数学建模—拟合问题
数学模型拟合作业
数学模型拟合作业引言数学模型是数学与实际问题相结合的产物，通过建立数学模型能够对复杂的实际问题进行简化和抽象，使其更易于分析和求解。
在现实生活中，我们经常会遇到一些问题需要拟合一个数学模型，以便更好地了解问题的本质和规律。
本文将介绍数学模型拟合的基本概念、常用的拟合方法以及实际应用。
数学模型拟合的基本概念1.1 数学模型数学模型是利用数学语言和符号对实际问题进行抽象和描述的工具。
它可以通过一系列的数学方程来描述问题的属性、关系和行为，从而使问题更易于分析和求解。
数学模型通常包括数学模型的定义、变量的定义、约束条件和目标函数等要素。
1.2 拟合问题在实际问题中，我们通常会根据已知的数据或观测到的现象，试图通过建立一个数学模型来描述数据或现象之间的关系。
这个过程称为拟合，也被称为参数估计或函数逼近。
拟合问题的目标是找到一个数学模型，使得该模型与已知的数据或观测结果的残差最小化。
常用的拟合方法2.1 线性回归线性回归是最常用的拟合方法之一，它假设拟合函数与自变量之间存在一个线性关系。
线性回归问题可以通过最小二乘法来求解，即通过最小化残差平方和来确定拟合函数的参数。
2.2 非线性回归在实际问题中，往往存在非线性关系的情况，因此线性回归并不能完全拟合数据。
为了解决这个问题，可以使用非线性回归方法。
非线性回归方法包括多项式拟合、指数拟合、对数拟合等，通过将非线性函数线性化，再利用线性回归方法进行拟合。
2.3 曲线拟合曲线拟合是一种通过将一条曲线与数据点进行拟合的方法。
曲线拟合通常使用的函数包括多项式函数、指数函数、对数函数、幂函数等。
曲线拟合的目标是找到一条曲线，使得曲线与数据点之间的误差最小化。
2.4 插值拟合插值拟合是一种通过已知数据点之间的插值来拟合的方法。
插值拟合可以通过拉格朗日插值法、牛顿插值法等方法进行。
插值拟合的目标是找到一个函数，使得该函数经过已知的数据点。
实际应用3.1 经济学中的拟合问题在经济学中，拟合问题是非常常见的。
数学建模线性拟合求回归方程
摘要冬青是一种寄生在大树上部树枝的药科植物。
本文主要研究每株大树上冬青的数量与大树年龄之间的关系。
本文主要是运用两种方法，一是线性化模型求解，二是非线性模型求解。
1.线性化求解，由于题目中的数据对参数是非线性的，因此要通过两边取对数的方法转化为线性模型，即εln ln ln ++=bx a y模型中的因变量y ln 对新的参数A 、B 是线性的。
运用MATLAB 进行线性拟合因而得到A 、B 的值，从而得到a 、b 的值从而得到回归方程x b e a yˆˆˆ= 2.非线性模型求解，题目中的数据对参数是非线性的，因此可以用非线性回归的方法直接估计模型中的参数。
模型的求解可以用MATLAB 统计工具箱中的命令进行，使用格式为：[beta,R,J]=nlinfit(x,Y,'f1',beta0)Nlinfit 函数可以对给出的数据进行非线性回归，确定出参数的值，从而得到回归方程x b e a yˆˆˆ= 关键词: 线性回归 非线性回归 nlinfit一．问题重述冬青是一种寄生在大树上部树枝的药科植物，它喜欢寄生在年轻的大树上，以模型Y=εbx ae ,ln ε～N(0,2σ)拟合数据，试求曲线回归方程()x b a yˆex p ˆˆ=。
二．基本假设1.每株大树的生长环境是一样；2.影响大树上冬青寄生的株数的环境因素也是一样。
三．符号说明四．问题分析由数据绘制出散点图如下：以大树的年龄x 为自变量、以每株大树上冬青寄生的株数y 为因变量，利用MATLAB 统计工具箱的plot 命令画出散点图如图1，使用程序见附录程序1图1 散点图下面可以用εbx ae y =拟合数据。
其中ε为随机误差。
这个模型是非线性的，因此要通过两边取对数将其变成线性的，即bx a y ++=εln ln ln 。
可以将其看成是一元线性方程：εln ln ++=Bx A y 。
则y ln 对x 是线性的。
输出b 为a ln 和b 的估计值，bint 为b 的置信区间，stats 为回归模型的检验统计量，分别为回归方程的决定系数2R ,统计量值F ，概率值p 。
数学建模-数据拟合
数据拟合作业小组成员：谭洪莲 2007211736 李志雄 2007211822 李小宁 2007211722 题目一：直接拟合。
法一：将身长和胸围相加，再与重量直接拟合，选择拟合效果最好的：第一步：在Matlab命令窗口输入cftool 执行得到拟合工具箱第二步：创建一个名为opt_us_fish的M文件执行后拟合,选择最佳的，得到结果如下：Warnings during fitting:Equation is badly conditioned. Remove repeated data pointsor try centering and scaling.Linear model Poly4:f(x) = p1*x^4 + p2*x^3 + p3*x^2 + p4*x + p5Coefficients (with 95% confidence bounds):p1 = 6.9e-011 (-2.238e-010, 3.618e-010) p2 = -2.549e-007 (-1.344e-006, 8.346e-007) p3 = 0.0003309 (-0.001117, 0.001778) p4 = -0.151 (-0.9579, 0.6559)p5 = 74.47 (-84.11, 233.1)Goodness