,天气预报的数学模型,当然也包括理论力学——作为物理中运动和力学的数学模型。
数学模型与数学建模数学模型数学模型(Mathematical Model)是近些年发展起来的新学科,是数学理论与实际问题相结合的一门科学。
它将现实问题归结为相应的数学问题,并在此基础上利用数学的概念、方法和理论进行深入的分析和研究,从而从定性或定量的角度来刻画实际问题,并为解决现实问题提供精确的数据或可靠的指导。
一、建立数学模型的要求:1、真实完整。
1)真实的、系统的、完整的,形象的映客观现象;2)必须具有代表性;3)具有外推性,即能得到原型客体的信息,在模型的研究实验时,能得到关于原型客体的原因;4)必须反映完成基本任务所达到的各种业绩,而且要与实际情况相符合。
2、简明实用。
在建模过程中,要把本质的东西及其关系反映进去,把非本质的、对反映客观真实程度影响不大的东西去掉,使模型在保证一定精确度的条件下,尽可能的简单和可操作,数据易于采集。
3、适应变化。
随着有关条件的变化和人们认识的发展,通过相关变量及参数的调整,能很好的适应新情况。
根据研究目的,对所研究的过程和现象(称为现实原型或原型)的主要特征、主要关系、采用形式化的数学语言,概括地、近似地表达出来的一种结构,所谓“数学化”,指的就是构造数学模型.通过研究事物的数学模型来认识事物的方法,称为数学模型方法.简称为MM 方法。
数学模型是数学抽象的概括的产物,其原型可以是具体对象及其性质、关系,也可以是数学对象及其性质、关系。
数学模型有广义和狭义两种解释.广义地说,数学概念、如数、集合、向量、方程都可称为数学模型,狭义地说,只有反映特定问题和特定的具体事物系统的数学关系结构方数学模型大致可分为二类:(1)描述客体必然现象的确定性模型,其数学工具一般是代效方程、微分方程、积分方程和差分方程等,(2)描述客体或然现象的随机性模型,其数学模型方法是科学研究相创新的重要方法之一。
在体育实践中常常提到优秀运动员的数学模型。
如经调查统计.现代的世界级短跑运动健将模型为身高1.80米左右、体重70公斤左右,100米成绩10秒左右或更好等。
新手入门:什么是数学建模数学建模数学模型(Mathematical Model)是一种模拟,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。
数学模型一般并非现实问题的直接翻版,它的建立常常既需要人们对现实问题深入细微的观察和分析,又需要人们灵活巧妙地利用各种数学知识。
这种应用知识从实际课题中抽象、提炼出数学模型的过程就称为数学建模(Mathematical Modeling)。
不论是用数学方法在科技和生产领域解决哪类实际问题,还是与其它学科相结合形成交叉学科,首要的和关键的一步是建立研究对象的数学模型,并加以计算求解。
数学建模和计算机技术在知识经济时代的作用可谓是如虎添翼。
建模示例:椅子能在不平的地面上放稳吗日常生活中一件普通的事实:把椅子往不平的地面上一放,通常只有三只脚着地,放不稳,然而只需稍挪支几次,就可以使四只脚同时着地,放稳了。
这个看来似乎与数学无关的现象能用数学语言给以表述,并用数学工具来证实吗?模型假设对椅子和地面应该作一些必要的假设:1. 椅子四条腿一样长,椅脚与地面接触处可视为一个点,四脚的连线呈正方形。
2. 地面高度是连续变化的,沿任何方向都不会出现间断(没有像台阶那样的情况),即地面可视为数学上的连续曲面。
3. 对于椅脚的间距和椅腿的长度而言,地面是相对平坦的,使椅子在任何位置至少有三只脚同时着地。
假设1显然是合理的。
假设2相当于给出了椅子能放稳的条件,因为如果地面高度不连续,譬如在有台阶的地方是无法使四只脚同时着地的。
至于假设3是要排除这样的情况:地面上与椅脚间距和椅腿长度的尺寸大小相当的范围内,出现深沟或凸峰(即使是连续变化的),致使三只脚无法同时着地。
模型构成中心问题是用数学语言把椅子四只脚同时着地的条件和结论表示出来。
首先要用变量表示椅子的位置。
MathematicalModeling理论建模及实际应用数学建模(Mathematical Modeling)是一种将实际问题转化为数学问题,并通过数学方法对问题进行分析和解决的方法。
它既是数学的一种应用,也是一种研究问题并解决问题的工具。
数学建模在各个领域都有广泛的应用,如物理学、经济学、生物学、环境科学等等。
本文将从理论建模和实际应用两个方面来介绍数学建模的基本概念、方法以及一些实际应用案例。
在数学建模中,理论建模是首要的一步。
理论建模是指对实际问题进行分析和抽象,从中提取出数学模型的基本要素和关系。
对于一个复杂的实际问题,我们需要通过对问题的认识和理解,找出其中的关键因素和变量,并确定它们之间的数学关系。
这些关系可以是线性的、非线性的、离散的或连续的,可以用代数方程、微分方程、差分方程或概率统计等形式来表示。
理论建模需要深入地了解问题的背景和相关领域的知识,同时还需要灵活运用数学方法和工具来描述问题和解决问题。
数学建模的方法主要包括定性分析、定量分析和验证分析。
定性分析是指通过观察和分析问题的特征和特性,对问题进行描述和理解,找出问题的关键因素和变量,并确定它们之间的关系。
定量分析是指通过运用数学方法和工具,对问题进行计算和求解,得出问题的数值结果和解决方案。
验证分析是指对数学模型的有效性和可靠性进行检验和验证,通过与实际数据进行对比和比较,评估模型的拟合程度和预测能力。
这些方法相互补充和支持,共同构建了一个完整的数学建模流程。
数学建模在实际应用中有着广泛的应用。
以物理学为例,物理学中的很多问题都可以通过数学建模来解决。
比如,天体物理学中的行星运动、星系演化等问题可以通过数学建模来描述行星和星系的位置、速度和质量等参数,进而研究它们的运动规律和相互作用。
在经济学中,数学建模可以用来描述和分析经济系统中的供需关系、利润最大化、成本最小化等问题,从而指导经济政策和决策。
在生物学中,数学建模可以用来描述生物种群的增长、遗传变异、物种竞争等问题,为生态保护和资源管理提供科学依据。
