1. 准备阶段:在数学建模过程中,首先需要理解问题的实际背景,明确建模的目标。搜集必要的信息,并尽可能了解对象的特征。
2. 假设阶段:基于对问题的理解,对问题进行必要的简化,并作出精确的假设。这一步骤是建模过程中至关重要的一环。如果对所有因素都进行考虑,会导致建模过程变得复杂。因此,建模者需要运用想象力、洞察力和判断力,辨别主次,并尽可能使问题线性化、均匀化,以便于处理。
3. 构建阶段:在假设的基础上,分析对象的因果关系,利用内在规律和适当的数学工具,构建量之间的等式关系或其他数学结构。在这一阶段,可以运用图论、排队论、线性规划、对策论等多种数学工具。但应记住,建模的目的是为了让更多人理解和应用,因此选择简单有效的工具更为重要。
4. 求解阶段:使用传统的和现代的数学方法,如解方程、画图、证明定理、逻辑运算和数值运算等,特别是计算机技术,对模型进行求解。在解决实际问题时,往往需要进行复杂的计算,并利用计算机进行模拟。因此,编程和熟悉数学软件包的能力非常重要。
5. 分析阶段:对模型的解答进行数学上的分析。细致精当的分析能够使模型达到更高的水平。无论何种情况,都需要进行误差分析和数据稳定性分析。
数学建模的主要方法包括:
1. 机理分析法:根据对客观事物特性的认识,从基本物理定律和系统结构数据推导出模型。
- 比例分析法:建立变量之间函数关系的基本方法。
- 代数方法:求解离散问题的重要方法。
- 逻辑方法:在决策、对策等学科中得到广泛应用。
- 常微分方程:解决两个变量之间变化规律的关键方法。
- 偏微分方程:解决多个变量之间变化规律的方法。
2. 数据分析法:通过对数据的统计分析,找出与数据拟合最好的模型。
- 回归分析法:处理静态独立数据的方法。
- 时序分析法:处理动态相关数据的方法。
3. 仿真和其他方法:
- 计算机仿真(模拟):等效于抽样试验,用于离散系统仿真和连续系统仿真。
- 因子试验法:在系统上进行局部试验,然后根据试验结果进行分析修改,以得到所需的模型结构。
- 人工现实法:基于对系统过去行为的了解和对未来目标的期望,考虑系统相关因素的可能变化,人为地组成一个系统。