《數學建模講義》內容分為初等模型、概率模型、微分方程模型、離散模型等章節(jié),充分展現了數學的廣泛應用。全書后面部分還介紹了數學建模的規(guī)范、常用軟件,以及數學建模競賽的情況介紹等,這些都是供讀者參考的有價值的資料。第二版修訂增加了一些內容,主要考慮教學和競賽準備,內容不求多全,但求適合,主要著力于建模思想和相關技能,授人以漁。
《數學建模講義》具有可讀性強、啟發(fā)性高的特點。此外,它適合教學、緊貼計算機的發(fā)展應用、注重文化內涵、文字通順優(yōu)美、有不少配圖,還請漫畫家為該書配漫畫。這也是作者推廣數學建模與數學文化的一個嘗試。
數學科學的產生與發(fā)展始終和解決諸如天文學、物理學、生物學、經濟和管理中的實際問題緊密相連,互相促進,共同發(fā)展,推動著人類社會的不斷前進。而數學建模正是用數學來解決各種實際問題的橋梁。數學模型(Mathematical Model)是用數學符號對一類實際問題或實際發(fā)生的現象的(近似的)描述;而數學建模(Mathematical Modeling)則是獲得這種模型并對之求解、驗證并得到結論的全過程。數學建模不僅是為了了解基本規(guī)律,而且從應用的觀點來看,更重要的是有可能成為預測和控制所建模系統(tǒng)行為的強有力工具。概括而言,數學建模的關鍵步驟或難點就是: 合理假設、建立問題和解釋驗證。
數學建模的思想和方法古已有之,大凡用數學去解決各種問題都要經由數學建模的途徑。牛頓的萬有引力理論就是最偉大數學建模的范例。然而,數學建模這個名詞的普及和流行則是從20世紀下半葉才開始的。其重要原因就是之前不能迅速、數值準確地求解出相應的數學問題。而20世紀下半葉計算機、計算的速度和精度、計算方法和技術以及數學軟件的迅速發(fā)展,為用數學建模的思想和方法去解決各種各樣的實際問題,創(chuàng)造了條件,這也對教育改革產生了極大的影響。將近20年前,由美國科學院院士A. Friedman和J. Glimm領頭編寫的調研報告《新興制造技術和管理實踐中的數學和計算科學》Friedman A, Glimm J, Lavery J. The mathematical and computational sciences in emerging manufacturing technologies and management practices [R].//SIAM Report on Issues in the Mathematical Sciences. SIAM, 1992: 6263. 中正確地指出: 一切科學和工程技術人員的教育必須包括數學和計算科學的更多的內容。數學建模和與之相伴的計算正在成為工程設計中的關鍵工具?茖W家正日益依賴于計算方法,而且在選擇正確的數學和計算方法以及解釋結果的精度和可靠性方面必須具有足夠的經驗。對工程師和科學家的數學教育需要變革以反映這一新的現實。事實正如此,數學建模教學正在全世界大學生和研究生中逐步開展。
在我國,一些有識之士早在20世紀80年代初就在一些大學里開始了數學建模的教學,并致力在全國推廣。我國的大學生參加美國大學生數學建模競賽以及1992年開始舉行的由教育部高等教育司和中國工業(yè)與應用數學學會聯合主辦的全國大學生數學建模競賽,極大地推動了我國大學的數學教育改革。特別是數學建模和數學實驗課程的建設和發(fā)展以及出版了不少高水平的教材,為培養(yǎng)具有創(chuàng)新和競爭能力的大學畢業(yè)生做出了巨大貢獻。