of fit:SSE: 1.161R-square: 0.9979Adjusted R-square: 0.995RMSE: 0.6221拟合结果：法二：将身长与胸围相乘，再与重量直接拟合，选择拟合效果最好的，结果如下：（步骤同上）Warnings during fitting:Equation is badly conditioned. Remove repeated data pointsor try centering and scaling.Linear model Poly4:f(x) = p1*x^4 + p2*x^3 + p3*x^2 + p4*x + p5Coefficients (with 95% confidence bounds):p1 = 3.195e-009 (-4.077e-009, 1.047e-008)p2 = -1.164e-005 (-3.87e-005, 1.542e-005) p3 = 0.01518 (-0.02077, 0.05113)p4 = -7.549 (-27.59, 12.49)p5 = 1935 (-2004, 5874)Goodness of fit:SSE: 716.1R-square: 0.9986Adjusted R-square: 0.9968RMSE: 15.45拟合效果：题目二：首先利用机理分析建立模型。
数学建模线性拟合与非线性拟合
数学实验与数学建模实验报告学院：南通大学理学院班级：信计111学号：姓名：实验名称：线性拟合与非线性拟合指导教师：填写日期：2013年11月5日实验五线性拟合与非线性拟合一、实验指导解读本实验的主要目的是了解迭代法，研究迭代数列的收敛性，学习线性方程组的求解以学习非线性方程组的求解。
本次实验是通过两个变量的多组记录数据利用最小二乘法寻求两个变量之间的函数关系。
两个变量之间的函数关系主要有两种：一是线性关系（一次函数）；二是非线性关系（非一次的其它一元函数）。
因此本实验做两件事：一是线性拟合（习题1）；二是非线性拟合（习题2）。
习题2是用多项式函数、指数函数、双曲函数等初等函数以及分段函数拟合。
二、实验基本方法与理论：（习题1）线性拟合修改、补充程序要说明拟合效果，主要从形（大多数散点是否在拟合曲线上或附近）与量（残差是否小）！计算残差的程序：假设对两个变量的多组记录数据已有程序biao={{x1,y1},{x2,y2},…,{xn,yn}}并且通过Fit得到线性拟合函数y=ax+b我们可以先定义函数（程序）f[x_]:=a*x+b再给出计算残差的程序dareta=Sum[(biao[[i ,2]]-f[biao[[i ,1]]])^2,{i ,1, n}]程序说明：biao[[i]]是提取表biao的第i行，即{xi,yi}biao[[i ,1]] 是提取表biao的第i行的第一个数, 即xibiao[[i ,2]] 是提取表biao的第i行的第一个数, 即yibiao[[i ,2]]-f[biao[[i ,1]]] 即yi-(a*xi+b)（习题2）非线性拟合修改、补充程序要说明拟合效果，主要从形（大多数散点是否在拟合曲线上或附近）与量（残差是否小）！计算残差的程序：假设对两个变量的多组记录数据已有程序biao={{x1,y1},{x2,y2},…,{xn,yn}}并且通过Fit得到非线性拟合函数y=f(x)我们可以先定义函数（程序）f[x_]:=再给出计算残差的程序dareta=Sum[(biao[[i ,2]]-f[biao[[i ,1]]])^2,{i ,1, n}]程序说明：biao[[i]]是提取表biao的第i行，即{xi,yi}biao[[i ,1]] 是提取表biao的第i行的第一个数, 即xibiao[[i ,2]] 是提取表biao的第i行的第一个数, 即yibiao[[i ,2]]-f[biao[[i ,1]]] 即yi-f(xi)三、实验的整体思路（1）对数据线性拟合1、先对习题1的十组数据线性拟合，并从形与量看拟合效果；2、对习题1的十组数据中的9组数据线性拟合，并从形与量看拟合效果；3、对习题1的十组数据中的6组数据线性拟合，并从形与量看拟合效果。
数学建模Matlab数据拟合详解
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插值问题
已知 n+1个节点 (xj,yj)(j0,1, n,其中 x j
数学建模插值与拟合实验题
数学建模插值与拟合实验题
1.处理2021年大学生数学建模竞赛a题：“中国人口增长预测”附件中的数据，得
到以下几个问题的拟合结果，并绘制图形
（1）将1994～2022岁婴儿的性别比设为2022，预测性别比例为2022～2022。
（2）生育率随年龄的变化而变化，试以生育年龄为自变量，生育率为因变量，对各
年的育龄妇女生育率进行拟合；
（3）根据时间分布分析城镇、城镇的生育率，以时间为自变量，以生育率为因变量，拟合城镇、城镇的生育率，并将生育率从2022预测到2022。
（4）将某年的城镇化水平pu(t)定义为当年的城镇人口数与总人口数之
Karmeshu（1992）发现，自20世纪50年代以来，随着经济发展水平的提高，发达国
家城市人口的增长速度一直快于农村地区。
但是，随着城市化水平的提高，达到100%，速度将会放缓。
城市化水平的增长曲线粗略地表现为“S”型Logistic曲线〔4〕，对中国
人口1%的调查数据进行了曲线拟合，从附录2中给出了2001～2022的数据，得到了曲线，并绘制了城市化水平从2001到2050的曲线。
