计算机模拟—课件

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数学建模竞赛常用算法(10)
10. 图象处理算法
赛题中有一类问题与图形有关，即使问题与图形无 关，论文中也会需要图片来说明问题，这些图形如何展 示以及如何处理就是需要解决的问题，通常使用MATLAB 进行处理。
✓ 01年A 题中需要你会读BMP 图象 ✓ 98年美国A 题需要你知道三维插值计算 ✓ 03年B 题要求更高，不但需要编程计算还要进行处理
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三个孩子的年龄(2)
A：他们三个年龄之和等于那幢房子的窗户个数。 A指着对面的一幢房子说。 B考虑了一下说，但是，我还有一点信息来解决你的这 个难题。 A：我的大儿子的眼睛是蓝色的。 B：哦，够了， B给出了正确的答案，即三个小孩的年龄。
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三个孩子的年龄(3)
根据对话信息，用搜索的方法来解此问题。
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Part 2 模拟方法
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方法分类
确定性模拟
离散时间 离散事件
随机性模拟
Monte Carlo方法 其它方法
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Monte Carlo法
穷举是线性搜索（或顺序搜索） Monte Carlo法是随机取点 解决多维、大规模、复杂问题的通用法 模拟次数要足够多
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Monte Carlo法
孩年龄
第二个小 1
2
3
4
2
6
孩年龄
第三个小 1
1
1
1
2
1
孩年龄
窗户数: 38 21 16 14 13 13
6
4
3
3
2
3
11 10
如果窗户数为38、21、16、14、11、10即可得出答案
B还需信息，即窗户数为13. 则可能为(9、2、2)或(6、6、1)
信息2:大儿子眼睛是蓝色的 得答案：(9、2、2)
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数学建模竞赛常用算法
✓ 97年的A题 每个零件都有自己的标定值，也都有自
己的容差等级，而求解最优的组合方案将要面对着的是一 个极其复杂的公式和108种容差选取方案，根本不可能去求 解析解，那如何去找到最优的方案呢？随机性模拟搜索最 优方案就是其中的一种方法，在每个零件可行的区间中按 照正态分布随机的选取一个标定值和选取一个容差值作为 一种方案，然后通过蒙特卡罗算法仿真出大量的方案，从 中选取一个最佳的。
drawnow k=k+1; t=t+dt;q=[1 v0*t];u(k)=1;v(k)=q(2); w=q-p;d=norm(w); w=w/d;p=p+v1*dt*w; x(k)=p(1);y(k)=p(2); set(h,'xdata',[x';u'],'ydata',[y';v']);
%pause end %plot(x,y,u,v,'o')
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确定性模拟
✓ 按时间模拟 ✓ 按事件模拟 ✓ 关键：f(x+1)=f(x)+else
✓ 以人口问题为例 ✓ x(t+h)=x(t)+r x(t) h
dxt
dt
rxt
x0 x0
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Matlab求解
1. 定义函数
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Matlab求解
2. 求解
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Matlab求解
3. 结果
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Matlab求解
Randi([0,1],[1,10000])
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模型求解
A=randi([0,1],[1,10000]); Times=sum(A) Probability=Times/10000
小练习 若正面朝下-- -1
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计算机模拟的特点
适用于大量重复的工作 搜索 穷举 网络法
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穷举法
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数学建模竞赛常用算法(1)
1. 蒙特卡罗方法(Monte-Carlo方法, MC)
该算法又称计算机随机性模拟方法，也称统计试验 方法。MC方法是一种基于“随机数”的计算方法，能够 比较逼真地描述事物的特点及物理实验过程，解决一些 数值方法难以解决的问题。
MC方法的雏型可以追溯到十九世纪后期的蒲丰随机 投针试验，即著名的蒲丰问题。 MC方法通过计算机仿 真(模拟)解决问题，同时也可以通过模拟来检验自己 模型的正确性，是比赛中经常使用的方法。
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穷举法
猜测：解为整数 估计：0<x<25, 0<y<25 算法：列出所有的（x,y）组合，看看哪一
组满足方程。
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穷举法（一）
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穷举法（二）
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网格法
实质上也是穷举法 问题不一定是整数，一般是实数 连续型变量“个数”是无穷，故无法做到穷
举，但实际问题一般允许误差，在精度范围 内可以近似。 给定误差，固定步长，得到网格，进行判断， 得到结果 稳定性差
这方面问题和ACM 程序设计竞赛中的问题类似， 可看一下与计算机算法有关的书。
