數學建模——五步建模法

原文鏈接:https://www.zhihu.com/question/19714813

本文轉自知乎Eric Huang

首先上圖:

第一步:提出問題.

大家可能會想,題目不是已經給出問題了嗎? 是的,但是這裏的提出問題是指:用數學語言去表達。首先,題目一定要通讀若干遍,“看不懂,讀題目;看不懂,讀題目”,如此反覆循環的同時查閱相關資料。這通常需要大量的工作,而且要根據題目的特點做一些假設。

看的差不多了,就開始用數學形式提出問題,當然,在這之前,先引用或者定義一些專業術語。 接下來進行符號說明,統一符號(這點很重要,三個人之間便於溝通,論文便於展現),並列出整個問題涉及的變量,包括恰當的單位,列出我們已知或者作出的假設(用數學語言描述,比如等式,不等式)。 做完這些準備工作後,就開始正式提出問題啦。用明確的數學語言寫出這個問題的表達式,加上之前的準備工作,就構成了完整的問題。

這部分的內容反映到論文結構上,相當於前言,問題提出,模型建立部分。注意,剛開始建立的模型很挫沒關係,我們隨時可以返回來進行修改的。

第二步:選擇建模方法.

在有了用數學語言表述的問題後,我們需要選擇一個或者多個數學方法來獲得解。 許多問題,尤其是運籌優化,微分方程的題目,一般都可以表述成一個已有有效的標準求解形式。這裏可以通過查閱相關領域的文獻,獲得具體的方法。爲什麼不是查閱教材呢?基本上教材講的都是基礎的,針對特定問題的,教材上一般找不到現成的方法,但是教材依然是很重要的基礎工具,有時候想不出思路,教材(比如姜啓源那本)翻來翻去,會產生靈感,可以用什麼模型。

第三步:推導模型的公式.

我們要把第二步的方法實現出來,也就是論文的模型建立部分。我們要對建立的問題進行變形,推導,轉化爲可以運行標準方法解答的形式。這部分通常是借鑑參考文獻的過程,做一些修改,以適應本題的情況。

第四步:求解模型.

這裏是編程的隊友登場的時刻了。

統計模型:SPSS,Eviews,Stata ,都是菜單式操作,easy的。

數據分析:R,數據庫SQL Server,IBM
DB2

微分方程:Maple,Mathematic,MATLAB

運籌規劃:Matlab,Lingo

智能算法:Matlab,R

時間序列:統計模型中的那些軟件,或者R,Matlab

圖像處理:Matlab,C++

總結: Matlab是必須的,再來個SPSS,一般情況下夠用了。

第五步:回答問題.

也就是論文的討論部分。這部分是對你整篇論文成果的總結,一定要寫的有深度。除此之外,通常還要寫上一些靈敏度分析,如果是統計模型的話,要有模型檢驗。論文通常會需要畫一些圖表,可以使用Matlab、R等軟件來畫跟數據有關的圖,使用Visio或者PPT畫流程圖之類的圖。

關於比賽的一些個人體會

1、國賽和美賽是有區別的

國賽講究實力,美賽講究創新。 美賽不一定要多高級的方法,但是一定要有創意。而國賽,組委會往往是有一個模糊的“標準答案”在的,按部就班做下來就好了。

2、文獻爲王

文獻爲王。建模的題目,基本上是某個教授的研究課題,憑我們本科生的水平,基本上做不到對題目的深刻理解。所以要多看文獻。

看文獻也有技巧:剛拿到題目,先查一下相關背景資料,瞭解題目是哪方面的。接下來看文獻,找一下碩士論文,博士論文以及綜述性質的文章,碩博論文一般都會詳細介紹下整個課題的國內外研究情況,綜述就更不用說了,它就是對大量原始研究論文的數據、資料和主要觀點進行歸納整理、分析提煉而寫成的論文。看完這些,就可以比較有深度地把握題目,也知道如果我們要進行創新的話,往哪方面走。

接下來,可以根據小組三人討論的結果,有針對性的看一下有深度的文獻,文獻看得多了,就可以考慮開始創新了,像愛因斯坦那樣開闢相對論等新領域的創新,是很有難度的,但是我們可以退而取其次,不是有句話叫做“他山之石,可以攻玉”嗎?
我們要做的就是組合創新! 領域內組合創新,把一個學者的方法嫁接到另一個學者的模型上。 以及交叉領域創新,把把自然科學的知識用到社會科學上,或者用社會科學解釋自然科學的結果等等。(這裏就可以體現,跨專業建模隊伍的先天優勢了:不同專業對同一個問題的思維是不同的,可以擦出創意的火花)

PS:圖書館有買很多數據庫,可以免費看論文。免費的話google學術是無敵的,國內文獻貌似沒有良好的分享平臺,實在找不到論文也可以百度文庫死馬當活馬醫。

平時可以多註冊一些網站,數學中國,校苑數模,matlab技術論壇,pudn程序員,研學論壇,stackoverflow等。上傳些資料,攢積分要從娃娃抓起,不要等到比賽了看到好資料還“誒呀,積分不夠”。

想法很重要。建模思維是一種很難學習到的東西,站在巨人的肩膀上,多看文獻,負責建模的同學辛苦了。

3、掌握一點數據處理的技巧

建模的題目,A.B兩道題。基本上是一題連續,一題離散;一題自然科學(理工科),另一題社會科學(經濟管理)。這樣的分佈的,大家平常做題的時候就可以有所側重,曾經有一支美帝的隊伍,專攻離散題,貌似拿了連續兩屆的outstanding.

掌握一點數據處理的技巧是很有必要的。比如數據缺失值的處理,插值與擬合等。尤其是數據缺失值的處理,基本上A,B題都有可能涉及,建議熟練掌握。

4、關於編程水平。More generally,軟件操作水平幾乎決定了一個隊伍的結果上限。MATLAB是必備的,必須要熟練掌握各種模型的實現。此外,SPSS(或者R)也是要掌握的。Mathematic和MATLAB的替代性很強,不掌握也沒關係(僅在建模方面,mathematic 當然也是很強大的)。What’s more建模比賽舉辦這麼多年,用到lingo的情況幾乎很少了,也可以不學lingo. And 現在的題目動不動就要粒子羣等智能算法,強烈建議大家至少熟練掌握一種智能算法.

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