2.处理2021年大学生数学建模竞赛a题：“城市表层土壤重金属污染分析”附件中
的数据，完成下列问题
（1）以城区采样点为插值节点，绘制城区地形图和等高线图；（2）绘制城区8种
重金属浓度的空间分布图。
并指出最高和最低浓度点的位置。
插值的方法可用三次插值、kriging插值、shepard插值等。
工具可用matlab，也可
用surfer软件实现。
数学建模中的参数拟合方法
数学建模中的参数拟合方法数学建模是研究实际问题时运用数学方法建立模型，分析和预测问题的一种方法。
在建立模型的过程中，参数拟合是非常重要的一环。
所谓参数拟合，就是通过已知数据来推算模型中的未知参数，使模型更加精准地描述现实情况。
本文将介绍数学建模中常用的参数拟合方法。
一、最小二乘法最小二乘法是一种常用的线性和非线性回归方法。
该方法通过最小化误差的平方和来估计模型参数。
同时该方法的优点在于可以使用简单的数学公式解决问题。
最小二乘法的基本思想可以简单地表示如下：对于给定的数据集合，设其对应的观测值集合为y,$y_1,y_2,...,y_n$，对应的自变量集合为x,$x_1,x_2,...,x_n$，则目标是找到一组系数使得拟合曲线最接近实际数据点。
通常拟合曲线可以用如下所示的线性方程表示：$$f(x)=a_0+a_1x+a_2x^2+...+a_kx^k$$其中，k为拟合曲线的阶数，$a_i$表示第i个系数。
最小二乘法的目标即为找到一组系数${a_0,a_1,...,a_k}$，使得曲线拟合残差平方和最小：$$S=\sum_{i=1}^{n}(y_i-f(x_i))^2$$则称此时求得的拟合数学模型为最小二乘拟合模型。
最小二乘法在实际问题中应用广泛，如线性回归分析、非线性回归分析、多项式拟合、模拟建模等领域。
对于非线性模型，最小二乘法的数学公式比较复杂，需要使用计算机编程实现。
二、梯度下降法梯度下降法是一种优化算法，通过求解函数的导数，从而找到函数的最小值点。
在数学建模中，梯度下降法可以用于非线性回归分析，最小化误差函数。
梯度下降法的基本思想为：在小区间范围内，将函数$f(x)$视为线性的，取其一阶泰勒展开式，在此基础上进行优化。
由于$f(x)$的导数表示$f(x)$函数值增大最快的方向，因此梯度下降法可以通过调整参数的值，逐渐朝向函数的最小值点移动。
具体地，对于给定的数据集合，设其对应的观测值集合为y,$y_1,y_2,...,y_n$，对应的自变量集合为x,$x_1,x_2,...,x_n$，则目标是找到一组系数使得拟合曲线最接近实际数据点。
数学建模数据拟合例题解析建模及代码
数学建模数据拟合例题解析近年来，数学建模在各个领域得到了广泛的应用，其中数据拟合作为数学建模中重要的一环，更是被广泛应用于实际问题中。
本文将以一个例题为例，通过建模和代码的方法，解析数据拟合的过程，帮助读者更好地理解和应用数据拟合的方法。
1. 问题描述假设我们有一组实验数据，数据中包含了一个变量x和一个变量y，我们想通过这组实验数据，建立一个数学模型来描述x和y之间的关系，并且用这个模型来预测其他x对应的y值。
2. 数据分析我们需要对实验数据进行分析，观察数据的分布规律以及x和y之间的关系。
通常情况下，我们可以通过绘制散点图的方式来直观地观察数据的分布情况。
3. 数据拟合模型的选择在观察了实验数据的分布规律之后，我们需要选择一个适合的数据拟合模型来描述x和y之间的关系。
常用的数据拟合模型包括线性回归模型、多项式拟合模型、指数拟合模型、对数拟合模型等。
在选择模型时，需要考虑模型的复杂程度、拟合效果以及实际问题的需求。
4. 模型建立选择了数据拟合模型之后，我们需要利用实验数据来建立模型，通常可以通过最小二乘法或者最大似然估计的方法来确定模型的参数。
以线性回归模型为例，假设模型为y=ax+b，我们需要通过最小二乘法来确定参数a和b的取值，使得模型能够最好地拟合实验数据。
5. 模型评估建立模型之后，我们需要对模型进行评估，以确定模型的拟合效果。
常用的评估指标包括决定系数R^2、均方误差MSE等。
通过这些评估指标，我们可以了解模型的拟合效果如何，并且对模型进行优化和改进。
6. 模型预测我们可以利用建立的模型来进行预测，预测其他x对应的y值。
通过模型预测，我们可以更好地理解实验数据中x和y之间的关系，从而为实际问题的决策提供支持。
通过以上的解析，我们可以清楚地了解了数据拟合的整个过程，包括数据分析、模型选择、模型建立、模型评估以及模型预测等环节。
通过这些方法和步骤，我们可以更好地理解和应用数据拟合的方法，在实际问题中更好地解决实际问题。
数学建模——拟合：建立一个动物体重与心率之间的模型
实验内容
生物学家认为，对于休息状态的热血动物，消耗的能量主要用于维持体温，能量与从心脏到全身的血流量成正比，而体温主要通过身体表面散失，建立一个动物体重（单位：g）与心率（单位：次/min）之间的模型，并用下面的数据加以检验。
动物
体重
心率
田鼠
25
670
家鼠
200
SSE: 2433
R-square: 0.993
Adjusted R-square: 0.9902
RMSE: 22.06
通实实例实用生物家实实实于休息实的实血实物消耗的能量主要用于实持能量心实到全身的血流量成正比而主要通实身表面散失建立一实物次min之实的模型用下面的据加以实实
实验报告
实验目的Байду номын сангаас
1、掌握用MATLAB计算拉格朗日、分段线性、三次样条三种插值的方法，改变节点的数目，对三种插值结果进行初步分析。