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数学建模竞赛常用算法(6)
6. 最优化理论的三大非经典算法:
模拟退火法(SA)、神经网络(NN)、遗传算法(GA)
近几年的赛题越来越复杂，很多问题没有什么很好的 模型可以借鉴，于是这三类算法很多时候可以派上用场。
✓ 97年A 题用模拟退火算法 ✓ 00年B 题用神经网络分类算法 ✓ 01年B 题这种难题也可以使用神经网络 ✓ 美国89年A 题也和BP 算法有关系 ✓ 美国03年B 题伽马刀问题也是目前研究的课题，目前
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网格法
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搜索示例：三个孩子的年龄(1)
两个多年未见的朋友相遇，聊了很多事情。…
A：既然你是数学教授，那你帮我算这个题，今天是 个特殊日子：我三个儿子都在今天庆祝生日！那么你 能算出他们都有多大吗？ B：好，但你得跟我讲讲他们的情况。 A：好的，我给你一些提示，他们三个年龄之积是36. B：很好，但我还需要更多提示。
✓ 98 年B 题、00年B 题、95 年锁具装箱等问题体现了 图论问题的重要性。
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数学建模竞赛常用算法(5)
5. 计算机算法设计中的问题
计算机算法设计包括很多内容：动态规划、回溯搜 索、分治算法、分枝定界等计算机算法. ✓ 92 年B 题用分枝定界法 ✓ 97 年B 题是典型的动态规划问题 ✓ 98 年B 题体现了分治算法
数模论文中也有很多图片需要展示，解决这类问题 要熟悉MATLAB图形图像工具箱。
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什么是计算机模拟
简单地说：就是用计算机代替人工做事！
模拟就是利用物理的、数学的模型来类比、 模仿现实系统及其演变过程，以寻求过程规 律的一种方法．
在一定的假设条件下，运用数学运算模拟系 统的运行，称为数学模拟．现代的数学模拟 都是在计算机上进行的，称为计算机模拟．
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计算机模拟抛硬币
如何用计算机来模拟抛硬币 人会抛硬币 但计算机不会 这中间必须架设一座桥
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建模分析
抛硬币的目的是什么？
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建模目的
目的： 想知道抛的结果 是正面朝上，还是朝下？ 或者是否击中目标？ ．．．
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建立模型
正面朝上--1 正面朝下--0 人工抛一次--计算机产生一个随机数 Randi([0,1])
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数学建模竞赛常用算法(8)
8. 连续问题离散化的方法
很多问题都是实际来的，数据可以是连续的，而计 算机只能处理离散的数据，因此需要将连续问题进行 离散化处理后再用计算机求解。比如差分代替微分、 求和代替积分等思想都是把连续问题离散化的常用方 法。
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数学建模竞赛常用算法(9)
9. 数值分析方法
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思考与练习 1. 试求解方程 x10 ex 100 (x 0)
2. 求函数的最小值点（ Rastrigin’s Function）
Ras(x) 20 x12 x22 10(cos 2 x1 cos 2 x2)
全局最小点 (0,0)
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确定性模拟
例：追击问题
clear clc clf p=[0 0];q=[1,0]; t=0;dt=0.02;v0=0.42/60;v1=2*v0; h=plot([0;1],[0;0],'.'); axis square grid off axis([-0.5,1.5,0,1]); set(h,'erasemode','none','markersize',1); k=0; while 1-p(1)>1e-5
本例中：x(i+h)=x(i)+r x(i) h
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动态仿真法
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动态仿真法
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结合其它方法--插值与拟合
1. 已有数据 2. 观察数据图 3. 选择适合的模型进行拟合
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拟合
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拟合
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随机性模拟
蒙特卡罗（Monte Carlo）方法是一种应 用随机数来进行计算机模拟的方法．此方法 对研究的系统进行随机观察抽样，通过对样 本值的观察统计，求得所研究系统的某些参 数．
信息1:三个小孩年龄之积为36 只有以下8种可能，搜索范围减少至8种情况:
第一个小 36 18 12 9 9 6 6 4
孩年龄
第二个小 1 2 3
孩年龄
4 2 633
第三个小 1 1 1
孩年龄
1 2 1 23
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三个孩子的年龄(4)
信息2:三个小孩年龄之和等于窗户数
第一个小 36 18 12
9
9
6
算法最佳的是遗传算法。
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数学建模竞赛常用算法(7)
7. 网格算法和穷举算法
网格算法和穷举法一样，只是网格法是连续问题的穷 举。此类算法运算量较大。
✓ 97 年A 题、99 年B 题都可以用网格法搜索