Mathematical ModelingArnold NeumaierNovember6,2003Institut f¨u r Mathematik,Universit¨a t WienStrudlhofgasse4,A-1090Wien,Austriaemail:Arnold.Neumaier@univie.ac.atWWW:http://www.mat.univie.ac.at/∼neum/1Why mathematical modeling?Mathematical modeling is the art of translating problems from an application area into tractable mathematical formulations whose theoretical and numerical analysis provides in-sight,answers,and guidance useful for the originating application.Mathematical modeling•is indispensable in many applications•is successful in many further applications•gives precision and direction for problem solution•enables a thorough understanding of the system modeled•prepares the way for better design or control of a system•allows the efficient use of modern computing capabilitiesLearning about mathematical modeling is an important step from a theoretical mathematical training to an application-oriented mathematical expertise,and makes the studentfit for mastering the challenges of our modern technological culture.2A list of applicationsIn the following,I give a list of applications whose modeling I understand,at least in some detail.All areas mentioned have numerous mathematical challenges.This list is based on my own experience;therefore it is very incomplete as a list of applications of mathematics in general.There are an almost endless number of other areas with interesting mathematical problems.Indeed,mathematics is simply the language for posing problems precisely and unambiguously (so that even a stupid,pedantic computer can understand it).1Anthropology•Modeling,classifying and reconstructing skulls Archeology•Reconstruction of objects from preserved fragments •Classifying ancient artificesArchitecture•Virtual realityArtificial intelligence•Computer vision•Image interpretation•Robotics•Speech recognition•Optical character recognition •Reasoning under uncertaintyArts•Computer animation(Jurassic Park)Astronomy•Detection of planetary systems •Correcting the Hubble telescope•Origin of the universe•Evolution of starsBiology•Protein folding•Humane genome project2•Population dynamics •Morphogenesis•Evolutionary pedigrees •Spreading of infectuous diseases(AIDS)•Animal and plant breeding(genetic variability) Chemical engineering•Chemical equilibrium•Planning of production unitsChemistry•Chemical reaction dynamics •Molecular modeling•Electronic structure calculationsComputer science•Image processing•Realistic computer graphics(ray tracing) Criminalistic science•Finger print recognition•Face recognitionEconomics•Labor data analysisElectrical engineering•Stability of electric curcuits •Microchip analysis•Power supply network optimizationFinance•Risk analysis•Value estimation of options3Fluid mechanics•Wind channel•TurbulenceGeosciences•Prediction of oil or ore deposits•Map production•Earth quake predictionInternet•Web search•Optimal routingLinguistics•Automatic translationMaterials Science•Microchip production•Microstructures•Semiconductor