2、掌握MATLAB曲线拟合工具箱。
实验结果
f(x) = a*x^b+c
Coefficients (with 95% confidence bounds):
a = 1592 (1252, 1931)
b = -0.2483 (-0.3346, -0.1621)
c = -36.17 (-128.5, 56.12)
Goodness of fit:
420
兔
2000
205
小狗
5000
120
大狗
30000
85
羊
50000
70
人
70000
72
马
450000
38
数学建模 拟合
定理：当RTR可逆时，超定方程组（3）存在最小二乘 解，且即为方程组
RTRa=RTy
的解：a=(RTR)-1RTy
线性最小二乘拟合 f(x)=a1r1(x)+ …+amrm(x)中 函数{r1(x),…,rm(x)}的选取 1. 通过机理分析建立数学模型来确定 f(x)； 2. 将数据 (xi,yi) i=1, …,n 作图，通过直观判断确定 f(x)： f=a1+a2x + + + + + f=a1+a2x+a3x2 + + + + + f=a1+a2x+a3x2 + + + + +
线性最小二乘法的求解：预备知识 超定方程组：方程个数大于未知量个数的方程组
r11a1 r12 a2 r1m am y1 (n m) r a r a r a y nm m n n1 1 n 2 2
r 11 R 其中 rn1 r 12 rn 2
N e
at b
e . ( a, e )
x
b
(1)对数变换：y=log(N) = a t + b (2)线性拟合： p=polyfit(t,y,1) (3)计算2000年人口数据:N2=exp(polyval(p,t))
结果为：
求得的拟合方程为：
y 0.0186t 28.4331
指数曲线拟合 很多情况下, 函数的增长情况是以指数方式发展的. 即曲线方程为
y e .
x
取对数后, 上式变为
ln y ln x b ax.
数学建模估计水塔的流量用数学软件求解拟合问题
算法设计与编程
1. 拟合第1、2时段的水位，并导出流量
2. 拟合供水时段的流量
3. 估计一天总用水量
4. 流量及总用水量的检验
1. 拟合第1时段的水位，并导出流量 设t，h为已输入的时刻和水位测量记录（水泵启动的4个时刻不输入），第1时段各 时刻的流量可如下得： 1） c1=polyfit（t（1：10），h（1：10），3）； %用3次多项式拟合第1时段水位，c1输出3次多项式的系数 2）a1=polyder（c1）； % a1输出多项式（系数为c1）导数的系数
m 3 103 L
MATLAB(llgjz)
4. 流量及总用水量的检验
计算出的各时刻的流量可用水位记录的数值微分来检验．用水量y1可用第1时段水位测 量记录中下降高度968-822=146来检验，类似地，y2用1082-822=260检验． 供水时段流量的一种检验方法如下：供水时段的用水量加上水位上升值 260是该时段泵入 的水量，除以时段长度得到水泵的功率（单位时间泵入的水量），而两个供水时段水泵的 功率应大致相等．第1、2时段水泵的功率可计算如下： p1=(y12+260)/2； %第1供水时段水泵的功率 （水量仍以高度计） tp4=20.8：0.1：23； xp2=polyval（c3，tp4）； % xp2输出第2供水时段 各时刻的流量 p2=(0.1*trapz(xp2)+260)/2.2； %第2供水时段水泵的功率 （水量仍以高度计） 计算结果：p1=154.5 ，p2=140.1
用非线性最小二乘拟合c(t)-用lsqcurvefit
1. 用M文件curvefun3.m定义函数
function f=curvefun3(x,tdata) d=300 f=(x(1)\d)*exp(-x(2)*tdata) % x(1)=v; x(2)=k
数学建模常见的一些方法【04拟合算法】
数学建模常见的⼀些⽅法【04拟合算法】@⽬录数学建模常见的⼀些⽅法1. 拟合算法与插值问题不同，在拟合问题中不需要曲线⼀定经过给定的点。
拟合问题的⽬标是寻求⼀个函数（曲线），使得该曲线在某种准则下与所有的数据点最为接近，即曲线拟合的最好（最⼩化损失函数）。
1.1 插值和拟合的区别 插值算法中，得到的多项式f(x)要经过所有样本点。
但是如果样本点太多，那么这个多项式次数过⾼，会造成。
尽管我们可以选择分段的⽅法避免这种现象，但是更多时候我们更倾向于得到⼀个确定的曲线，尽管这条曲线不能经过每⼀个样本点，但只要保证误差⾜够⼩即可，这就是拟合的思想。
(拟合的结果是得到⼀个确定的曲线)1.2 求解最⼩⼆乘法1.3 Matlab求解最⼩⼆乘测试数据:x =4.20005.90002.70003.80003.80005.60006.90003.50003.60002.90004.20006.10005.50006.60002.90003.30005.90006.00005.6000>> yy =8.400011.70004.20006.10007.900010.200013.20006.60006.00004.60008.400012.000010.300013.30004.60006.700010.800011.50009.9000计算代码:>> plot(x,y,'o')>> % 给x和y轴加上标签>> xlabel('x的值')>> ylabel('y的值')>> n = size(x,1);>> k = (n*sum(x.