微积分与数学建模
数学建模重要知识点总结
数学建模重要知识点总结一、微积分微积分是数学建模中最重要的数学工具之一，它包括微分和积分两大部分。
微分是求函数的导数，用于描述函数的变化率和曲线的切线。
而积分则是求函数的不定积分或定积分，用于描述函数的面积、体积等性质。
在数学建模中，微积分可以用于建立问题的数学模型，求解微分方程和积分方程，对函数进行优化等。
例如，在物理建模中，我们经常会用到微积分来描述物体的运动、速度和加速度等。
在经济学建模中，微积分可以用来描述供求关系、利润最大化等问题。
二、线性代数线性代数是研究向量空间、线性映射和矩阵等数学对象的学科。
在数学建模中，线性代数可以用于描述多维空间中的几何关系、解线性方程组、求解最小二乘问题等。
例如，在计算机图形学中，线性代数可以用来描述和变换三维物体的位置和姿态。
在统计学建模中，线性代数可以用来对数据进行降维、拟合线性模型等。
三、概率论与数理统计概率论与数理统计是研究随机现象的规律性和统计规律的学科。
在数学建模中，概率论与数理统计可以用于描述随机现象的概率分布、推断总体参数、假设检验等。
例如，在风险管理建模中，我们经常会用到概率论与数理统计来描述风险的分布和进行风险评估。
在机器学习建模中，概率论与数理统计可以用来对数据进行建模和推断。
四、数学优化数学优化是研究如何在给定约束条件下，找到使目标函数取得极值的方法和理论。
在数学建模中，数学优化可以用来对问题进行建模和求解。
例如，在生产调度问题中，我们可以用数学优化来寻找最优的生产计划；在投资组合优化中，我们可以用数学优化来构建最优的资产配置。
五、微分方程微分方程是研究未知函数及其导数之间关系的方程。
在数学建模中，微分方程可以用来描述系统的动力学行为、生物种群的增长规律、热传导过程等。
我们可以通过对微分方程进行数值求解、解析求解或者定性分析，来获得系统的行为特征。
六、离散数学离散数学是研究离散结构及其性质的数学学科，包括集合论、图论、逻辑和代数等内容。
微积分方法建模1飞机的降落曲线--数学建模案例分析
第二章 微积分方法建模现实对象涉及的变量多是连续的，所以建立连续模型是很自然的，而连续模型一般可以用微积分为工具求解，得到的解析解便于进行理论分析，于是有些离散对象，如人口的演变过程，也可以构造连续模型。
当我们描述实际对象的某些特性随时间（或空间）而演变的过程，分析它的变化规律，预测它的未来性态时，通常要建立对象的动态模型。
建模时首先要根据建模目的和对问题的具体分析作出简化假设，然后按照对象内在的或可以类比的其它对象的规律列出微分方程，求出方程的解并将结果翻译回实际对象，就可以进行描述、分析或预测了。
§1 飞机的降落曲线根据经验，一架水平飞行的飞机，其降落曲线是一条三次抛物线（如图）。
在整个降落过程中，飞机的水平速度保持为常数u ，出于安全考虑，飞机垂直加速度的最大绝对值不得超过10/g （这里g 是重力加速度）。
已知飞机飞行高度h （飞临机场上空时），要在跑道上O 点着陆，应找出开始下降点0x 所能允许的最小值。
一、 确定飞机降落曲线的方程设飞机的降落曲线为d cx bx ax y +++=23由题设有 h x y y ==)(,0)0(0。
由于曲线是光滑的，所以y(x)还要满足0)(,0)0(0='='x y y 。