modelingMechanical engineering•Stability of structures(high rise buildings,bridges,air planes)•Structural optimization•Crash simulationMedicine•Radiation therapy planning•Computer-aided tomography•Blood circulation models4Meteorology•Weather prediction•Climate prediction(global warming,what caused the ozone hole?) Music•Analysis and synthesis of soundsNeuroscience•Neural networks•Signal transmission in nervesPharmacology•Docking of molecules to proteins•Screening of new compoundsPhysics•Elementary particle tracking•Quantumfield theory predictions(baryon spectrum)•Laser dynamicsPolitical Sciences•Analysis of electionsPsychology•Formalizing diaries of therapy sessionsSpace Sciences•Trajectory planning•Flight simulation•Shuttle reentryTransport Science•Air traffic scheduling•Taxi for handicapped people•Automatic pilot for cars and airplanes53Basic numerical tasksThe following is a list of categories containing the basic algorithmic toolkit needed for ex-tracting numerical information from mathematical models.Due to the breadth of the subject,this cannot be covered in a single course.For a thorough education one needs to attend courses(or read books)at least on numerical analysis(which usually covers some numerical linear algebra,too),optimization,and numerical methods for partial differential equations.Unfortunately,there appear to be few good courses and books on(higher-dimensional)nu-merical data analysis.Numerical linear algebra•Linear systems of equations•Eigenvalue problems•Linear programming(linear optimization)•Techniques for large,sparse problemsNumerical analysis•Function evaluation•Automatic and numerical differentiation•Interpolation•Approximation(Pad´e,least squares,radial basis functions)•Integration(univariate,multivariate,Fourier transform)•Special functions•Nonlinear systems of equations•Optimization=nonlinear programming•Techniques for large,sparse problems6Numerical data analysis(=numerical statistics)•Visualization(2D and3D computational geometry)•Parameter estimation(least squares,maximum likelihood)•Prediction•Classification•Time series analysis(signal processing,filtering,time correlations,spectral analysis)•Categorical time series(hidden Markov models)•Random numbers and Monte Carlo methods•Techniques for large,sparse problemsNumerical functional analysis•Ordinary differential equations(initial value problems,boundary value problems,eigen-value problems,stability)•Techniques for large problems•Partial differential equations(finite differences,finite elements,boundary elements, mesh generation,adaptive meshes)•Stochastic differential equations•Integral equations(and regularization)Non-numerical algorithms•Symbolic methods(computer algebra)•Sorting•Compression•Cryptography•Error correcting codes74The modeling diagramThe nodes of the following diagram represent information to be collected,sorted,evaluated,and organized.MMathematical ModelSProblem StatementRReportTTheoryPProgramsNNumerical Methods..................