由梁進教授等作者編著的本書是他們在同濟大學數學建模課程的多年教學和輔導大學生參加美國和我國的大學生數學建模競賽經驗積累的基礎上的總結。本書有許多值得我們仔細研究的優(yōu)點。最重要的是本書緊緊抓住數學建模的全過程,而不是求全、求深,通過能夠吸引大學生的實際問題的教學和學生的實踐使學生真正掌握數學建模的思想和方法。本書語言敘述優(yōu)美、通俗易懂,能使人在享受中學習到嚴格的數學推理及其解決實際問題的能力。本書不僅有許多重要的案例,更有資料查詢、數據的收集和處理、數學軟件應用簡介、數學建模的評價和分析等內容。特別是有專門的一章講述數學建模論文的寫作和講演,這種強調是非常值得稱道的。就筆者自己的學習經驗而言,自己認為看懂了的東西,當你要確切地寫下來時往往會意識到自己有的地方沒有弄懂,因而寫不清楚,必須進一步仔細考慮。當你向他人報告,特別是受到質疑時,你往往又會感到還有沒弄明白的地方,必須更深入地思考清楚來回答他人的質疑。這是一種真正全方位培養(yǎng)和提高學生能力的方法。筆者認為本書的出版必將對我國的數學建模教學做出新的貢獻。同時也衷心祝愿梁進教授等同仁在今后的數學建模教學中取得更好的成績。
梁進:教授,數學系金融數學博士生導師,1989年榮獲北京大學理學博士學位,隨后在英國取得金融數學MSc學位,曾在葡萄牙、法國、德國和英國的幾所研究所和大學從事應用數學的研究工作。2005年回國后從事金融衍生品和信用風險的研究,其所授課程為國家精品課程,在國內外核心雜志發(fā)表學術論文50余篇。此外,還組織學生參加數學建模競賽。陳、張、項為同系同事。
序
第二版前言
前言
第1篇數學建模的方法1
第1章初等模型3
1.1圖解法 / 3
1.2最小二乘法擬合 / 4
1.3狀態(tài)轉移法 / 13
1.4簡單公式席位分配問題 / 15
1.5類比比例法 / 22
1.6習題 / 23
第2章概率統(tǒng)計問題25
2.1概率問題犯罪夫婦的認定 / 25
2.2隨機過程問題I馬爾可夫鏈 / 27
2.3隨機過程問題II金融期權的二叉樹方法定價* / 31
2.4數學模擬與Monte Carlo方法 / 34
2.5元胞自動機 / 45
2.6習題 / 48
第3章數學規(guī)劃問題50
3.1線性規(guī)劃模型的建立 / 51
3.2線性規(guī)劃的一般定義 / 60
3.3線性規(guī)劃的理論解法* / 61
3.4線性規(guī)劃的軟件包解法 / 69
3.5應用 / 78
3.6非線性規(guī)劃* / 82
3.7習題 / 86
第4章離散模型90
4.1簡單圖論 / 90
4.2對策問題 / 95
4.3層次分析法 / 100
4.4合理分配效益的Shapley方法 / 104
4.5球隊排名問題 / 110
4.6習題 / 120
第5章微分方程模型122
5.1差分方程斐波那契兔子與特拉法爾加戰(zhàn)役 / 124
5.2常微分方程人口模型 / 130
5.3微分方程組I戰(zhàn)爭模型 / 136
5.4微分方程組II傳染病模型 / 141
5.5反問題* / 145
5.6微分方程差分方法和Matlab 解方程簡介 / 148
5.7習題 / 150
第6章優(yōu)化模型*153
6.1微積分方法尋求最優(yōu)點 / 153
6.2隨機優(yōu)化模型小商販海鮮進貨問題 / 161
6.3簡單變分問題最短距離問題 / 164
6.4自由邊界問題障礙問題* / 165
6.5動態(tài)優(yōu)化賽跑的體力分配* / 168
6.6變分理論簡介* / 173
6.7習題 / 177
第2篇數學建模的相關問題181
第7章資料查詢、數據處理、公式編輯、圖表制作及其他應用軟件183
7.1資料查詢 / 183
7.2數據的搜集和處理 / 184
7.3數學公式編輯 / 185
7.4繪圖 / 186
7.5制表 / 187
7.6數學軟件Matlab簡介 / 187
7.7其他數學軟件包簡介 / 191
7.8統(tǒng)計軟件包簡介 / 192
第8章建模論文的寫作與演講199
8.1論文撰寫 / 199
8.2口述和演講 / 203
第9章數學建模的驗證、分析和評價204
9.1模型的評價原則 / 204
9.2模型的驗證 / 205
9.3模型的分析 / 209
9.4建模論文的評判 / 213
第10章數學建模競賽簡介216
參考文獻222
附錄相關網站226