将上述的四个条件代入y 的 表达式⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=++='=+++==='==023)()(0)0(0)0(020*******c bx ax x y hd cx bx ax x y c y d y 得 ,0,0,3,22030===-=d c x h b x ha飞机的降落曲线为 )32(23020x x x x h y --= 二、 找出最佳着陆点飞机的垂直速度是y 关于时间t 的导数，故dt dx x x x x h dt dy )66(2020--= 其中dtdx 是飞机的水平速度，,u dt dx = 因此 )(60220x x x x hu dt dy --= 垂直加速度为)12(6)12(6020202022--=--=x x x hu dt dx x x x hu dt y d 记 ,)(22dt y d x a =则126)(0202-=x x x hu x a ，[]0,0x x ∈ 因此，垂直加速度的最大绝对值为 2026)(max x hu x a = []0,0x x ∈设计要求 106202g x hu ≤，所以gh u x 600⋅≥ （允许的最小值） 例如：小时/540km u =，m h 1000=，则0x 应满足：)(117378.9100060360010005400m x =⨯⨯≥ 即飞机所需的降落距离不得小于11737米。
数学建模思想融入微积分
目录
数学建模概述 微积分基础知识 数学建模在微积分中的应用 案例分析 数学建模思想在微积分教学中的实践与思考
01
数学建模概述
数学建模的定义
数学建模：运用数学语言、符号、公式和理论对现实问题进行抽象和简化，以解决实际问题的方法和过程。
数学建模是一种跨学科的综合性技术，涉及数学、计算机科学、工程学等多个领域。
详细描述
无穷小和极限在建模中有着广泛的应用。例如，在物理学中，瞬时速度可以看作是平均速度的极限，而瞬时加速度则可以看作是平均加速度的无穷小变化量。在经济学中，无穷小和极限的概念也常用于描述经济变量的变化趋势和规律。
总结词
无穷小与极限在建模中的应用案例
05
数学建模思想在微积分教学中的实践与思考
强调概念背景
对实际问题进行深入分析，明确问题的背景、条件和目标。
问题分析
根据问题分析的结果，选择适当的数学方法和工具，建立数学模型。
建立模型
运用数学方法和计算机技术，求解建立的数学模型。
求解模型
对求解结果进行评估，并根据实际情况对模型进行优化和改进。
模型评估与优化
数学建模的基本步骤
02
微积分基础知识
03
导数与微分的应用
定积分与不定积分
定积分是积分的一种特殊形式，用于计算具体几何量或物理量；不定积分则用于求函数的原函数或反导数。
积分的应用
积分在解决实际问题中有着广泛的应用，如计算旋转体的体积、曲线的长度等。
积分
级数概念
级数是无穷多个数的和，可以用来表示连续变化的过程或现象。
无穷小的概念
无穷小是数学中的一个重要概念，用于描述函数在某点附近的变化趋势。
数学建模基础知识
数学建模基础知识引言：数学建模是一门以数学为工具、以实际问题为研究对象、以模型为核心的学科。
它通过将实际问题抽象为数学模型，并利用数学方法对模型进行分析和求解，从而得到问题的解决方案。
在数学建模中，有一些基础知识是必不可少的，本文将介绍数学建模的基础知识，包括概率与统计、线性代数、微积分和优化算法。
一、概率与统计概率与统计是数学建模的基础。
概率论用于描述随机现象的规律性，统计学则用于从观测数据中推断总体的特征。
在数学建模中，需要根据实际问题的特点选择合适的概率模型，并利用统计方法对模型进行参数估计。
1.1 概率模型概率模型是概率论的基础，在数学建模中常用的概率模型包括离散型随机变量模型和连续型随机变量模型。
离散型随机变量模型适用于描述离散型随机事件，如投硬币的结果、掷骰子的点数等；连续型随机变量模型适用于描述连续型随机事件，如身高、体重等。
在选择概率模型时，需要根据实际问题的特点进行合理选择。
1.2 统计方法统计方法用于从观测数据中推断总体的特征。
在数学建模中，经常需要根据样本数据对总体参数进行估计。
常用的统计方法包括点估计和区间估计。
点估计用于估计总体参数的具体值，如均值、方差等；区间估计则用于给出总体参数的估计范围。
另外，假设检验和方差分析也是数学建模中常用的统计方法。
