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数学建模模型速查

2026-10-24
2026-10-24
文章摘要
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1. 对变化建模

1.1 比例性

变量 x,y 互成比例,可以建模为

y=kx

例如: 弹簧系统

1.2 差分方程

两个时间段的值的差值等于上一刻值的线性或者非线性函数,表示变化量大小

a_{n+1}-a_n=\sum_{i=0}^{m} r_i a_n^i

例子:

  1. 储蓄
    a_{n+1}-a_n=0.01a_n
    0.01 为年化收益
  2. 贷款
    a_{n+1}-a_n=0.01a_n-100
    0.01 为每年利息比率, 100 每年还款数
  3. 生物种群生长
    a_{n+1}-a_n=a_n(300-a_n)
    种群在 a_0 开始增长,增长到 300 时增长率为 0

1.3 动力系统

这一个时间刻的值为上一时间刻的倍数

a_{n+1}=ra_n+b

当 |r|>1 时发散(长期行为为稳定平衡点);
|r|=1 时看情况(长期行为为不稳定平衡点,为直线);
|r|<1 时收敛(长期行为为不稳定平衡点)
当 n\to\infty 时,如果 |r|<1 ,

\lim_{n\to\infty}a_n=\frac{b}{1-r}

当 r\neq1

a_k=r^kc+\frac{b}{1-r}

例子:

  1. 储蓄
    a_{n+1}=1.01a_n
    0.01 为年化收益
  2. 贷款
    a_{n+1}=1.01a_n-100
    0.01 为每年利息比率, 100 每年还款数
    非线性方程组:
a_{n+1}=r(1-a_n)a_n

1.4 差分方程组

设 O_{n+1} 为 O_n,T_n 的线性表达式, T_{n+1} 同理

\begin{aligned} O_{n+1}&=a_{11}O_n+a_{12}T_n\\ T_{n+1}&=a_{21}O_n+a_{22}T_n\\ \end{aligned}

要找到他们的平衡点,即让 O_{n+1}=O_{n},T_{n+1}=T_{n} ,得

\begin{aligned} \begin{bmatrix} a_{11}-1 & a_{12}\\ a_{21} & a_{22}-1 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} O \\ T \end{bmatrix} &= \begin{bmatrix} 0 \\ 0 \end{bmatrix} \end{aligned}

然后就能解得 O,T 之间的关系了
当然,也有非线性的差分方程组,也是一样的,把 n 去掉,然后让他们全相等就能求解

2. 模型拟合

2.1 切比雪夫近似准则

我们有一组参数 \{x_1,\cdots,x_i,\cdots,x_n\},\{y_1,\cdots,y_i,\cdots,y_n\} ,以及一个拟合函数 f(x) ,我们要使得最大偏差最小,即

\min_{f}\left\{\max_i\left|y_i-f(x_i)\right|\right\}

用线性规划算法求解

\min r\\ -r \leq |y_i-f(x_i)| \leq r \quad i=1,\cdots,n

2.2 极小化绝对偏差之和

\min_f\sum_i\left|y_i-f(x_i)\right|

2.3 最小二乘法

我们希望有一组参数,能够使得 \mathbf{X}\mathbf{a} 与 \mathbf{b} 距离最近
其中 \mathbf{X}, \mathbf{b} 是给出的量, \mathbf{a} 是要求的量
它的算法是 \mathbf{X}\mathbf{a}-\mathbf{b} 向量与 \mathbf{X} 每一列向量正交,令 \mathbf{X}=[\mathbf{x}_1,\cdots,\mathbf{x}_j,\cdots,\mathbf{x}_n],即

\mathbf{x}_j\cdot(\mathbf{X}\mathbf{a}-\mathbf{b})=0\\ \mathbf{x}_j^\top(\mathbf{X}\mathbf{a}-\mathbf{b})=0

整合得到

\mathbf{X}^\top\mathbf{X}\mathbf{a}=\mathbf{X}^\top\mathbf{b}

3. 实验建模

找到合适的曲线,去拟合数据

3.1 单项式

-\frac{1}{z^k},-\frac{1}{z},-\frac{1}{z^{-k}},\log z,z^{-k},z,z^k\quad k=1,\cdots,n

3.2 高阶多项式

找到 a_j 参数,使得 y_i 与 x_i 能相等,然后中间插上合理的值

y_i=\sum_{j=0}^m a_jx_i^j \quad i=1,\cdots,n

3.2.1 拉格朗日多项式

当有 \{x_1,x_2,x_3,x_4\}, \{y_1,y_2,y_3,y_4\} 考虑三次多项式

\begin{aligned} P_3(x)= &\frac{(x-x_2)(x-x_3)(x-x_4)}{(x_1-x_2)(x_1-x_3)(x_1-x_4)}y_1\\ &+\frac{(x-x_1)(x-x_3)(x-x_4)}{(x_2-x_1)(x_2-x_3)(x_2-x_4)}y_2\\ &+\frac{(x-x_1)(x-x_2)(x-x_4)}{(x_3-x_1)(x_3-x_2)(x_3-x_4)}y_3\\ &+\frac{(x-x_1)(x-x_2)(x-x_3)}{(x_4-x_1)(x_4-x_2)(x_4-x_3)}y_4 \end{aligned}

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