数学建模中探寻最佳解决方案所需采用的数学工具有哪些?
优化策略是指在一系列客观或主观的限制条件下,旨在合理分配有限资源,使所关注的某个或多个指标实现最大化(或最小化)的数学理论及方法,这是运筹学中的一个关键分支。
关键组成部分:决策变量(decision variable)、目标函数(objective function)、限制条件(constraints)。
可行区域:所有满足限制条件的x值范围。
可行解:可行区域内的每一个解称作可行解。
最佳解:使目标函数达到最佳水平的解。包括全局最佳解和局部最佳解。
最佳值:最佳解对应的目标函数值。
建模背景
数学应用
近半个世纪以来,随着计算机技术的飞速进步,数学在工程技术、自然科学等领域的应用日益广泛,并以前所未有的广度和深度渗透到经济、管理、金融、生物、医学、环境、地质、人口、交通等新兴领域,数学技术已成为当代高新技术的重要组成部分。
数学模型(Mathematical Model)是对实际课题本质属性的抽象、简洁描述,它使用数学符号、公式、程序、图形等手段,可能解释某些客观现象,可能预测未来发展趋势,或为控制某一现象提供某种程度上的最优或较好策略。
数学模型通常并非直接反映现实问题,其构建往往需要深入细致地观察和分析现实问题,同时灵活巧妙地运用各种数学知识。将实际课题抽象、提炼为数学模型的过程,称为数学建模(Mathematical Modeling)。
数学建模中的优化策略
1、多目标优化问题。
对于教师和学生满意度,可以用多个关键指标来衡量,例如教师的工作效率、工作强度及往返强度等,如定义:
效率w=教师的实际授课时间/(教师坐班车时间+授课时间+在学校逗留时间)。
然后,教师的满意度S1为多个关键指标的加权平均。注意无量纲量和有量纲量的加权平均的归一化问题。
对于学生,可以定义每门课的周频次、每天上课频次等。
对于学校满意度,可以定义班车出动次数,该指标与教师的某一指标相关联,教室和多媒体设备的周期频次和使用时长等。
2、根据第一个问题中的模型进行数据求解。
3、将教师、学生和学校的满意度作为评价指标。
4、根据结果提出合理化建议。