二、线性代数线性代数是数学建模的重要工具之一。
它研究线性方程组的解法、向量空间与线性变换等概念。
在线性方程组的求解过程中，常用的方法包括高斯消元法、矩阵的逆和特征值分解等。
线性代数还广泛应用于图论、网络分析等领域。
2.1 线性方程组线性方程组是线性代数的基础，它可以用矩阵和向量的形式来表示。
求解线性方程组的常用方法有高斯消元法、矩阵的逆矩阵和克拉默法则等。
高斯消元法通过矩阵的初等行变换将线性方程组转化为简化行阶梯形式，从而求得方程组的解。
2.2 向量空间与线性变换向量空间是线性代数的核心概念，它由若干个向量组成，并满足一定的运算规则。
建模赛和数学竞赛中与微积分相关题目
建模赛和数学竞赛中与微积分相关题目在建模赛和数学竞赛中，微积分是一个重要的题目类型。
微积分作为数学的一个重要分支，对于解决实际问题具有重要的作用。
在建模赛和数学竞赛中，与微积分相关的题目往往涉及到函数的极值、曲线的面积、体积以及微分方程等知识点。
本文将结合建模赛和数学竞赛中常见的题目类型，介绍与微积分相关的题目，并对如何高效地解决这些题目进行讨论。
一、函数的极值在建模赛和数学竞赛中，函数的极值是一个常见的题目类型。
通常会给出一个函数，要求求出其极大值或者极小值。
解决这类题目时，需要使用微积分的极值定理，即对函数求导并令导数等于零，解出导数为零的点，再通过二阶导数判断极值的类型。
对于函数f(x)=x^2-2x+1，求其极小值，首先对函数求导得到f'(x)=2x-2，令f'(x)=0，解出x=1，再求出f''(x)=2，由f''(1)>0可知x=1处是函数f(x)的极小值点，极小值为f(1)=0。
二、曲线的面积另一个与微积分相关的常见题目类型是曲线的面积。
这类题目通常要求计算曲线与坐标轴所围成的区域的面积。
解决这类题目时，需要使用定积分的概念，即将曲线分成无穷小的小矩形，然后对这些小矩形的面积进行累加。
对于函数f(x)=x^2，要求计算其在区间[0,1]上与x轴所围成的面积，可以使用定积分进行计算，即∫[0,1] x^2 dx = 1/3。
三、曲线的体积除了曲线的面积，曲线的体积也是一个常见的题目类型。
这类题目通常要求计算曲线绕坐标轴旋转一周所形成的立体的体积。
解决这类题目时，需要使用定积分的概念，即将旋转后的曲线分成无穷小的小圆柱体，然后对这些小圆柱体的体积进行累加。
对于函数f(x)=x^2，要求计算其在区间[0,1]上绕x轴旋转一周所形成的立体的体积，可以使用定积分进行计算，即π∫[0,1] (x^2)^2 dx = π/5。
四、微分方程微分方程也是建模赛和数学竞赛中与微积分相关的题目类型之一。
数学建模(微积分)三
2 L R ( x1 x2 ) 15 14 x1 32 x2 8x1 x2 2 x12 10 x2 ( x1 x2 ) 2 15 13x1 31x2 8 x1 x2 2 x12 10 x2
L 4 x1 8 x2 13 x1 L 8 x1 20 x2 31 x2
2 2 x12 10 x2 ( x1 x2 1.5)
dL dx 4 x1 8 x2 13 0 1 dL 8 x1 20x2 31 0 dx2 dL x x 1.5 0 1 2 d
L Lmax
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(2)若提供的广告费用为1.5万元，则问题化为在条件
x1 x2 1.5 下求利润函数 L 的极大值.
2 L 15 13x1 31x2 8x1x2 2x12 10x2 构造拉格朗日函数
L( x1 , x2 , ) 15 13x1 31x2 8x1 x2
x1 0 x2 1.5
L Lmax
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可口可乐罐头为什么是这种样子?