*y)-sum(x)*sum(y))/(n*sum(x.*x)-sum(x)*sum(x))>> b = (sum(x.*x)*sum(y)-sum(x)*sum(x.*y))/(n*sum(x.*x)-sum(x)*sum(x))>> hold on % 继续在之前的图形上来画图形>> grid on % 显⽰⽹格线>> f=@(x) k*x+b; % 函数线>> fplot(f,[2.5,7]); % 设置显⽰范围>> legend('样本数据','拟合函数','location','SouthEast')计算过程：>> plot(x,y,'o')>> % 给x和y轴加上标签>> xlabel('x的值')>> ylabel('y的值')>> n = size(x,1);>> n*sum(x.*y)-sum(x)*sum(y)ans = 1.3710e+03>> n*sum(x.*x)-sum(x)*sum(x)ans = 654.4600>> k = (n*sum(x.*y)-sum(x)*sum(y))/(n*sum(x.*x)-sum(x)*sum(x))k = 2.0948>> b = (sum(x.*x)*sum(y)-sum(x)*sum(x.*y))/(n*sum(x.*x)-sum(x)*sum(x))b = -1.0548>> hold on>> grid on>> f=@(x) k*x+b;>> fplot(f,[2.5,7]);>> legend('样本数据','拟合函数','location','SouthEast')1.4 如何评价拟合的好坏线性函数是指对参数为线性（线性于参数）在函数中，参数仅以⼀次⽅出现，且不能乘以或除以其他任何的参数，并不能出现参数的复合函数形式。
数学建模插值和拟合问题的总结
插值和数据拟合一、 插值方法问题：已知n+1个节点(x j ,y j )(j=0,1,…,n)，a=x 0<x 1<…< x n =b ，求任一插值点x*处的插值y*方法：构造一个相对简单的函数y=f(x)，使得f 通过所有节点，即f(x j )= y j ,再用y=f(x)计算x*的值。
1. 拉格朗日多项式插值设f(x)是n 次多项式，记作1110()n n n n n L x a x a x a x a --=++++要求对于节点(,)j j x y 有(),0,1,,n j j L x y j n ==将n+1个条件带入多项式，就可以解出多项式的n+1个系数。
实际上，我们有n 次多项式011011()()()()()()()()()i i n i i i i i i i n x x x x x x x x l x x x x x x x x x -+-+----=----满足1,()0,,,0,1,,i j i jl x i j i j n =⎧=⎨≠=⎩则0()()nn i i i L x y l x ==∑就是所要的n 次多项式，称为拉格朗日多项式。
由拉格朗日多项式计算的插值称为拉格朗日插值。
一般来讲，并不是多项式的阶数越高就越精确，一般采用三阶、二阶或一阶（线性）多项式，对相邻点进行分段插值。
2. 样条插值在分段插值时，会造成分段点处不光滑，如果要求在分段点处光滑，即不仅函数值相同，还要一阶导数和二阶导数相同，则构成三阶样条插值。
一般用于曲线绘制，数据估计等。
例 对21,[5,5](1)y x x =∈-+，用n=11个等分节点做插值运算，用m=21个等分插值点作图比较结果。
见inter.m 程序二、 曲线拟合 三、 给药方案 １． 问题一种新药用于临床必须设计给药方案，在快速静脉注射的给药方式下，就是要确定每次注射剂量多大，间隔时间多长．我们考虑最简单的一室模型，即整个机体看作一个房室，称为中心室，室内血液浓度是均匀的．注射后浓度上升，然后逐渐下降，要求有一个最小浓度1c 和一个最大浓度2c ．设计给药浓度时，要使血药浓度保持在1c ~2c 之间．２． 假设（１）药物排向体外的速度与中心室的血药浓度成正比，比例系数是k(>0)，称为排出速度．（２）中心室血液容积为常数V ，t=0的瞬间注入药物的剂量为d ，血药浓度立即为dV． ３． 建模设中心室血药浓度为c(t)，满足微分方程(0)dckc dtd c V=-=用分离变量法解微分方程，有()ktd c te V-=(*) ４． 方案设计每隔一段时间τ，重复注入固定剂量D ，使血药浓度c(t)呈周期变化，并保持在1c ~2c 之间．如图：设初次剂量加大到D 0，易知0221,D Vc D Vc Vc ==-，2121()11ln[],()()ln c Vc t t t c t c k d k c τ=-=-= 那么，当12,c c 确定后，要确定给药方案0{,,}D D τ，就要知道参数V 和k ．５． 由实验数据做曲线拟合确定参数值已知1210,25(/)c c g ml μ==，一次注入300mg 药物后，间隔一定ln lndc kt V=- 记12ln ,,lndy c a k a V==-=，则有 12y a t a =+求解过程见medicine_1.m得120.2347, 2.9943a a =-=，由d=300(mg)代入算出k=0.2347,V=15.02(L) 从而有0375.5(),225.3(), 3.9()D mg D mg τ===小时四、 口服给药方案 １． 问题口服给药相当于先有一个将药物从肠胃吸收入血液的过程，可简化为一个吸收室，一个中心室，记t 时刻，中心室和吸收室的血液浓度分别是1()()c t c t 和，容积分别是V ,V1，中心室的排除速度为k ，吸收速度为k1，且k,k1分别是中心室和吸收室血液浓度变化率与浓度的比例系数，t=0口服药物的剂量为d ，则有11111,(0)dc dk c c dt V =-= (1) 111,(0)0V dckc k c c dt V=-+= (2) 解方程(1)有111()k td c te V -=代入方程(2)有111()()k t kt k d c t e e V k k--=--其中三个参数1,,dk k b V=,可由下列数据拟合得到：（非线性拟合）。
