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数学模型实验指导书
2013-11-19     来源:   作者:网站管理员   查看:1964  

实验名称:人口模型

实验指导

请先回顾教科书MATLAB图、求解方程和拟合的相关内容;了解人口预报问题、掌握指数增长模型(马尔萨斯人口模型)和阻滞增长模型(Logistic模型);了解拟合的相关内容. 如:掌握使用help命令help lsqcurvefit;使用命令DSOLVE Symbolic solution of ordinary differential equations,格式为DSOLVE('eqn1','eqn2', ...),例子:

>> dsolve('Dx=a*x+x^2','t') % ans=a/(-1+exp(-a*t)*C1*a)

使用命令LSQCURVEFIT solves non-linear least squares problems.

格式为X=LSQCURVEFIT(FUN,X0,XDATA,YDATA)

例子:用函数F = x(1)*sin(xdata)+x(2)拟合下面的数据的程序为:

     FUN can be specified using @:

         xdata = [5;4;6];          % example xdata

         ydata = 3*sin([5;4;6])+6; % example ydata

         x = lsqcurvefit(@myfun, [2 7], xdata, ydata)

     where MYFUN is a MATLAB function such as:

         function F = myfun(x,xdata)

        F = x(1)*sin(xdata)+x(2);

 

实验名称:MATLAB作图

实验指导

在开始本实验之前, 请回顾教科书MATLAB作图的相关内容, 了解心型线、星型线、双纽线和四叶玫瑰线的图形的代数表达式子(心型线: ; 星型线: ;  双纽线: ; 四叶玫瑰线: )、掌握二维和三维作图以及熟悉图形处理中的相关内容. 如掌握polarplot画图,subplot分割图形,熟悉title()函数显示图形名称.

 

实验名称:投资收益和风险

实验指导

在开始本实验之前, 请回顾教科书MATLAB图、求解线性规划的相关内容,

模型:min z=cX    

       VLBXVUB

应该使用命令:[1] x=linprogcAbAeq,beq, VLBVUB

         [2] x=linprogcAbAeq,beq, VLBVUB, X0

 

实验名称:整数线性规划

实验指导

在开始本实验之前, 请回顾教科书整数线性规划的相关内容,如:割平面法和分枝定界法,穷举法. 掌握使用软件包解决整数线性规划,如数学建模工具箱:lpint(f,G,h,lb,ub,x,n,id)%整数线性规划分枝定界法,可求解线性全整数或线性混合整数规划。

 

实验名称:微分方程模型

实验指导

请先回顾教科书MATLAB图、求解微分方程的相关内容,如欧拉法,龙格-库塔法线性多步法等方法。 了解微分方程的定性分析,了解Volterra模型: 的实际背景,掌握用Matlab软件求常微分方程的数值解,格式为:

[tx]=ode45(‘f’,ts,x0,options)

例子: 变为一阶微分方程组:

建立m-文件vdp1000.m如下:

    function dy=vdp1000(t,y)

dy=zeros(2,1);    dy(1)=y(2);    dy(2)=1000*(1-y(1)^2)*y(2)-y(1);

t0=0,tf=3000,输入命令:

[T,Y]=ode45('vdp1000',[0 3000],[2 0]);plot(T,Y(:,1),'-')

 

实验名称:山区地貌

实验指导

请回顾教科书插值的方法的相关内容, 如:最近邻点插值、双线性插值方法和双三次插值方法;掌握用Matlab解插值问题,格式为:z=interp2(x0,y0,z0,x,y,’method’)

插值方法

‘nearest’   最邻近插值

‘linear’   双线性插值

‘cubic’    双三次插值

缺省时,  双线性插值

要求x0,y0单调;xy可取为矩阵,或x取行向量,y取为列向量,x,y的值分别不能超出x0,y0的范围。

例子:

输入以下命令:

x=1:5;y=1:3;temps=[82 81 80 82 84;79 63 61 65 81;84 84 82 85 86];mesh(x,y,temps)