竞赛题目 论文一 论文二
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药物在体内的分布与排除
• 药物进入机体形成血药浓度(单位体积血液的药物量) • 血药浓度需保持在一定范围内——给药方案设计 • 药物在体内吸收、分布和排除过程 ——药物动力学 • 建立房室模型——药物动力学的基本步骤 • 房室——机体的一部分，药物在一个房室内均匀 分布(血药浓度为常数)，在房室间按一定规律转移 • 本节讨论二室模型——中心室(心、肺、肾等)和 周边室(四肢、肌肉等)
问题分析
数学建模(微积分)二
，不难求得 （4）
2c1 r c2
T
2c1 rc 2
再根据（1）有，
Q
（5）
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Q
2c1 r c2
（5）
这就是经济理论中著名的经济订货批量公式（EOQ公式） 货物本身的价格可不考虑，这是因为若记每吨货 的价格为k，则一周期的总费用 C 中应添加kQ，由于
Q rT
（1）
订货后贮存量由Q均匀地下降，记任意时刻t的贮 存量为q，则q(t)的变化规律可以用图1表示
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Q A r T 图1 t
0
考察一个订货周期的总费用：订货费为c1;贮存费是
c2 q(t )dt 其中积分恰等于图中三角形的面积为A，显然
0 T
1 A QT 2
实例十一、森林救火数学模型
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贮存模型 背景 不允许缺货的贮存数学模型 知识 工厂要定期地订购各种原料，在仓库里供生产
之用。商店要成批地购进各种商品，放在货柜中以 备零售。水库在雨季蓄水，用于旱季的灌溉和航运。 无论是原料、商品还是水的贮存，都有贮存多少的 问题。原料、商品贮存得太多，贮存费用高；贮存 得太少，则无法满足需求。水库雨季蓄水过量，更 可能危及安全。当影响贮存量的因素包含随机性时， 如顾客对商品的需求，天气对蓄水的影响，需要建 立贮存模型。
Q rT 所以公式（3）中增加一常数项kr，对求解结果
式（4）、（5）没有影响。 （5）式表明，订货费c1越高，需求量越大，订货批量 Q应越大；贮存费c2越高，订货批量Q应越小，这些关系 当然是符合常识的，不过公式在定量上表明的平方关系 却是凭常识方法得到的
高等数学模型—微积分模型(数学建模课件)
2、假设易拉罐是一个正圆柱体，什么是它的最优设计？其结果是
否可以合理地说明你们所测量地易拉罐地形状和尺寸。
二、数据测量
罐直径、罐高、罐壁厚、顶盖厚、圆台高、
顶盖直径、圆柱体高、罐底厚、罐内体积等。
该如何测量？
二、数据测量
1、直接测量
①用软皮尺环绕易拉罐相关部位一圈
（罐桶直径、罐
测得周长。
高、圆台高、顶
速度、出手角度和出手高度)
作定性和定量研究并得到明
确结论。
森林救火问题
微积分模型
知识点
一、问题的提出
二、模型分析与假设
三、模型建立与求解
四、模型应用
一、问题的提出
一、问题的提出
森林失火了！消防站接到火警后，立即决定派消防队员前去救火。队
员多，火被扑灭的快，森林损失小，但救援费用大；队员少，救援费用小，
118.0 123.5 136.5 142.0 146.0 150.0 157.0 158.0];
y1=[44 45 47 50 50 38 30 30 34 36 34 41 45 46 43 37 33 28 32 65 55 54 52 50 66 66 68];
y2=[44 59 70 72 93 100 110 110 110 117 118 116 118 118 121 124 121 121 121 122 116 83 81 82 86
四、模型建立与求解
一、问题的提出