数学建模-拟合模型
y 2.33e
2
Q 0.7437
结论
1. Q1 = 0.2915 < 0.7437 = Q2. 线性模型更适合中国人口的增长。 2. 预报：1999年12.55亿，13.43亿 3. 人口白皮书： 2005年13.3亿， 2010年14亿 模型 I 2005年13.43亿，2010年14.16亿 模型II 14.94亿， 16.33亿
2 1i
l11b1 l12b2 l1y l21b1 l22b2 i x2i )b 2i ˆ2 x2i yi 1
模型：y = a+b1x1+b2x2， 数据：yi a b1x1i b2 x2i i y Ab , A (1, X ) T T 精度：Q ( y Ab ) ( y Ab )
1 n 1 n x xi , y yi n i 1 n i 1
l xy ( xi x )( yi y ) l xx ( xi x ) 2
i 1
n
参数估计
可以算出：a = – 1.93， b = 0.146 模型：y = – 1.93 + 0.146 x
2. 线性最小二乘法
模型：y = a， 数据： yi a i , i 1,, n 精度：Q
2 i
( yi a)2
2 2 ( y 2 y a a i i )
yi2 2( yi )a na2
1 估计： a ˆ yi y n
2 2
U b l xx U Q r 1 l yy l yy l xxl yy Q U l yy
(完整版)数学建模 插值和拟合
x
xn
x
4.2 MATLAB实现插值
Matlab 实现：实现插值不需要编制函 数程序，它自身提供了内部的功能函数 interp1(一维分段插值) interp2(二维) interp3(三维) intern(n维)
4.3.1一维插值
用MATLAB作插值计算
一维插值函数： yi=interp1(x，y，xi，'method')
h=1:0.1:12;
t=interp1(hours,temps,h,'spline');
plot(hours,temps,'+',h,t,'r:')
xlabel('Hour'),ylabel('Degrees Celsius’)
例1：从1点12点的11小时内，每隔1小时测量一次温度， 测得的温度的数值依次为：5，8，9，15，25，29， 31，30，22，25，27，24．试估计(1)每隔1/10小时 的温度值;（2）估计1点30分和13的温度值。
例1：从1点到12点的11小时内，每隔1小时测量一次温 度，测得的温度的数值依次为：5，8，9，15，25， 29，31，30，22，25，27，24．试估计(1)每隔 1/10小时的温度值;（2）估计1点30分和13的温度值。
hours=1:12;
temps=[5 8 9 15 25 29 31 30 22 25 27 24];
x x0 y y0
x1 … xn y1 … yn
其中x0,x1, …xn是n+1个互不相同的点，求一个 近似函数 (x) ，使得
( xi ) f ( xi ) i 0,1 …n
一组适合初三教学的数学建模案例——数据拟合模型
一组适合初三教学的数学建模案例——数据拟合模型数学建模案例之数据拟合模型数学建模是一门研究建立数学模型以及利用模型去研究问题的学科，它可以用来解决许多实际问题，为这些问题提供更好的解决方案，有效地提高工作效率。
数学建模作为一门新兴的学科已经成为初中生学习数学的重要组成部分，而对于初中生来说，学习数学建模将有助于培养他们的分析问题和解决问题的能力。
其中，数据拟合模型是建模学科中的一种重要的建模方式，也是初中生学习的一种重要内容。
数据拟合模型的基本思想是：通过对一定数据资料的分析，将其用规律曲线图形表示，以拟合这些数据，使之更接近实际运行情况。
在实际应用中，数据拟合是一种建模技术，它可以用来分析特定系统或指标的多种变化趋势，因此可以更好地预测未来的变化趋势和结果。
下面以一个实际的例子来介绍数据拟合模型在初三数学教学中的应用，具体如下：一家企业的一周的产品销售情况如下表所示：星期一-2500，星期二-3000，星期三-4000，星期四-3500，星期五-4500，星期六-5100，星期日-6000，请根据这些数据建立数据拟合模型，了解这家企业每周的产品销售情况。
首先，在构建数据拟合模型之前，需要根据上述数据分析出其变化趋势，它可以通过观察上述数据来判断：这些数据显示出了一个以上下缓冲为特征的曲线变化趋势。
其次，根据上述分析，可以利用它的特征，构建一个拟合函数来模拟上述变化趋势，具体的拟合函数可设为y=A·sin(k·x+b)+c，其中A、k、b、c是拟合模型的参数，它们的值可通过给定的数据点的拟合来进行计算。
同时，可以利用Excel等绘图工具，建立数据拟合模型，进行实际分析模型，从而更好地分析这家企业每周的产品销售情况，并进行有效的预测。
