知识点:
数学模型是一种模拟。是用数学符号、公式、程序、图形等对实际课题本质属性的抽象而又简洁的刻画,它或能解释某种客观现象,或能预测未来的发展规律,或能为控制某一现象的发展提供某种意义下的最优策略或较好策略。
数学模型一般并非现实问题的直接翻版。它的建立常常既需要人们对现实问题深入细致地观察和分析,又需要人们灵活巧妙地利用各种数学知识。这种应用知识从实际课题中抽象、提炼出数学模型的过程就称为数学建模(mathematical modeling)。
数学建模是对现实问题进行抽象、用数学的语言表达问题、用数学方法构建模型解决问题的素养。数学建模过程主要包括:在实际情境中从数学的视角首先发现问题、提出问题、分析问题,其次建立模型、确定参数、计算求解、检验结果、改进模型并最终解决实际问题。1.提出问题:实际情境中的问题往往是模糊的和笼统的,原始的问题往往是一个希望得到优化的期待,这就需要透过现象,明确地提出问题。
2.建立模型:在一定的知识积累的基础上,预测建立的数学模型, 抓住主要因素,摒弃次要因素,做出适当简化和假设。
3.求解模型:这个过程是求解数学的问题,值得注意的是,如果目标是求值,一般不容易求得准确值,这就需要求近似解。
4.检验结果:用实际现象或数据检验求得的解是否符合实际。如果不符合实际情况,就要重新建模。视频教学:
练习:
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课件:
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教案:
【教学目标】
知道数学建模的概念与意义.
【教学重难点】
实际问题的数学建模.
【教学过程】
一、激趣导入
实际问题:普莱格尔河穿过美丽的哥尼斯堡城(现为俄罗斯的加里宁格勒).普莱格尔河有两个支流,在城市中心汇成大河,中间是岛区,在河上有七座桥,如图.
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岛上有古老的哥尼斯堡大学、知名的大教堂,居民经常到河岸和桥上散步.在18世纪初的一天,有人突发奇想:如何才能走过这七座桥,而每座桥都只能经过一次,最后又回到原来的
出发每座桥都只能经过一次,最后又回到原来的出发点?人们开始沉迷于这个问题,在桥上来来回回不知走了多少次,却始终不得其解.这就是著名的哥尼斯堡七桥问题.
二、新知探究
1.实际问题的数学表述
七桥问题引起了数学家欧拉的极大兴趣.他想:经过这么多人的努力都没有找到一次不重复走完七座桥的路径,会不会根本不存在这样的走法?
首先,欧拉想到的是列举法,就是把所有的走法都一一列出来,再一个一个验证.但是,他很快发现这样做太麻烦了,因为对七座桥的不同走法就有5000多种,并且这种方法不具有通用性.
经过反复思考,欧拉想到:岛的形状、大小,以及桥的长短、宽窄并不影响结果,重要的是陆地、桥与岛这三者之间的位置关系.不妨把图中被河隔开的4块陆地看作4个点,连接陆地的7座桥看作7条线,就得到如图的图形.实际问题中的陆地、河流和桥梁景观就不见了,七桥问题就变成能否一笔画出此图形的问题.这就是欧拉对七桥问题建立起来的数学模型.
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2.数学问题的解决
欧拉注意到,如果这样的图形能一笔画成,那么除去起点和终点外,其他的点都是“经过点”.“经过点”的特征是:只要从一条线进入这个点,就要从另一条线离开这个点.有进无出,只能是终点;有出无进,只能是起点.若以某一点为端点的线有偶数条,则称该点为偶点;否则称为奇点.显然“经过点”是偶点.如果起点和终点是同一个点,那么这个点也是偶点.
一笔画定理:一个由点和线组成的图形能一笔画完,必须符合以下两个条件:
(1)图形是连在一起的,即是连通图形;
(2)图形中的奇点个数为0或2.
3.用数学结论解答原问题
在七桥问题中,四个点全是奇点,不能一笔画,即不可能一次无重复地走完七座桥.
1735年,欧拉把研究论文“The solution of a problem relating to the geometry of position”提交到圣彼得堡科学院,1741年发表在《圣彼得堡科学院通讯》上,开创了图论和拓扑学两门新的学科.
欧拉对实际问题进行抽象概括,用数学的语言(模型)把实际问题转化为数学问题,又用数学的思想方法分析、解决了这个问题,这个过程就是数学建模.
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