数学模型的构造,是指对现实世界中的原型进行具体地数学建构地过程。作为解决实践问题的数学模型,它要求灵活,综合地运用所学的数学知识来解决一些现实生活中的问题。数学模型的构造过程是数学的应用过程,是一个需要多次,艰苦的努力才能完成的过程,当然,也是一个创造性的过程。
在建构数学模型时,大体分为四个步骤。
第一,掌握和分析客观原型的各种关系,数量形式。数学模型是从现实原型中抽象出来的,如果我们不能准确全面地掌握客观原型的数量关系,内部变化规律等,就会无法构造出正确的数学模型。因此我们要求作为构造数学模型的第一步,要尽量地分析和掌握原型的各种数据和各种关系。
第二,确定所研究原型的本质属性,从而抓住问题的本质。从构建数学模型的意义上来分析,要清楚准备建立的数学模型的类型,只有这样才能为建构数学模型做好准备工作。这其中最重要的是认清变量关系以及事物各元素之间的关系。
第三,建立数学模型。这一阶段要求建立起在数学概念,语言表述,符号等基础上的数学模型。此时,客观原型已经被数学的抽象形式明确地表现出来,数学模型的确定性,随机性,模糊性已经十分清楚,进而应当运用的数学工具及计算用的表达式都应当清楚。
第四,对数学模型进行运演和检验。这一阶段要求把数学模型进行逻辑推理,理论计算的结果返回到实践中去检验,如果其结果不符合客观实践就要被修正,甚至重新构造数学模型。
以上四步用图形表示如下:
原型分析→确定模型类别→建立模型→检验
为便于理解,举一个现实生活中人口增长预测的例子
例:根据下表给出的数据,确定该国人口的增长规律,预测该国2020年的人口数
1. 建模的分析与判断(假设与简化)
这是一个确定人口增长模型的问题,假设:
(1)该国的政治,经济,社会环境稳定;
(2)该国的人口增长数由其人口的生育,死亡引起,与外界移民无关;
(3)该国的人口数量变化是连续的;
(4)该国的每一个人有相同的生育能力和死亡概率。
确定人口数量是时间的函数,记时间为t,t时刻的人口数为P(t)。
2. 建模与求解
根据给出的数据资料绘出散点图,寻找一条直线或曲线,使它们尽可能地与这些散点吻合,该直线或曲线就被认为近似地描述了该国人口的增长规律,从而作出预测。
观察以上散点图,从整体趋势来看,可以认为散点近似分布在一条以直线t=1850 为对称轴的抛物线上。选两点(1850,7.241)和(1930,62.949)可确定出该抛物线方程为:
这是人口增长的抛物线模型。
我们还可以认为散点近似分布在一条指数曲线上。取1970年,1980年这两年的数据确定方程,而用1990年的数据作检验。因此,过两点(1970,122.776)和(1980,131.67)求得指数方程为
这是人口增长的指数模型。
通过1990年的人口数据的检验,其误差分别为8.59%和1.07%。所以,可以认为第二个模型精确度更好。
为了更接地气,后面会为大家列举一些中小学教学中的常见数学模型。