运动员单手托住铅球，在投掷圆内将铅球掷出并使铅
球落入有效区内，以铅球投掷的远度评定运动员的成绩。
问题：
建模分析如何使铅球投掷的最远？
二、问题分析
• 铅球投掷中，影响投掷距离的因素有哪些？
微积分在数学建模中的应用
微积分在数学建模中的应用纲要:数学建模活动能培育学生的数学思想能力、创新能力及剖析和解决问题的能力,而微积分被宽泛应用于数学建模之中。
重点词:微积分;数学建模数学建模数学模型与数学建模数学模型是关于现实世界的一个特定对象,为了一个特定目的,依据独有的内在规律,做出一些必需的简化假定,并运用适合的数学工具,得出的一个数学构造。
[它是使用数学符号、数学式子及数目关系对现实原型简化的本质描绘。
数学建模活动是议论成立数学模型的全过程,是经过成立数学模型解决实质问题的全过程,是一种数学思想方式。
它为学生创建了“提出问题、研究思虑和实质应用”的空间。
其特色为:(1)创建性。
因为数学建模活动所议论的是现实世界中的实质问题,而现实世界的复杂性常常使所提出的问题不可以直接套用数学定理来解决,这就需要许多的创新工作。
(2)应用性。
即给出的是一种现实的情形,一种实质的需求,让学生面对现实的实质问题,选择适合的数学方法解决问题。
(3)开放性。
提出的问题中条件可能不足,也可能冗余,问题有较强的研究性,需要从迷离混沌的状态中,运用思想能力,找出一条主要线索。
微分方程建模的一般步骤微分方程建模是用数学中微分方程解决实质问题的桥梁，拥有极大的广泛性、有效性和特别丰富的数学内涵，并在物理学、力学、工程学、生物学、医学、经济学、军事学等各个领域中有着宽泛应用．应用微分方程理论针对各样实质问题成立的数学模型，一般而言都是动向模型，其结果极其简洁，但整个推导过程却有点繁琐，可是仍是能给人们以合理的解说．所以，选准切入点，将微分方程和数学建模的内容有机的联合才能充足表现微分方程建模的思想企图．当我们描绘实质对象的某些特征随时间（或空间）而演变的过程、剖析它的变化规律、展望它的未来状态、研究它的控制手段时，往常要成立动向模型．而针对不一样的实质对象的动向模型，进行微分方程建模的一般性步骤是：1）用较精练的语言表达待解决的问题2）要依据建模的目的和对问题的详细剖析做出简化假定3）依据对象内在的或可类比的其余对象的规律成立目标函数的关系式并提出此微分方程有解的有关条件，即列出微分方程组4）求出这个微分方程的解5）用所得的结果来解说实质问题（或现象），或对问题的发展变化趋向进行展望下边以详细的实例来研究微分方程在数学建模中的应用．建模宽泛应用运用微积分知识,人们成立了很多半学模型,并解决了很多重要问题。
数学建模知识点总结
数学建模知识点总结数学建模是指利用数学方法和技术解决实际问题的过程。
它是一种综合运用数学思想和数学工具对实际问题进行分析和求解的能力。
在数学建模中，需要掌握一些基本的知识点和方法才能有效地进行建模和求解。
下面将对数学建模中的一些重要知识点进行总结和介绍。
一、数学建模的基本步骤数学建模的基本步骤包括问题的理解、建立数学模型、模型的求解和结果的验证四个步骤。
1. 问题的理解：在这一步骤中，需要明确问题的目标和约束条件，以及收集和整理与问题相关的数据和背景信息。
2. 建立数学模型：在这一步骤中，需要确定问题的数学描述方式，选择适当的数学方法和模型来描述问题，并将问题转化为数学问题。
3. 模型的求解：在这一步骤中，需要运用数学理论和方法对建立的数学模型进行求解，得到问题的解答。
4. 结果的验证：在这一步骤中，需要对求解结果进行验证和评估，判断模型的可行性和解答的准确性，并根据需要对模型进行修正和改进。
二、数学建模中的数学工具1. 微积分：微积分是数学建模中最基本的工具之一，它涉及了函数的极限、导数和积分等概念和方法。
在数学建模中，常常需要利用微积分来描述问题的变化规律和求解最优化问题。
2. 线性代数：线性代数是研究向量空间和线性变换的数学学科，它在数学建模中具有重要的应用。
