数学建模系列（2/4）：建模入门

引言

[1. 如何开始数学建模](#1. 如何开始数学建模)

[1.1 选择和描述问题](#1.1 选择和描述问题)

[1.2 提出基本假设](#1.2 提出基本假设)

[1.3 确定模型类型](#1.3 确定模型类型)

[2. 建模的数学基础](#2. 建模的数学基础)

[2.1 线性代数基础](#2.1 线性代数基础)

矩阵运算

线性方程组的解法

[2.2 微分方程基础](#2.2 微分方程基础)

常微分方程

偏微分方程

[2.3 统计与概率基础](#2.3 统计与概率基础)

描述性统计

概率基础

[3. 模型的求解方法](#3. 模型的求解方法)

[3.1 解析法](#3.1 解析法)

[3.2 数值法](#3.2 数值法)

[3.3 近似法](#3.3 近似法)

[4. 案例分析与实战演练](#4. 案例分析与实战演练)

案例：交通流模型

[4.1 问题识别和界定](#4.1 问题识别和界定)

[4.2 提出基本假设](#4.2 提出基本假设)

[4.3 模型的建立](#4.3 模型的建立)

[4.4 模型的求解与实现](#4.4 模型的求解与实现)

Matlab求解示例

[4.5 结果验证与分析](#4.5 结果验证与分析)

[4.6 模型优化与改进](#4.6 模型优化与改进)

结语

引言

在上一篇文章中，我们概述了数学建模的基本概念和重要性。本篇文章将详细讲解从零开始进行数学建模的过程，涵盖问题选择、假设提出、模型建立和求解的各个环节。通过具体的案例分析和代码示例，帮助读者掌握基础的建模技巧，迈出数学建模的第一步。

1. 如何开始数学建模

1.1 选择和描述问题

选择一个适合建模的问题至关重要。对于初学者，选择一个相对简单、明确且易于理解的问题有助于更快入门。例如，可以选择研究城市交通流量、环境污染扩散或股票价格波动等问题。

示例问题：研究城市某路口的交通流量，并优化信号灯的设置以减少等待时间。

1.2 提出基本假设

为了简化实际问题并使之可以数学化，需要提出一些合理的假设。这些假设应基于对问题基本特性的了解。

示例假设：

假设车辆按照一定速度匀速行驶。
车流量在观察期间恒定。
车辆遵守交通信号，不发生交通事故。

1.3 确定模型类型

选择合适的模型类型是建模的重要环节。常见的模型类型包括线性模型、非线性模型、动态模型和静态模型等。每种模型类型都有其适用范围和特点。

示例模型：

使用排队理论模型来描述车辆在路口的等待时间。
使用微分方程模型来描述车流密度和速度的变化。

2. 建模的数学基础

2.1 线性代数基础

矩阵运算

矩阵是描述线性系统的基本工具。常见的矩阵运算包括加法、乘法、转置和求逆等。

示例：矩阵乘法

线性方程组的解法

线性方程组是最常见的建模工具之一，常用的求解方法包括高斯消元法和LU分解法等。

示例：求解线性方程组

使用Matlab代码求解：

Matlab 复制代码

A = [2, 1; 1, 3];
b = [5; 6];
x = A \ b;

2.2 微分方程基础

常微分方程

常微分方程用于描述动态系统的变化，如人口增长、传染病传播等。

示例：人口增长模型

偏微分方程

偏微分方程用于描述空间和时间上变化的系统，如热传导、流体流动等。

示例：热传导方程

2.3 统计与概率基础

描述性统计

描述性统计用于总结和描述数据的特征，包括均值、中位数、方差和标准差等。

示例：计算均值和方差

概率基础

概率用于描述随机事件发生的可能性，包括常见的概率分布如正态分布、泊松分布等。

示例：正态分布

3. 模型的求解方法

3.1 解析法

解析法是指通过数学推导直接得到模型的解。常见的解析方法包括分离变量法、积分法等。

示例：分离变量法求解微分方程

3.2 数值法

数值法用于求解解析法无法解决的复杂模型。常见的数值方法包括欧拉法、龙格-库塔法、有限差分法等。

示例：欧拉法求解微分方程

3.3 近似法

近似法用于简化复杂问题，使其更易于求解。常见的近似方法包括泰勒级数展开、渐近展开等。

示例：一阶泰勒展开

4. 案例分析与实战演练

案例：交通流模型

4.1 问题识别和界定

研究城市某交通路口的车流情况，目标是优化交通信号灯设置以减少车辆的等待时间。

4.2 提出基本假设

车辆按照一定速度匀速行驶。
车流量在观察期间恒定。
车辆遵守交通信号，不发生交通事故。

4.3 模型的建立

使用排队理论模型描述车辆在路口的等待时间：

4.4 模型的求解与实现

Matlab求解示例

Matlab 复制代码

% Matlab代码示例
lambda = 10; % 车流量
T = 30; % 信号灯时长
L = (lambda^2 * T) / (2 * (1 - lambda * T));
disp(['平均等待时间：', num2str(L), '秒']);

4.5 结果验证与分析

将模型得到的结果与实际观测数据进行比对。如果误差较大，可能需要调整模型的参数或假设。例如，可以通过实地数据测量校正车流量参数。

4.6 模型优化与改进

通过调整信号灯的时长，提高车辆的通行效率。可以进行多个不同方案的数值模拟，比较其效果，选择最佳方案。

Matlab 复制代码

% 优化信号灯时长
best_T = 0;
min_waiting_time = inf;
for T = 10:1:60
    L = (lambda^2 * T) / (2 * (1 - lambda * T));
    if L < min_waiting_time
        min_waiting_time = L;
        best_T = T;
    end
end
disp(['优化后的最佳信号灯时长：', num2str(best_T), '秒']);

结语

通过本篇文章的详细讲解，读者应该了解了从零开始进行数学建模的基本步骤和方法。从问题选择、假设提出到模型建立和求解，这些内容为初学者打下了坚实的基础。