小白攻略(一):数学建模是什么,为什么,怎样做?

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小白攻略(一):数学建模是什么,为什么,怎样做?

2024-01-19 15:04| 来源: 网络整理| 查看: 265

一.引言

数学建模协会,建立于2020年5月份,其创立目的,在于数学建模的科普以及本校建模选手的培养选拔,属于专业类社团。

本博客撰写的目的,一来,旨在以通俗的语言、精炼的文字,更好的推动课程进展和巩固教学内容;二来,则希望通过此方式,将本协会一家之观点及经验,与诸位建模同道及网友交流分享,供诸君学习或批判。

此为本协会系列博客的首篇,之后还可创造多少,又能创造多少,皆为未知之数。数学建模是一门综合性极强的活动,身处其中,便学无止境,正所谓“路漫漫其修远兮,吾将上下而求索”,建模不息,学而不止。

最后,笔者作为协会创始人,望学弟学妹传承本协会无私奉献与精益求精的精神,在发展充实自己的同时,助我们的组织“得穷千里目,更上一层楼”。

二.数学建模是什么 1.什么是数学模型

之所以把解释数学模型放在这,怕的就是有小白像我当初一样,在还未接触时就被“数学建模”几个字给吓跑,以为这是多么高大上而遥不可及的高科技。

数学建模是个动词,动是为了建个模型。这个模型可以很难也可以很简单,诸位在义务教育阶段,便接触过一类简单的数学模型,即函数模型。

相信大家初中都做过这类应用题:

已知小明一家一年前6个月各月份的用水量,问7月份用水量可能值。

一般情况下,给出的数据都是符合一次或二次函数的,你只需要代入点坐标,求解出函数方程式,再代入x=7求解即可。

同志,这就是数学建模啊,一次函数、二次函数、N次函数、对数函数等等各种函数,当它们被赋予实际意义,求解确定了各系数常数的值时,它就变成了一个名副其实的数学模型,而你求解这个函数方程式的过程,即可定义为数学建模。

虽然这是最简单的方法,最简单的模型,最简单的思想,但是你已经成功的利用数学方法解决了一个实际问题,虽然那时的你并没有数学建模的概念,但却已经不知不觉的参与其中了。

数学模型从来不是一个模糊而又遥远的概念,它虽然未被提及,但确确实实的存在于我们的学习中。

2.数学建模的思想

“树上有十只鸟,开枪打死一只,还剩几只”

这是小学数学一道常见的简单应用题。答案也显而易见:

10-1=9(只)

还剩9只。如果读者仅以小学水平的算数思想审视题设,那么得出该结论是必然且准确的。

但如果以数学建模的思想审视题设,是否会得出不一样的结论呢?

依笔者之愚见,当我们抱着怀疑的眼光去审视题设,以普罗大众之常有的观点,至少可以提出以下几个问题:

“打鸟的枪是无声的枪吗?”“枪声有多大?”“树上的鸟里有没有聋子,或者说该种鸟类听力是否正常?”“有没有关在笼子里的,或者说有没有被限制行动能力的鸟”“有没有残疾的或饿的飞不动的鸟?”“有没有傻的不怕死的?”“会不会一枪打死两只?”

此类问题可续写很多,看似天马行空,甚至是鸡蛋里挑骨头,但我们不得不承认其存在的可能性和合理性。既然可能,既然合理,那么在某些更高层次的纬度下,我们就不得不去考虑其影响,以及针对影响进行分析和判断,进而给出解答。

从不同的角度思考一个问题,想尽所有的可能,合理的假设,利用数学手段去穷尽那万分之一的可能,以求无限的逼近真实情况,这就是数学建模的思想。

3. 数学建模的目的

数学建模,就是根据实际问题来建立数学模型,对数学模型来进行求解,然后根据结果去解决实际问题。

以上定义是笔者于百度百科摘抄于此,简而言之,一句话,数学建模就是为了解决实际问题而存在,例如上文所述的“打鸟”,我们完全可以通过建立数学模型的手段,对上文所提出的7个问题予以一定程度的解答。