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................The edges of the diagram represent activities of two-way communication (flow of relevantinformation)between the nodes and the corresponding sources of information.S.Problem Statement •Interests of customer/boss •Often ambiguous/incomplete •Wishes are sometimes incompatibleM.Mathematical Model •Concepts/Variables •Relations •Restrictions •Goals•Priorities/Quality assignments8T.Theory•of Application•of Mathematics•Literature searchN.Numerical Methods•Software libraries•Free software from WWW•Background informationP.Programs•Flow diagrams•Implementation•User interface•DocumentationR.Report•Description•Analysis•Results•Model validation•Visualization•Limitations•RecommendationsUsing the modeling diagram•The modeling diagram breaks the modeling task into16=6+10different processes.•Each of the6nodes and each of the10edges deserve repeated attention,usually at every stage of the modeling process.9•The modeling is complete only if the’traffic’along all edges becomes insignificant.•Generally,working on an edge enriches both participating nodes.•If stuck along one edge,move to another one!Use the general rules below as a check list!•Frequently,the problem changes during modeling,in the light of the understanding gained by the modeling process.At the end,even a vague or contradictory initial problem description should have mutated into a reasonably well-defined description, with an associated precisely defined(though perhaps inaccurate)mathematical model.5General rules•Look at how others model similar situations;adapt their models to the present situa-tion.•Collect/ask for background information needed to understand the problem •Start with simple models;add details as they become known and useful or necessary.•Find all relevant quantities and make them precise.•Find all relevant relationships between quantities([differential]equations,inequalities, case distinctions).•Locate/collect/select the data needed to specify these relationships.•Find all restrictions that the quantities must obey(sign,limits,forbidden overlaps, etc.).Which restrictions are hard,which soft?How soft?•Try to incorporate qualitative constraints that rule out otherwise feasible results(usu-ally from inadequate previous versions).•Find all goals(including conflicting ones)•Play the devil’s advocate tofind out and formulate the weak spots of your model.•Sort available information by the degree of impact expected/hoped for.