以平滑数据,xy方向上每隔0.2个单位的地方进行插值.再输入以下命令:

xi=1:0.2:5;yi=1:0.2:3;zi=interp2(x,y,temps,xi',yi,'cubic');mesh(xi,yi,zi)

 

实验名称:物资调运问题

实验指导

掌握Lingo 软件的基本使用方法:(1) Lingo 入门 (2) Lingo 中使用集合 (3) 运算符和函数 (4) Lingo 的主要菜单命令。了解Lingo 的操作环境,Lingo 软件能求解的优化模型,熟悉Lingo中使用集合,运算符和函数的相关命令及主要的菜单命令。使用Lindo的一些注意事项

1.         >”与“>=”功能相同

2.         变量与系数间可有空格(甚至回车),但无运算符

3.         变量以字母开头,不能超过8个字符

4.         变量名不区分大小写(包括关键字)

5.         目标函数所在行是第一行,第二行起为约束条件

6.         行号自动产生或人为定义,以“)”结束

7.         !”后为注释。

8.         在模型任何地方都可以用“TITLE”对模型命名

9.         变量不能出现在一个约束条件的右端

10.     表达式中不接受括号和逗号等符号

11.     表达式应化简,如2x1+3x2-4x1应写成-2x1+3x2

12.     缺省假定所有变量非负,可在模型“END”语句后用“FREE name”将变量name的非负假定取消

13.     可在“END”后用“SUB”或“SLB”设定变量上下界。例如:“sub x1 10表示“x1< ="10

14.     END”后对0-1变量说明:INT nINT name

15.     END”后对整数变量说明:GIN nGIN name

掌握Lingo 软件用于求解优化模型: (1) Lingo 求解背包问题,配对问题的0-1 规划模型;(2) Lingo 求解配料问题的整数规划模型。掌握用Lingo 软件求解背包问题,配对问题等0-1 规划模型,求解配料问题等整数规划模型,熟悉典型的程序结构。

设置目的:本实验旨在训练学生建立较复杂问题的数学模型的能力,并理解最优化方法在解决实际问题中的重要作用。

  • 实验要求:
    • 建立所提问题的数学模型。
    • 使用相关软件对模型求解。
    • 分析所得方案的灵敏度并给出实际含义。
  • 实验步骤:
    • 提出合理假设、设计符号并建立模型。
    • 熟悉相应软件,做好模型求解的准备工作。
    • 上机计算并分析解的灵敏度及实际含义。
  • 问题详述:

某公司有两个工厂,四个仓库,工厂单一生产某种产品,工厂和仓库均可向所辖的50个客户供货,由于经营需要,公司拟对仓库作适当变更,变更的内容是指:可对1号库扩容;可在已选定的地址上新建一个仓库;可关闭2号或3号仓库。公司不主张仓库的个数超过4个。由于向客户供货和仓库改建的运费均由公司负担,故需建模为公司选择方案。如果可能,应将所建成模型推广为适应于类似地更一般情形下的方案选择。

注:本实验所需的数据由任课教师在布置实验时给出。

  • 实验总结

本问题建模的重要技巧之一是0-1变量的引入,应由此提醒学生在建模中注意变量引入的技巧。另外,实际问题中的有些约束条件是由问题自身的属性所决定的,并不在问题的表达中明显表示出来,但它可能对模型的好坏起着重要作用。这提醒建模者在建模过程中要对问题作深入细致的分析。

 

实验:公路路线设计

  • 设置目的: 训练学生运用插值方法处理数据并解决实际问题的能力。
  • 实验要求:
    • 给出题给数据所表示的地形的拟合曲面。
    • 给出满足题目要求的全部结果。
    • 将所做工作写成一篇论文。
  • 实验步骤:
    • 理解题目,熟悉数据。
    • 拟定拟合曲面的运算方案。
    • 建立设计公路线路的数学模型并求解。
    • 写出论文并分组讨论。
  • 问题详述:

