数学建模社区-数学中国
标题: 数学建模竞赛必须要掌握的十个算法 [打印本页]
作者: 佛自业障 时间: 2018-10-29 10:01
标题: 数学建模竞赛必须要掌握的十个算法
[attach]242204[/attach]
7 m: L# g$ E% u数学建模比赛是本科生和研究生阶段最重要的比赛之一,包括全国大学生数学建模竞赛(俗称“国赛”)和美国大学生数学建模竞赛(俗称“美赛”)。在这些比赛中取得好成绩,不仅有助于保研、有助于找工作,更重要的是形成科学的思维模式。下面列举了十大算法,在数学建模竞赛中有着无比广泛而重要的应用。
$ U# B6 V3 Z( W" H. { Y( n# F, a0 N( o" y2 d: y% T* q
01
9 V0 c) X" U7 j1 l( w" h* ]7 s' C( h* l
蒙特卡罗算法
, y+ _0 [# z. \# M5 k: u, w1946 年,美国拉斯阿莫斯国家实验室的三位科学家 JohnvonNeumann, Stan Ulam和 Nick Metropolis 共同发明了蒙特卡罗方法。1 f( R$ |# L# ^( u* V- W; N
蒙特卡罗方法(Monte Carlo method),又称随机抽样或统计模拟方法,是一种以概率统计理论为指导的一类非常重要的数值计算方法。此方法使用随机数(或更常见的伪随机数)来解决很多计算问题的方法。
5 `$ H' J# I+ d- n- R! e3 a; C
' q5 E% e! L/ m( { F1 O由于传统的经验方法由于不能逼近真实的物理过程,很难得到满意的结果,而蒙特卡罗方法由于能够真实地模拟实际物理过程,故解决问题与实际非常符合,可以得到很圆满的结果。
/ Q3 p L5 A3 t3 d
3 q, u7 v! E7 v, D蒙特卡罗方法的基本原理及思想如下:
: l3 f! r/ [. g9 m5 Q8 K0 m' l6 U3 p# V% X7 M4 u
当所求解问题是某种随机事件出现的概率,或者是某个随机变量的期望值时,通过某种“实验”的方法,以这种事件出现的频率估计这一随机事件的概率,或者得到这个随机变量的某些数字特征,并将其作为问题的解。$ g6 l& E1 _5 ? F
8 H8 |( b; f; e9 `, U3 _举个栗子,直观了解蒙特卡洛方法:
5 Y" n' G. I4 u# @; s" z$ V. B7 e3 g
假设我们要计算一个不规则图形的面积,那么图形的不规则程度和分析性计算(比如:积分)的复杂程度是成正比的。蒙特卡洛方法是怎么计算的呢?假想你有一袋豆子,把豆子均匀地朝这个图形上撒,然后数这个图形之中有多少颗豆子,这个豆子的数目就是图形的面积。当你的豆子越小,撒的越多的时候,结果就越精确。在这里我们要假定豆子都在一个平面上,相互之间没有重叠。
! x- g; l- ^: o8 L t% ^8 W6 P; x& v
[attach]242205[/attach]
9 V; f4 @% s5 e; A
蒙特卡罗方法通过抓住事物运动的几何数量和几何特征,利用数学方法来加以模拟,即进行一种数字模拟实验。它是以一个概率模型为基础,按照这个模型所描绘的过程,通过模拟实验的结果,作为问题的近似解。
4 p( G6 r% L5 o* o" j+ {$ h. w8 t: W3 d, m
蒙特卡罗方法与一般计算方法有很大区别,一般计算方法对于解决多维或因素复杂的问题非常困难,而蒙特卡罗方法对于解决这方面的问题却比较简单。其特点如下:
4 `% B: A% L* N! |+ }+ `) i- T& c8 o3 b; `# K5 I
a、直接追踪粒子,物理思路清晰,易于理解;
2 L9 P K1 T! F+ [+ q1 m2 e) w9 Q. Z+ {, X# V5 m9 J% A
b、采用随机抽样的方法,较真切的模拟粒子输运的过程,反映了统计涨落的规律;, _) n2 [ w1 z z
9 K4 w# D5 X, }8 u% p
c、不受系统多维、多因素等复杂性的限制,是解决复杂系统粒子输运问题的好方法等等
0 s% n% Z/ a0 ?4 a0 z
& m: E; @* F5 J 02
4 g3 I2 ~" [) K9 N2 z6 H
5 q* R9 s* m' e% V7 N" \7 l
数据拟合、参数估计、插值等数据处理算法
, N( @7 p# o2 w
+ j1 Y2 n, c, K& | P1 U' d我们通常会遇到大量的数据需要处理,而处理数据的关键就在于这些算法,通常使用 Matlab 作为工具。
. `# y/ A4 O! g/ Q