•Create a hierarchy of models:from coarse,highly simplifying models to models with all known details.Are there useful toy models with simpler data?Are there limiting cases where the model simplifies?Are there interesting extreme cases that help discover difficulties?10•First solve the coarser models(cheap but inaccurate)to get good starting points for thefiner models(expensive to solve but realistic)•Try to have a simple working model(with report)after1/3of the total time planned for the e the remaining time for improving or expanding the model based on your experience,for making the programs more versatile and speeding them up,for polishing documentation,etc.•Good communication is essential for good applied work.•The responsibility for understanding,for asking the questions that lead to it,for recog-nizing misunderstanding(mismatch between answers expected and answers received), and for overcoming them lies with the mathematician.You cannot usually assume your customer to understand your scientific jargon.•Be not discouraged.Failures inform you about important missing details in your understanding of the problem(or the customer/boss)–utilize this information!•There are rarely perfect solutions.Modeling is the art offinding a satisfying compro-mise.Start with the highest standards,and lower them as the deadline approaches.If you have results early,raise your standards again.•Finish your work in time.Lao Tse:”People often fail on the verge of success;take care at the end as at the beginning, so that you may avoid failure.”6Conflicts•fast–slow•cheap–expensive•short term–long term•simplicity–complexity•low quality–high quality•approximate–accurate•superficial–in depth•sketchy–comprehensive11•concise–detailed•short description–long descriptionEinstein:”A good theory”(or model)”should be as simple as possible,but not simpler.”•perfecting a program–need for quick results•collecting the theory–producing a solution•doing research–writing up•quality standards–deadlines•dreams–actual resultsThe conflicts described are creative and constructive,if one does not give in too easily.As a good material can handle more physical stress,so a good scientist can handle more stress created by conflict.”We shall overcome”–a successful motto of the black liberation movement,created by a strong trust in God.This generalizes to other situations where one has to face difficulties, too.Among other qualities it has,university education is not least a long term stress test–if you got your degree,this is a proof that you could overcome significant barriers.The job market pays for the ability to persist.7Attitudes•Do whatever you do with love.Love(even in difficult circumstances)can be learnt;it noticeably improves the quality of your work and the satisfaction you derive from it.•Do whatever you do as a service to others.This will improve your attention,the feedback you’ll get,and the impact you’ll have.•Take responsibility;ask if in doubt;read to confirm your understanding.This will remove many impasses that otherwise would delay your work.Jesus:”Ask,and you will receive.Search,and you willfind.Knock,and the door will be opened for you.”8ReferencesSee my home page,quoted on page1.12。
