数学建模(一)

人们常常用数学(使用函数或方程)来描述世界中的某种现象:数学模型,就是对现实世界现象的理想化,但从不是完全精确的表示,任何数学模型都有其局限性,模型没有最好只有最适合,适合的模型可以提供有价值的结论和结果,本次学习内容将主要为:对变化进行建模。
数学模型:人们在对对象进行建模时,常常是为了预测未来某个时刻变量的值,例如模型的对象可能是人口、房价、传染病人数等,数学模型常常能帮助人们更好地了解对象地变化趋势以及内在属性,对于未来地分析与应对具有更好地辅助性。
图1 从实际数据开始地建模过程流程图
对变化进行建模:
未来值=现在值+变化;
变化=未来值-变化;
因此我们想要预测未来值就需要先研究变化。通过一段时间中实际问题所产生的数据,将该数据画成图形,通过对图形的研究,我们常常可以识别出能够抓住这种变化趋势的模式。如果这中行为是在离散时间段上发生的,那么就主要采用差分方程的方法进行建模;若该行为是在连续时间上发生的,就可以采用微分方程进行建模。

1.1用差分方程对变化进行建模
在本节中主要通过差分方程方法以了解变化发生的原因和形式,分析不同的条件对行为的影响并且去预测未来值。
定义:
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例1:储蓄存款类问题
假设本金为1000元的储蓄存单在月利率1%的条件下进行增值,下面的数值表示在该利率下每月的价值:
A={1000,1010,1020.10,1030.30,***}其一阶差分为:
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注:一阶差分表示在一个时间周期里数列的变化,在该例子中表示的就是所得利息。在对发生在离散时间段上的变化的建模是有很大帮助的,在此例子中,从本月到下一个月变化的仅仅是所得的利息,如果n是月数而an是n个月后存储的总价值,那么每个月价值的变化由第n个分差:
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这其中an是n个月后利息累计总值,上述方程可以表示为无穷个代数方程,称为动力系统,动力系统可以描述从一个周期到下一个周期的变化,如果已知该序列中的某一项,就可以通过差分方程算出下一项。
如果再对该例子进行变化,在上述例子中,如果每月从账户中提取50元,那么一个周期里的变化就应该是该周期里利息减去存款:
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在大多数例子中,用这种数学方式描述变化不会像这种例子一样准确,常常需要画出变化,观察模式,然后用数学术语来描述变化:变化=Δan=某个函数f;或者是变化=Δan=an+1-an=f;用这种方式进行变化建模,就需要决定或者近似决定表示该变化的函数f。

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