: A! [3 S/ X$ z9 g+ k数据拟合在数学建模比赛中中有应用,与图形处理有关的问题很多与拟合有关系,一个例子就是 98 年数学建模美国赛 A 题,生物组织切片的三维插值处理,94 年 A 题逢山开路,山体海拔高度的插值计算,还有吵的沸沸扬扬可能会考的“非典”问题也要用到数据拟合算法,观察数据的走向进行处理。
7 l( ^! r; M1 \# y; s
2 k2 s& k l9 K[attach]242206[/attach]
6 L/ p0 O. T8 |6 }8 h此类问题在 MATLAB 中有很多现成的函数可以调用,熟悉 MATLAB,这些方法都能游刃有余的用好。
. W8 G: Z9 b( r$ u5 r; x, i
3 x+ A0 }6 a2 B 03
3 [! G* u* {, T1 q" f) G
$ Q3 N$ z) J. H- [5 r4 Y1 u线性规划、整数规划、多元规划、二次规划等规划类问题
5 K6 q' r/ A' R# ~1 o4 Q7 A7 M- R8 i6 Q9 K
数学建模竞赛中很多问题都和数学规划有关,可以说不少的模型都可以归结为一组不等式作为约束条件、几个函数表达式作为目标函数的问题。8 X! o! h6 T& `4 v
3 t8 u+ x* n0 E, |! G+ A遇到这类问题,求解就是关键了,比如 98 年 B 题,用很多不等式完全可以把问题刻画清楚,因此列举出规划后用 Lindo、Lingo 等软件来进行解决比较方便,所以还需要熟悉这两个软件。% F& ^" q( u: N# A
( } a! y4 Q( j6 a4 `2 `9 q, O% \
04
/ D4 Q& _0 K' m* e
2 I2 `- b9 B2 w; l! S, p
图论算法
3 j: {7 }; s" A( i" G4 y
6 j9 y v9 l7 E# h
这类问题算法有很多,包括:Dijkstra、Floyd、Prim、Bellman-Ford,最大流,二分匹配等问题。. n- J1 C6 m' T# ^, v. R3 J
3 d/ r2 ]0 u4 e) x6 r" d
关于此类图论算法,可参考 IntroductiontoAlgorithms--算法导论,关于图算法的第22章-第26章。
" E5 G6 b4 j, s9 r8 y. `8 E- I
( A3 H3 ]1 E1 Z9 ~+ B8 J[attach]242207[/attach]
' k( Y; i* M' z. i6 I) Q( x2 O& q; a8 d- q% x% Z" o8 c
0 d$ A+ g$ `* E% E& g3 I5 e# [0 w
05
6 s2 L6 g0 S& w+ Q$ m! K7 m1 c
! Z! q5 K* v7 J# f( ~# s4 K动态规划、回溯搜索、分治算法、分支定界等计算机算法
2 u7 d: k) s2 {% ~) F
; i$ |$ z! e* N( x% M+ Y2 u在数学建模竞赛中,如:92 年 B 题用分枝定界法,97年 B 题是典型的动态规划问题,此外 98 年 B 题体现了分治算法。
2 B1 I+ _& }3 T7 X. p6 w% c+ C$ ]+ X& Q! W; M" h# i, O
[attach]242208[/attach]
3 I/ W/ ]* ~* I+ v
这方面问题和 ACM 程序设计竞赛中的问题类似,推荐看一下算法导论,与《计算机算法设计与分析》(电子工业出版社)等与计算机算法有关的书。, s& o$ G t, A6 O6 Z- g% i/ S
; y! p( y2 z6 j# \" M( [
06
6 e G6 y( R7 p# m3 c
1 K( }5 B, P6 O4 |- O# E3 V最优化理论的三大经典算法:模拟退火法、神经网络、遗传算法
( r5 ?& y1 b, G0 T G
1 A1 O9 d" Z! O- x' h9 M L/ ]0 R$ G" b) P这十几年来最优化理论有了飞速发展,模拟退火法、神经网络、遗传算法这三类算法发展很快。
4 c: t6 E$ m9 ?# \! U7 m0 {. ^$ f# R7 S( ~* S( V( n: J6 @1 L
在数学建模竞赛中:比如 97 年 A 题的模拟退火算法,00 年 B 题的神经网络分类算法,01 年 B 题这种难题也可以使用神经网络。
6 \, @, g" S# q* I% e) L( A6 Z1 \5 O- P7 _# p
还有美国竞赛 89 年 A 题也和 BP 算法有关系,当时是 86 年刚提出 BP 算法,89 年就考了,说明赛题可能是当今前沿科技的抽象体现。' I! p9 l# H2 Y; _7 C1 C
- \2 |5 o4 M7 x
03 年 B 题伽马刀问题也是目前研究的课题,目前算法最佳的是遗传算法。
8 ^3 y% b4 A A0 t) u