数学建模竞赛h奖英文Mathematical Modeling Competition H Award1. Mathematical:数学的2. Modeling:建模3. Competition:竞赛4. H: H奖5. Award:奖项1. The mathematical modeling competition requires participants to apply mathematical principles to solve real-world problems.数学建模竞赛要求参赛者将数学原理应用于解决现实世界的问题。
2. In order to excel in the competition, students must demonstrate strong analytical and problem-solving skills.为了在竞赛中取得优异的成绩,学生们必须展示出强大的分析和问题解决能力。
3. The H award is a prestigious recognition given to those who demonstrate exceptional mathematical modeling abilities.H奖是对那些展示出卓越数学建模能力的人的一个有声望的认可。
4. Winning the H award is a testament to the recipient's dedication to the field of mathematical modeling.赢得H奖是对获奖者在数学建模领域专注的证明。
5. Participants in the competition are evaluated based on the clarity of their mathematical models, the accuracy of their solutions, and the creativity in their approaches.竞赛的参赛者将根据数学模型的清晰度、解决方案的准确性和方法的创造力进行评估。
数学模型方法函数关系可以说是一种变量相依关系的数学模型.数学模型方法是处理科学理论问题的一种经典方法,也是处理各类实际问题的一般方法.掌握数学模型方法是非常必要的.在此,对数学模型方法作一简述.数学模型方法(Mathematical Modeling)称为MM方法.它是针对所考察的问题构造出相应的数学模型,通过对数学模型的研究,使问题得以解决的一种数学方法.一、数学模型的含义数学模型是针对于现实世界的某一特定对象,为了一个特定的目的,根据特有的内在规律,做出必要的简化和假设,运用适当的数学工具,采用形式化语言,概括或近似地表述出来的一种数学结构.它或者能解释特定对象的现实性态,或者能预测对象的未来状态,或者能提供处理对象的最优决策或控制.数学模型既源于现实又高于现实,不是实际原形,而是一种模拟,在数值上可以作为公式应用,可以推广到与原物相近的一类问题,可以作为某事物的数学语言,可译成算法语言,编写程序进入计算机.二、数学模型的建立过程建立一个实际问题的数学模型,需要一定的洞察力和想像力,筛选、抛弃次要因素,突出主要因素,做出适当的抽象和简化.全过程一般分为表述、求解、解释、验证几个阶段,并且通过这些阶段完成从现实对象到数学模型,再从数学模型到现实对象的循环.可用流程图表示如下:表述根据建立数学模型的目的和掌握的信息,将实际问题翻译成数学问题,用数学语言确切地表述出来.这一个关键的过程,需要对实际问题进行分析,甚至要做调查研究,查找资料,对问题进行简化、假设、数学抽象,运用有关的数学概念、数学符号和数学表达式去表现客观对象及其关系.如果现有的数学工具不够用时,可根据实际情况,大胆创造新的数学概念和方法去表现模型.求解选择适当的方法,求得数学模型的解答.解释数学解答翻译回现实对象,给实际问题的解答.验证检验解答的正确性.例如,哥尼斯堡一条普雷格尔河,这条河有两个支流,在城中心汇合成大河,河中间有一小岛,河上有七座桥,如图1所示.18世纪哥尼斯堡的很多居民总想一次不重复地走过这七座桥,再回到出发点.可是试来试去总是办不到,于是有人写信给当时著名的数学家欧拉,欧拉于1736年,建立了一个数学模型解决了这个问题.他把A、B、C、D这四块陆地抽象为数学中的点,把七座桥抽象为七条线,如图2所示.CB图1 图2人们步行七桥问题,就相当于图2的一笔画问题,即能否将图2所示的图形不重复地一笔画出来,这样抽象并不改变问题的实质.哥尼斯堡七桥问题是一个具体的实际问题,属于数学模型的现实原型.经过理想化抽象所得到的如图2所示的一笔画问题便是七桥问题的数学模型.在一笔画的模型里,只保留了桥与地点的连接方式,而其他一切属性则全部抛弃了.所以从总体上来说,数学模型只是近似地表现了现实原型中的某些属性,而就所要解决的实际问题而言,它是更深刻、更正确、更全面地反映了现实,也正由此,对一笔画问题经过一定的分析和逻辑推理,得到此问题无解的结论之后,可以返回到七桥问题,得出七桥问题的解答,不重复走过七座桥回到出发点是不可能的.数学模型,从广义上讲,一切数学概念、数学理论体系、各种数学公式、各种方程式、各种函数关系,以及由公式系列构成的算法系统等等都可以叫做数学模型.从狭义上讲,只有那些反映特定问题或特定的具体事物系统的数学关系的结构,才叫做数学模型.在现代应用数学中,数学模型都作狭义解释.而建立数学模型的目的,主要是为了解决具体的实际问题.三、模型的建立研究数学模型,建立数学模型,进而借鉴数学模型,对提高解决实际问题的能力,以及提高数学素养都是十分重要的.