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數學建模的一般步驟
模型準備
要建立現實問題的數學模型,首先要對需要解決的問題有一個清晰的提法,即要明確研究解決的問題是什么?建模所要達到的主要目的是什么?
通常,當我們遇到某個實際問題時,在開始階段對問題的理解往往不是很清楚,因此需要深入實際進行調查研究,收集與研究問題有關的信息、資料,并與熟悉情況的有關人員進行討論,查閱有關的文獻資料,明確問題的背景和特征。由此初步確定它可能屬于哪一類模型等。
總之,要做好建模前的準備工作,明確所要研究解決的問題和建模要達到的主要目的。
模型假設
對所研究的問題和收集的信息資料進行分析,弄清楚哪些因素是主要的、起主導作用,哪些因素是次要的,并根據建模的目的抓住主要的因素,忽略次要的因素,即對實際問題做一些必要的簡化,用精確的語言做出必要的簡化假設。
應該說這是一個十分困難的問題,也是建模過程中十分關鍵的一步,往往不可能一次完成,需要經過多次反復才能完成。
模型構成
在前述工作的基礎上,根據所作的假設,分析研究對象的因果關系,用數學語言加以刻畫,就可得到所研究問題的數學描述,即構成所研究問題的數學模型。
通常它是描述問題的主要因素的變量之間的一個關系式。在初步構成數學模型之后,一般還要進行必要的分析和化簡,使它達到便于求解的形式,并根據研究的目的對它進行檢查,主要是看它能否代表所研究的實際問題。
模型求解
選擇合適的數學方法求解經上述步驟得到的模型。在多數情況下,我們很難獲得數學模型的解析解,而只能得到它的數值解,這就需要應用各種數值方法、軟件和計算機,包括各種數值優化方法、線性和非線性方程組的數值方法、微分方程(或方程組)的數值解法、各種預測、決策和概率統計方法等,以及各種應用軟件系統。
當現有的數學方法還不能很好解決所歸納的數學問題時,就需要針對數學模型的特點,對現有的方法進行改進或提出新的方法以適應需要。
模型分析
對求解結果進行數學上的分析,如結果的誤差分析、統計分析、模型對數據的靈敏度分析、對假設的強健性分析等。
模型檢驗
把求解的分析結果翻譯回到實際問題,與實際的現象、數據比較,檢驗模型的合理性和適用性。如果結果與實際不符,應該修改、補充假設,重新建模。
模型應用
模型應用就是把經過多次反復改進的模型及其解應用于實際系統,看能否達到預期的目的。若不夠滿意,則建模任務仍未完成,尚需繼續努力。
應當指出,并不是所有問題的建模都要經過這些步驟,有時各步驟之間的界限也不那么分明,建模時不要拘泥于形式上的按部就班。