在数学建模中，常常需要利用线性代数的知识来描述和处理多维数据、矩阵运算和线性方程组等问题。
3. 概率论与数理统计：概率论与数理统计是研究随机事件和随机现象的概率和统计规律的学科，它在数学建模中具有广泛的应用。
在数学建模中，常常需要利用概率论和数理统计的知识来描述和分析随机事件、概率模型和数据分布等问题。
4. 最优化理论：最优化理论是研究如何寻找最优解的数学学科，它在数学建模中具有重要的应用。
在数学建模中，常常需要利用最优化理论的知识来建立和求解最优化模型，找到问题的最优解。
5. 图论与网络流：图论与网络流是研究图和网络中的基本性质和算法的数学学科，它在数学建模中具有广泛的应用。
微积分方法建模如何预报人口的增长--数学建模案例分析
§9 如何预报人口的增长人口的增长是当前世界上引起普遍关注的问题，我们常在报刊上看见关于人口增长的预报，而且你可能注意到不同的报刊对同一时间同一国家或地区的人口预报在数字上常有较大的差别，这其实是由于使用了不同的人口模型计算的结果.建立人口模型的意义在于利用模型中的参数及时控制人口的增长.模型一 Malthus 指数增长模型英国人口学家malthus 根据百余年的人口统计资料，于1787年提出著名的指数增长模型. 假设 1、某国家或地区在时刻t 的人口)(t x 为连续可微函数；2、人口的增长率r 是常数，或者说，单位时间人口的增长量与当时的人口成正比. 建模 记0x 为初始时刻)0(=t 的人口，由假设2，t 到t t ∆+时间内的人口增量为 t t rx t x t t x ∆=-∆+)()()( 易导出下面的微分方程⎪⎩⎪⎨⎧==0)0(x x rxdt dx求解 易解出)0()(0>=r e x t x rt分析 模型与19世纪以前欧洲一些地区和国家的人口增长率长期稳定不变的人口统计数据可以很好地吻合，但是与19世纪以后许多国家的人口统计资料却有很大差异.出现这种差异的原因是19世纪以后人口的增长率已不再是常数.比如美国19世纪100年的10年增长率0.266，20世纪80年的10年增长率0.137，而1970至1980年的10年增长率为0.0307. 模型二 Logistic 阻滞增长模型 假设 1、同模型一；2、当人口增加到一定数量后，增长率随着人口的继续增加而逐渐减少，且)(x r 为x 的线性函数sx r x r -=)()0,(>s r ，其中r 相当于0=x 时的增长率，称固有增长率；3、自然资源和环境条件所能容纳的最大人口数量m x ，称最大人口容量. 建模 当m x x =时增长率应为0，即0)(=m x r ，从而m x r s =，于是)1()(mx xr x r -=，其中r ，m x 是根据人口统计数据确定的常数.m x 常由经验确定.仿模型一同样得⎪⎩⎪⎨⎧=-=0)0()1(xx x x x r dt dxm求解 tr m me x xx t x --+=)1(1)(0表 美国的实际人口与按两种模型计算的人口的比较分析1、模型表明人口增长率dt dx随着人口数x 的增加先增后减，在2m x x =处达到最大；且当∞→t 时，m x x →.2、模型在本世纪初曾被广泛使用，且预报效果很好，如预报美国人口时，66010179,31.0,109.3⨯==⨯=m x r x .但1960以后误差越来越大，究其原因是1960年美国实际人口已突破用过去数据确定的m x （它是用1800—1930的数据估计的），由此可知，模型的缺点之一是m x 不易准确地得到.。
微积分方法建模12传染病模型--数学建模案例分析
§12 传染病模型建立传染病模型的目的是描述传染过程、分析受感染人数的变化规律、预报高潮期到来的时间等等。
为简单起见假定，传播期间内所观察地区人数N 不变，不计生死迁移，时间以天为计量单位。
模型（一）（SI 模型） 模型假设1、人群分为健康者和病人，在时刻t 这两类人中所占比例分别为)(t s 和)(t i ，即1)()(=+t i t s 。