建立模型的步骤可分为:(1) 分析问题中哪些是变量,哪些是常量,分别用字母表示;(2) 根据所给条件,运用数学或物理知识,确定等量关系;(3) 具体写出解析式)(x f y =,并指明定义域.例 重力为P 的物体置于地平面上,设有一与水平方向成α角的拉力F ,使物体由静止开始移动,求物体开始移动时拉力F 与角α之间的函数模型(图3).解 由物理知,当水平拉力与摩擦力平衡时,物体开始移动,而摩擦力是与正压力αsin F P -成正比的(设摩擦系数为μ),故有)sin (cos αμαF P F -=,即 αμαμsin cos +=P F (0°<α<90°)建立函数模型是一个比较灵活的问题, 无定法可循,只有多做些练习才能逐步掌握. 图3四、数学建模方法数学建模就是建立数学模型,建立数学模型的过程就是数学建模的过程(见数学建模过程流程图).数学建模是一种数学的思考方法,是运用数学的语言和方法,通过抽象、简化建立能近似刻画并解决实际问题的数学模型的一种强有力的数学手段.常用的数学建模方法如下:(一) 机理分析法 从基本理论以及系统的结构数据来推导出数学模型的方法1. 比例分析法 —— 建立变量之间函数关系的最基本、最常用的方法.2. 代数方法——求解离散问题(离散的数据、符号、图形)的主要方法.3. 逻辑方法——是数学理论研究的重要方法,用以解决社会学和经济学等领域的实际问题,在决策论,对策论等学科中得到广泛应用.4. 常微分方程——解决两个变量之间的变化规律,关键是建立“瞬时变化率”的表达式.5. 偏微分方程——解决因变量与两个以上自变量之间的变化规律.(二) 数据分析法 从大量的观测数据利用统计方法建立数学模型的方法1. 回归分析法——用于对函数()f x 的一组观测值(,())(1,2,)i i x f x i n ,确定函数的表达式,由于处理的是静态的独立数据,故称为数理统计方法.2. 时序分析法——处理的是动态的相关数据,又称为过程统计方法.(三)仿真和其他方法1. 计算机仿真(模拟)——实质上是统计估计方法,等效于抽样试验.① 离散系统仿真——有一组状态变量.② 连续系统仿真——有解析表达式或系统结构图.2. 因子试验法——在系统上作局部试验,再根据试验结果进行不断分析修改,求得所需的模型结构.3. 人工现实法——基于对系统过去行为的了解和对未来希望达到的目标,并考虑到系统有关因素的可能变化,人为地组成一个系统.五、几个数学模型1.如何预报人口的增长人口的增长是当前世界上引起普遍关注的问题,我们经常在报刊上看见关于人口增长的预报,说到未来某个时期全世界(或某地区)的人口将达到多少多少亿.你可能注意到不同报刊对同一时间人口的预报在数字上常有较大的差别,这显然是由于用了不同的人口模型计算的结果.建立模型的目的: 在对出生和死亡的概率作出适当假设的基础上,寻求人口X (t )的变化规律,用它描述人口的发展状况.先看一种最简单的计算方法.要预报未来若干年的人口,最重要的影响因素自然是今年的人口和今后这些年的增长率(即人口出生率减去死亡率),根据这两个数据进行人口预报是十分容易的.记今年人口为x 0,k 年后人口为x k ,年增长率为r ,则预报公式为x k =x 0(1+r )k显然,这个公式的基本前提是年增长率r 保持不变.这个条件在什么情况下才成立,如果不成立又该怎么办?历史上,人口模型的发展过程回答了这个问题.早在18世纪人们就开始进行人口预报工作了,一二百年来发展了许多模型,其中最简单的有两种.2.指数增长模型(马尔萨斯人口模型)英国人口学家马尔萨斯(Malthus l766—1834)根据百余年的人口统计资料,于1798年提出了著名的人口指数增长模型.这个模型的基本假设是:人口的增长率是常数,或者说,单位时间内人口的增长量与当时的人口成正比. 记时刻t 的人口为x (t ),初始时刻(t =0)的人口为x 0,人口增长率为r ,r 是单位时间内x x (t )的增量与x (t )的比例系数.根据r 是常数的基本假设,t 到t+Δt 时间内人口增量为x (t+Δt ))(t x - = r x (t )Δt于是x (t )满足如下的微分方程⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧==0)0(x x rxdt dx 由这个线性常系数微分方程容易解出rt e x t x 0)(=表明人口将按指数规律无限增长(r >0).将t 以年为单位离散化,人口以re 为公比的等比数列增长.因为这时r 表示年增长率,通常r <<1,所以可用近似关系r e r +≈1,那么 tr x t x )1()(0+≈可见,前面给出的预报公式不过是指数增长模型离散形式的近似表示.由rt e x t x 0)(= 给出的模型,与19世纪以前欧洲一些地区的人口统计数据可以很好地吻合.一些人口增长率长期稳定不变的国家和地区用这个模型进行预报,结果也令人满意.但是当人们用19世纪以后许多国家的人口统计资料与指数增长模型比较时,却发现了相当大的差异.显然,用这个模型预报的结果远远超过了实际人口的增长.引起误差的原因是10年增长率r 估计过高.人们还发现,在地广人稀的加拿大领土上,法国移民后代的人口比较符合指数增长模型,而同一血统的法国本土居民人口的增长却远低于这个模型.产生上述现象的主要原因是:随着人口的增加,自然资源、环境条件等因素对人口继续增长的阻滞作用越来越显著.如果当人口较少时(相对于资源而言)人口增长率还可以看作常数的话,那么当人口增加到一定数量后,增长率就会随着人口的继续增加而逐渐减少.许多国家人口增长的实际情况完全证实了这点.看来为了使人口预报特别是长期预报更好地符合实际情况,必须修改指数增长模型关于人口增长率是常数这个基本假设了.3.阻滞增长模型(Logistic 模型)将增长率r 表示为人口x (t )的函数r (t ) (即增长率相对于固定的人口数x 来说是常数),按照前面的分析r (x )应是x 的减函数.一个最简单的假定是设r (x )为x 的线性函数r (x )= r –sx , s >0,这里r 相当于x=0时的增长率,称固有增长率. 它与指数模型中的增长率r 不同(虽然用了相同的符号).显然对于任意的x >0,增长率r (x )<r .为了确定系数s ,引入自然资源和环境条件所能容纳的最大人口数量x m ,称最大人口容量.当x=x m 时增长率应为零,即r (x m )=0,由此确定出s .