要在一山区修建公路,首先测得一些地点的高程,数据见表2(平面区域粉 ,表中数据为坐标点的高程,单位:米)。数据显示:在 处有一东西走向的山峰;从坐标(24002400)到(48000)有一西北至东南走向的山谷;在(20002800)附近有一山口湖,其最高水位略高于1350,雨季在山谷中形成一溪流。经调查知,雨量最大时溪流水面宽度 与溪流最深处的坐标 的关系可近似表示为

公路从山脚(0800)开始,经居民点(40002000)至矿区(20004000)。已知路段工程成本及路线坡度 (上升高度与水平距离之比)的限制如表1

  • 试给出一种线路设计方案,包括原理、方法及比较精确的线路位置(含桥梁、隧道),并估计该方案的总成本。
  • 如果居民点改为 的居民区,公路只须经过居民区即可,那么你的方案有什么改变。

1

工程种类

一般路段

桥梁

隧道

工程成本

(元/米)

300

2000

1500(长度≤300),3000(长度≥301

对坡度 的限制

<0 .125

=0

<0 .100

 

  表2

x

y

0

400

800

1200

1600

2000

2400

2800

3200

3600

4000

4400

4800

5200

5600

0

370

470

550

600

670

690

670

620

580

450

400

300

100

150

250

400

510

620

730

800

850

870

850

780

720

650

500

200

300

350

320

800

650

760

880

970

1020

1050

1020

830

800

700

300

500

550

480

350

1200

740

880

1080

1130

1250

1280

1230

1040

900

500

700

780

750

650

550

1600

830

980

1180

1320

1450

1420

1400

1300

700

900

850

840

380

780

750

2000

880

1060

1230

1390

1500

1500

1400

900

1100

1060

950

870

900

930

950

2400

910

1090

1270

1500

1200

1100

1350

1450

1200

1150

1010

880

1000

1050

1100

2800

950

1190

1370

1500

1200

1100

1550

1600

1550

1380

1070

900

1050

1150

1200

3200

1430

1450

1460

1500

1550

1600

1550

1600

1600

1600

1550

1500

1500

1550

1550

3600

1420

1430

1450

1480

1500

1550

1510

1430

1300

1200

980

850

750

550

500

4000

1380

1410

1430

1450

1470

1320

1280

1200

1080

940

780

620

460

370

350

4400

1370

1390

1410

1430

1440

1140

1110

1050

950

820

690

540

380

300

210

4800

1350

1370

1390

1400

1410

960

940

880

800

690

570

430

290

210

150

  • 实验总结:关注数学知识灵活运用和综合分析并解决总是的能力。

实验名称:最短路问题             

实验目的:

1. 熟悉图论的基本概念和定理;

2. 掌握最短路的两种算法: Dijkstra算法和Floy算法;

3.了解多阶段决策问题化为最短路问题的技巧.

实验准备:

请回顾教科书最短路的相关内容, 了解Dijkstra算法和Floy算法. 掌握使用软件包解决最短路问题. 图与网络论中求最短路径的Dijkstra算法 M-函数格式 [S,D]=minroute(i,m,W)

i为最短路径的起始点,m为图顶点数,W为图的带权邻接矩阵,不构成边的两顶点之间的权用inf表示。显示结果为:S的每一列从上到下记录了从始点到终点的最短路径所经顶点的序号; D是一行向量,记录了S中所示路径的大小;

例如

clear;w=inf*ones(6);w(1,3)=10;w(1,5)=30;w(1,6)=100;

w(2,3)=5;w(3,4)=50;w(4,6)=10;w(5,4)=20;w(5,6)=60;

i=1;[s,d]=minroute(i,6,w) 

实验总结:更好地掌握应用图论中最短路的算法解决实际问题技巧,加深对数据建模的步骤、方法和数学应用的理解,提高自己的动手能力和解决实际问题的能力。

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