从上述案例可以看出，数据拟合模型中的介绍可以帮助初三学生更加系统的理解数据拟合的基本原理以及建模的具体方法，从而更好地应用到实践中。
总之，在初中数学教学中，引入数据拟合模型可以使学生更系统地掌握建模技术，也可以让学生更加实践性地学习数学，从而更有效地学习数学。
数学建模曲线拟合模型
数学建模曲线拟合模型在数据分析与预测中，曲线拟合是一个重要的步骤。
它可以帮助我们找到数据之间的潜在关系，并为未来的趋势和行为提供有价值的洞察。
本篇文章将深入探讨数学建模曲线拟合模型的各个方面，包括数据预处理、特征选择、模型选择、参数估计、模型评估、模型优化、模型部署、错误分析和调整等。
一、数据预处理数据预处理是任何数据分析过程的第一步，对于曲线拟合尤为重要。
这一阶段的目标是清理和准备数据，以便更好地进行后续分析。
数据预处理包括检查缺失值、异常值和重复值，以及可能的规范化或归一化步骤，以确保数据在相同的尺度上。
二、特征选择特征选择是选择与预测变量最相关和最有信息量的特征的过程。
在曲线拟合中，特征选择至关重要，因为它可以帮助我们确定哪些变量对预测结果有显著影响，并简化模型。
有多种特征选择方法，如基于统计的方法、基于模型的方法和集成方法。
三、模型选择在完成数据预处理和特征选择后，我们需要选择最适合数据的模型。
有许多不同的曲线拟合模型可供选择，包括多项式回归、指数模型、对数模型等。
在选择模型时，我们应考虑模型的预测能力、解释性以及复杂性。
为了选择最佳模型，可以使用诸如交叉验证和网格搜索等技术。
四、参数估计在选择了一个合适的模型后，我们需要估计其参数。
参数估计的目标是最小化模型的预测误差。
有多种参数估计方法，包括最大似然估计和最小二乘法。
在实践中，最小二乘法是最常用的方法之一，因为它可以提供最佳线性无偏估计。
五、模型评估在参数估计完成后，我们需要评估模型的性能。
这可以通过使用诸如均方误差（MSE）、均方根误差（RMSE）和决定系数（R²）等指标来完成。
我们还可以使用诸如交叉验证等技术来评估模型的泛化能力。
此外，可视化工具（如残差图）也可以帮助我们更好地理解模型的性能。
六、模型优化如果模型的性能不理想，我们需要对其进行优化。
这可以通过多种方法实现，包括增加或减少特征、更改模型类型或调整模型参数等。
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则称a为上述超定方程的最小二乘解。
10
线性最小二乘法的求解 所以，曲线拟合的最小二乘法要解决的问题，实际上就是 求以下超定方程组的最小二乘解的问题。 Ra=y （3） r1 ( x1 ) rm ( x1 ) a1 y1 , a , y R am yn r1 ( xn ) rm ( xn )
21
0.0.2 kt c ( t ) a be 例2 用下面一组数据拟合
中的参数a，b，k
tj
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
c j 103 4.54 4.99 5.35 5.65 5.90 6.10 6.26 6.39 6.50 6.59
n
即 Ra=y
r1m a1 y1 , y , a rnm am yn
超定方程一般是不存在解的矛盾方程组。
2 ( r a r a r a y ) 如果有向量a使得 i1 1 i 2 2 达到最小， im m i i 1
实例：下面数据是某次实验所得，希望得到X和 f之间的关系？
x f 1 1.5 2 3.9 4 6.6 7 11.7 9 15.6 12 13 18.8 19.6 15 20.6 17 21.1
MATLAB(cn)
7
最临近插值、线性插值、样条插值与曲线拟合结果：
25
0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
5
10
0
曲 线 拟 合 问 题 的 提 法
已知一组（二维）数据，即平面上 n个点（xi,yi) i=1,…n, 寻求一个函数（曲线）y=f(x), 使 f(x) 在某种准则下与所 有数据点最为接近，即曲线拟合得最好。 y + +
+
+
+ i (x+ i,yi)
+ +
+
y=f(x)
x
i 为点（xi,yi) 与曲线 y=f(x) 的距离
电阻R() 765 求600C时的电阻R。
1100 1000 900 800 700 20
826
873
942 1032
设 R=at+b a,b为待定系数
40
60Biblioteka 801004拟 合 问 题 引 例 2 已知一室模型快速静脉注射下的血药浓度数据(t=0注射300mg) t (h) 0.25 0.5 1 1.5 2 3 4 6 8
数学建模与数学实验
拟 合
数理部
1
实验目的
1、直观了解拟合基本内容。
2、掌握用数学软件求解拟合问题。
实验内容
1、拟合问题引例及基本理论。 2、用数学软件求解拟合问题。 3、应用实例 4、实验作业。
2
拟 合
1. 拟合问题引例 2.拟合的基本原理
3
拟 合 问 题 引 例 1
0C) 20.5 32.7 51.0 73.0 95.7 温度 t( 已知热敏电阻数据：
MATLAB(zxec2)
%作出数据点和拟合曲线的图形 20.1293 -0.0317
2）计算结果： Ａ = -9.8108
f ( x) 9.8108x 2 20.1293x 0.0317
17
用MATLAB作非线性最小二乘拟合