人口增长率函数r (x )可以表为 ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=m x x r x r 1)(其中r 、x m 是根据人口统计数据或经验确定的常数.因子⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-m x x 1体现了对人口增长的阻滞作用. 在此的假设下,指数增长模型应修改为⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=0)0(1 x x x x x r dt dx m 称为阻滞增长模型.此非线性微分方程可用分离变量法求解,结果为rtm me x x x t x -⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=11)(其阻滞增长模型x (t )的曲线如图本世纪初人们曾用这个模型预报美国的人口.直到1930年计算结果都能与实际数据较好地吻合.后来的误差越来越大,一个明显的原因是到1960年美国的实际人口已经突破了用过去数据确定的最大人口容量x m .由此看来,这个模型的缺点之一是x m 不易准确地得到.事实上,随着生产力的发展和人们认识能力的改变,x m 也是可以改变的.4. 随机性人口模型上面讨论的人口模型都是确定性的,已知初始人口并且给定了生育率、死亡率等数据后,可以确切地预测未来的人口.但是事实上,一个人的出生和死亡应该说是随机事件,无法准确预测.之所以能用确定性模型描述人口的发展,是因为考察的是一个国家或地区的数量很大的人口,用对总数而言的平均生育率、死亡率代替出生、死亡的概率,将人口作为连续变量处理.如果研究对象是一个自然村落或一个家族的人口,数量不大、需作为离散变量看待时,就要利用随机性人口模型来描述其变化过程了.时刻t 的人口用随机变量)(t X 表示,)(t X 只取整数值.记)(t P n 为n t X =)(的概率,=n 0,1,2,…,下面要在对出生和死亡的概率作出适当假设的基础上,寻求)(t P n 的变化规律,并由此得出人口)(t X 的期望和方差,用它们在随机意义下描述人口的发展状况.模型假设 若n t X =)(,对人口在t 到t t ∆+的出生和死亡作如下假设(t ∆很小):1.出生一人的概率与t ∆成正比,记作t b n ∆;出生二人及二人以上的概率为)(t o ∆.2.死亡一人的概率与t ∆成正比,记作t d n ∆;死亡二人及二人以上的概率为)(t o ∆.3.出生与死亡是相互独立的随机事件.4.进一步设n b 和n d 均与n 成正比,记n b n λ=,n d n μ=,λ和μ分别是单位时间内1=n 时一个人出生和死亡的概率.建模与求解 为了得到)(t P n 的方程,考察随机事件n t t X =∆+)(.根据假设1—3,与出生或死亡一人的概率相比、出生或死亡二人及二人以上的概率,出生一人且死亡一人的概率均可忽略.这样,n t t X =∆+)(可以分解为仅仅三个互不相容的事件之和:1)(-=n t X 且t ∆内出生一人,其概率为t b n ∆;1)(+=n t X 且t ∆内死亡一人,其概率为t d n ∆;n t X =)( 且t ∆内人口未变,其概率为P {人口未变}=1-P{人口增加或减少1人}=t d t b n n ∆-∆-1.按照全概率公式有P {时刻t t ∆+有n 个人}=P {t ∆增加1人}P{时刻t 有n-1个人}+P {t ∆减少1人}P{时刻t 有n+1个人}+P {t ∆人口未变}P{时刻t 有n 个人}.即)1)(()()()(111t d t b t P t d t P t b t P t t P n n n n n n n n ∆-∆-+∆+∆=∆++-- (1)即)()()()()()(111t P d b d t P b t P tt P t t P n n n n n n n n n +-+=∆-∆++--令0→∆t ,可得关于)(t P n 的微分方程:)()()()(1111t P d b t P d t P b dtdP n n n n n n n n +-+=++-- (2) 特别地,在假设4(n b n λ=,n d n μ=)下方程为)()()()1()()1(11t nP t P n t P n dtdP n n n n μλμλ+-++-=+- (3) 若初始时刻(0=t )人口为确定数量0n ,则)(t P n 的初始条件为⎩⎨⎧≠==. ,0, ,1)0(00n n n n P n (4) (3)式对于不同的n 是一组递推方程,在条件(4)下的求解过程非常复杂,并且没有简单的结果.幸而,通常人们对(3)式的解)(t P n 并不关心,感兴趣的只是)(t X 的期望)}({t X E .以下简记期望)(t E )}({t X E =, 0)0(n E =,方差)(t D )}({t X D =. 0)0(=D .而它们可以由(3)、(4)直接得到,因为按照定义,∑∞==1)()(n n t nP t E (5)对(5)求导并将(3)代人得∑∑∑∞=∞=+∞=-+-++-=121111)()()()1()()1(n n n n n n t P n t P n n t P n n dt dE μλμλ (6) 注意到∑∑∑∞=∞=∞=-+=+=-1111)()1()()1()()1(n n k k n n t P n n t P k k t Pn n ∑∑∑∞=∞=∞=+-=-=+1111)()1()()1()()1(n n k k n n t P n n t P k k t Pn n 代入(6)式 ∑∑∑∑∞=∞=∞=∞=-=+--++=11211)()()()()()1()()1(n n n n n n n n t nP t P n t P n n t P n n dt dE μλμλμλ 利用(5)式,则有)()()()(1t E t nP dt dE n n μλμλ-=-=∑∞= (7) 由于0)0(n E = (8)显然,方程(7)在(8)下的解为rt t e n e n t E 0)(0)(==-μλ,μλ-=r . (9)这个结果与1.4节(3)式表示的指数模型rt e x t x 0)(= (10)形式上完全一致.从含义上看,随机性模型(9)中出生概率λ与死亡概率μ之差r 可称为净增长概率,人口的期望值)(t E 呈指数增长.在人口数量很多的情况下如果将r 视为平均意义上的净增长率,那么)(t E 就可以看成确定性模型(10)中的人口总数)(t x 了。