9 M0 g% h/ A1 J# i% o+ F; ]3 v5 a0 X
a. u" U% _" q# a2 B) p+ G) |
6 b# `7 d) w: j% H
5 l$ ]9 _/ b/ r5 l 07
7 U: Z( P T4 T6 `
' n. f, `" u/ D* B4 r) }网格算法和穷举法
7 l1 [( x9 I) R0 R" U/ W: n
# T: Z9 v7 R5 z8 ?2 {; F: t8 G网格算法和穷举法一样,只是网格法是连续问题的穷举。0 n& R3 n" M m: K7 V2 J0 O& W5 Y
# r9 F8 F+ h( i. }* q! J# ^
比如要求在 N 个变量情况下的最优化问题,那么对这些变量可取的空间进行采点,比如在 [a;b] 区间内取 M+1 个点,那么这样循环就需要进行 (M+1)N 次运算,所以计算量很大。
- G+ X$ B; E0 Q# w2 E) Y$ K
8 J+ R9 b3 H* h在数学建模竞赛中:比如 97 年 A 题、99 年 B 题都可以用网格法搜索,这种方法最好在运算速度较快的计算机中进行,还有要用高级语言来做,最好不要用MATLAB 做网格,否则会算很久。
$ H7 K7 }9 I! Q( ?# k. g) W
- A9 E( E9 a- l4 w" g5 w7 d7 i; }
( `; f" i) d. K# Z% i! o5 c穷举法大家都熟悉,自不用多说了。% d* w: f: d$ f) u1 ~
% q1 ]# d- D( f# H0 O7 g
08
% i- S6 W8 W# g/ b2 T, z1 x* \7 e/ O8 z# z/ S% N7 t
一些连续离散化方法
( q1 b* G, Q' \# ^5 d7 T/ b# n8 z: @; `
大部分物理问题的编程解决,都和这种方法有一定的联系。物理问题是反映我们生活在一个连续的世界中,计算机只能处理离散的量,所以需要对连续量进行离散处理。
( D( T' X, O/ I9 k: F) Z8 |/ w* u2 S, c- j& Y6 \
这种方法应用很广,而且和上面的很多算法有关。事实上,网格算法、蒙特卡罗算法、模拟退火都用了这个思想。
+ Z4 Q' B. ]$ m9 z0 W5 g2 @# P" E# i, m+ u9 C2 S
09
L- B4 i* J! c/ P9 H5 T
7 j5 d8 w( M2 B$ e1 e0 b0 b$ \数值分析算法
4 x" w: k& a" n8 h
8 B5 q6 [& g# N数值分析(numericalanalysis),是数学的一个分支,主要研究连续数学(区别于离散数学)问题的算法。
: v2 @+ `- o9 f( p' r" k$ f
& {& x) E- J3 p, X如果在比赛中采用高级语言进行编程的话,那一些数值分析中常用的算法比如方程组求解、矩阵运算、函数积分等算法就需要额外编写库函数进行调用。
# q. F* i7 |# t8 |7 X) {7 ?8 R
这类算法是针对高级语言而专门设的,如果你用的是 MATLAB、Mathematica,大可不必准备,因为像数值分析中有很多函数一般的数学软件是具备的。) u% U, U, R7 }9 I0 ?; _
! s7 l+ X0 \3 G- b$ Z* M) T% x 10
! y, y' `* z; x. O2 r' f' N
* R7 ~) T2 ]1 j% T图象处理算法
7 ^7 d* }: T0 L! q/ ]# k
" \, Q$ m& H7 a3 F, x, Y c1 M
在数学建模竞赛中:比如 01 年 A 题中需要你会读 BMP 图象、美国赛 98 年 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,而数模论文中也有很多图片需要展示,因此图象处理就是关键。做好这类问题,重要的是把 MATLAB 学好,特别是图象处理的部分。
3 p7 e) x: L) q; L9 D% ~2 P; Y" I5 c% H
4 b6 f; j4 H; j* c& X6 ]. A5 N# u
+ {2 \! z, Z& P) d1 H- L7 ~
作者: GsBush23 时间: 2018-11-14 14:06
说的太好了。。 U+ B% h6 P) C3 M2 v
作者: pazq18 时间: 2018-12-7 10:00
楼主的帖子怎么样?赶紧试试这里看样子是好东西啊的快速回复给楼主点评论吧& `% p/ Q" ~* y! r1 S; N
| 欢迎光临 数学建模社区-数学中国 (http://www.madio.net/) |
Powered by Discuz! X2.5 |