Matlab的提供了两个求非线性最小二乘拟合的函数： lsqcurvefit和lsqnonlin。两个命令都要先建立M-文件fun.m， 在其中定义函数f(x)，但两者定义f(x)的方式是不同的,可参 考例题. 1. lsqcurvefit 已知数据点： xdata=（xdata1，xdata2，…，xdatan）， ydata=（ydata1，ydata2，…，ydatan） lsqcurvefit用以求含参量x（向量）的向量值函数
该问题即解最优化问题：
min F (a, b, k ) [a be
j 1 10 0.02 kt j
c j ]2
22
解法1. 用命令lsqcurvefit
F(x，tdata)= (a be0.02 kt1 ,, a be0.02 kt10 )T ，x=(a，b，k) 1）编写M-文件 curvefun1.m function f=curvefun1(x,tdata) f=x(1)+x(2)*exp(-0.02*x(3)*tdata) %其中 x(1)=a; x(2)=b；x(3)=k; 2）输入命令 tdata=100:100:1000 cdata=1e-03*[4.54,4.99,5.35,5.65,5.90,6.10,6.26,6.39, 6.50,6.59]; x0=[0.2,0.05,0.05]; x=lsqcurvefit ('curvefun1',x0,tdata,cdata) f= curvefun1(x,tdata)
Rnmam1 yn1 (m n) ，用 a R \ y
可得最小二乘意义下的解。 3.多项式在x处的值y可用以下命令计算：
y=polyval（a，x）
14
例 对下面一组数据作二次多项式拟合
xi yi 0.1 1.978 0.2 3.28 0.4 6.16 0.5 7.34 0.6 7.66 0.7 9.58 0.8 9.48 0.9 1
线性最小二乘法的求解：预备知识 超定方程组：方程个数大于未知量个数的方程组
r11a1 r12 a2 r1m am y1 ( n m) r a r a r a y nm m n n1 1 n 2 2
r11 R 其中 rn1 r 12 rn 2
c (g/ml) 19.21 18.15 15.36 14.10 12.89 9.32 7.45 5.24 3.01
求血药浓度随时间的变化规律c(t). 作半对数坐标系(semilogy)下的图形
10
2
MATLAB(aa1)
10
1
c(t ) c0 e
kt
c, k为待定系数
0 2 4 6 8
F(x,xdata)=（F（x，xdata1），…，F（x，xdatan））T
中的参变量x(向量),使得
n 2
( F ( x, xdata ) ydata )
i 1 i i
最小
18
输入格式为: (1) x = lsqcurvefit (‘fun’,x0,xdata,ydata); (2) x =lsqcurvefit (‘fun’,x0,xdata,ydata,options); (3) x = lsqcurvefit (‘fun’,x0,xdata,ydata,options,’grad’); (4) [x, options] = lsqcurvefit (‘fun’,x0,xdata,ydata,…); (5) [x, options,funval] = lsqcurvefit (‘fun’,x0,xdata,ydata,…); (6) [x, options,funval, Jacob] = lsqcurvefit (‘fun’,x0,xdata,ydata,…); 说明：x = lsqcurvefit (‘fun’,x0,xdata,ydata,options); fun是一个事先建立的 定义函数F(x,xdata) 的 M-文件, 自变量为x和 xdata 选项见无 迭代初值 已知数据点 约束优化
其中
定理：当RTR可逆时，超定方程组（3）存在最小二乘解， 且即为方程组
RTRa=RTy
的解：a=(RTR)-1RTy
11
线性最小二乘拟合 f(x)=a1r1(x)+ …+amrm(x)中 函数{r1(x), …rm(x)}的选取 1. 通过机理分析建立数学模型来确定 f(x)； 2. 将数据 (xi,yi) i=1, …n 作图，通过直观判断确定 f(x)： f=a1+a2x + + + + + f=a1+a2x+a3x2 + + + + + f=a1+a2x+a3x2 + + + + +
19
2. lsqnonlin
已知数据点： xdata=（xdata1，xdata2，…，xdatan） ydata=（ydata1，ydata2，…，ydatan） lsqnonlin用以求含参量x（向量）的向量值函数 f(x)=(f1(x),f2(x),…,fn(x))T 中的参量x，使得
f T ( x) f ( x) f1 ( x)2 f 2 ( x)2 f n ( x)2
f=a1+a2/x + + +
f=aebx +
+
-bx f=ae + +
+ +
+ + +
+
+ +
12
用MATLAB解拟合问题
1、线性最小二乘拟合
2、非线性最小二乘拟合
13
用MATLAB作线性最小二乘拟合
1. 作多项式f(x)=a1xm+ …+amx+am+1拟合,可利用已有程序: a=polyfit(x,y,m) 输出拟合多项式系数 a=[a1, …am , am+1] (数组)） 2. 对超定方程组 输入同长度 的数组X，Y 拟合多项 式次数
最小。 其中 fi（x）=f（x，xdatai，ydatai） =F(x,xdatai)-ydatai