三.我们为什么学习它 1.建模就是为了比赛

有些同学觉得,学习数学建模的目的就是为了提高一下自己的数学水平,或是丰富自己的课余生活。

我不以为然,既然涉足一个新的领域,就该全力投入,并去相对应的、符合自己实力等级的专业赛事之中锻炼和证明自己,正所谓“要么不做,要做就做最好”。

笔者认为,建模无论学习还是实践,都该带着一定功利心,这将是你坚持下去和刻苦钻研最直接的动力来源。

数学建模对大多数同学来说,都不是一件快乐的事,痛苦的薅头发,是笔者建模过程的常态,有时甚至难免粗鄙之语发泄情绪。

但即便如此,仍不舍昼夜,笔者动力的来源,便是对国赛“高教社杯”的渴望,虽不能及,心向往为。

2.“高教社杯”全国大学生数学建模竞赛

对于同笔者一样,学历和学力均一般的本科学弟学妹,笔者以为“高教社杯”国赛,当是你学习建模最主要的目的。

国赛,由教育部高等教育司与中国工业与应用数学学会共同主办,实行类似“赛区——决赛”制度:省划分分赛区,分赛区由当地大学和省教育厅共同承办,分赛区省一等奖按比例向全国赛推荐,参加全国赛评审。

国赛是由教育部认定的国家级A类竞赛,至今已举办近30余年,2020年全国共计20余万大学生参与。如果你成功的打入全国赛,那么恭喜你,你将获得与清华北大的高材生同台竞技的机会。此项赛事的成功获奖,既是对自己建模能力的肯定,同时也将成为诸位今后找工作亦或是考研的重要加分项。

四.如何下手

对于建模的怎么做部分,笔者沉思良久,在此,重申两点:

首先,此文主要目的在于科普,而非精进或是进阶,亦不是建模学习的“千金良方”;

其次,正如列宁所言“马克思主义不是算命先生,我们不能开出一张包治百病的药方。”,笔者对建模虽有热情但碍于能力水平,只能解决和分享笔者能力范围之内的问题。所分享经验难免多有纰漏,望诸君多加爱护和指正,笔者愿闻其详。

1.编程能力很重要

从长远的角度看,如果诸君有意发展完善饱满的建模能力水平,那么对于编程能力的培养和提升,是必不可少的。

数学建模竞赛,越来越看重学生通过编程解决问题的能力,是毋庸置疑的事实。依笔者之愚见,这主要是因为,程序设计的核心——算法,与数学模型确实有异曲同工之妙,甚至可以看做双生子;其次在于数学模型的计算和求解,有时碍于其计算量的庞大,利用计算机编写程序来完成是必不可少的。

在编程语言的选择上,笔者认为,好用会用即可。但如果你是小白,需要从0开始,那么Python一定是一个好的选择,Python的语法简洁,对初学者而言更易上手,且更适合数学建模的应用场景;同时Python拥有numpy等诸多数学相关第三方开源模块,其功能完善和丰富程度并不逊色与MATLAB。

2.纯粹的数据分析

在建模国赛中,C题往往是数据分析类,2020年C题“中小微企业信贷策略”便是典型。如果你备赛时间紧张,没有足够的时间去磨炼编程技艺或精研各类算法,笔者的建议是多花些精力,去研究一个名为SPSS的软件。

对于这个软件,你只需要花时间搞明白,它的各项功能分别对应着可以去分析哪一类问题,例如“因子分析适合对多个有关联性的变量进行降维提取,总结出一个可以代表这多个变量的新因子”。

以及要搞明白,程序分析后输出的各项数据及表格分别是啥意思,你可以根据这个数做出哪些判断。例如“KMO取样适切性量数(KMO统计量)用于判断这几个变量是否适合进行因子分析,其值取0~1,0.5以下不适合进行因子分析,0.5以上越大越好”。

同时,针对这些算法,收集并整理其数学理论的原理公式。在论文撰写过程中,将原理公式及SPSS的操作结果相结合。

当你按照这种模式掌握了其中7~10个分析方法后,想来依靠自己的想法,针对数据分析类的c题完成一篇建模论文应该是不成问题。这样的做法虽然有“偷鸡”搞语文建模之嫌,但是比赛毕竟也是应试,在论文重复率合乎标准的前提下,一定的应试技巧,也是合理的。



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