2、平均每个病人每天有效接触人数是常数λ，即每个病人平均每天使)(t s λ个健康者受感染变为病人，λ称为日接触率。
模型建立与求解据假设，在时刻t ，每个病人每天可使)(t s λ个健康者变成病人，病人数为)(t Ni ，故每天共有)()(t i t Ns λ个健康者被感染，即Nsi dtdiNλ= 又由假设1和设0=t 时的比例0i ，则得到模型⎪⎩⎪⎨⎧=-=0)0()1(i i i i dt diλ （1）（1）的解为te i t i λ--+=)11(11)(0（2）21i m dtdi )(m 21i模型解释1、当21=i 时，dt di 达最大值，这个时刻为)11ln(01-=-i t m λ，即高潮到来时刻，λ越大，则m t 越小。
2、当∞→t 时1→i ，这即所有的人都被感染，主要是由于没有考虑病人可以治愈，只有健康者变成病人，病人不会再变成健康者的缘故。
模型（二）（SIS 模型） 在模型（一）中补充假设3、病人每天被治愈的占病人总数的比例为μ，称为日治愈率。
模型修正为⎪⎩⎪⎨⎧=--=0)0()1(i i ii i dt diμλ （t 时刻每天有μNi 病人转变成健康者） （3）（3）的解为⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=+≠--+-=----μλλμλμλλμλλμλ101)(0)1(])1([)(i t e i t i t （4） 可以由（3）计算出使dt di 达最大的高潮期m t 。
（dt di 最大值m dt di )(在λμλ2-=i 时达到）。
在微积分教学中融入数学建模思想
要】 针对具体专业的学生 ， 在微积分教 学过程 中穿插了数 学建模 实例 ， 注重数 学建模思想在微积分教 学中的应用， 培养 学生的创新能
【 关键词】 微积分； 数 学建模 ； 应用实例 ； 创新能力
Ｉ ｎ ｔ ｒ ｏ ｄｕ ｃ ｉ ｎｇ Ｍ ａ ｔ ｈ ｅ ｍａ ｉｃ ｔ ａ ｌ Ｍ ｏ ｄｅ ｌ ｉ ｎｇ ｔ ｈ ｏ ｕ ｇ ｈｔ Ｉ ｎ ｔ ｏ Ｔｈｅ ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ｕｓ Ｔｅ ａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｇ ＰＡＮＧ Ｌｉ ａ ｎ ｇ
（ Ｃ ｈ ｕ ｉ ｔ ａ ｎ Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ ， Ｈｕ ａ ｚ ｈ ｏ ｎ ｇ Ａｇ ｒ ｉ ｃ ｕ ｌ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ Ｕ ｌｖ ｕ ｅ ￣ｔ ｙ ， Ｗｕ ｈ ａ ｎ Ｈｕ ｂ ｅ ｉ ４ ３ ０ ２ ０ ５ ）
【 Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ 】 Ａ ｃ ｃ ０ ｒ ｄ ｉ ｎ ｇ ｔ ｏ ｓ ｐ ｅ ｃ ｉ ｉ ｆ ｃ ｓ ｐ ｅ ｃ ｉ ａ ｌ ｉ ｚ ｅ ｄ ｓ ｔ ｕ ｄ ｅ ｎ ｔ ，ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｔ ｅ ａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｇ ｏ ｆ ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ｕ ｓ ｗ ｉ ｔ ｈ ｍ ａ ｔ ｈ ｅ ｍ ａ ｔ ｉ ｃ ｓ ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｉ ｎ ｇ ａ ｓ ａ ｎ ｅ ｘ ａ ｍ ｐ ｌ ｅ ，ｆ ｏ ｃ ｕ ｓ ｅ ｓ ｏ ｎ
数学建模的主要建模方法
数学建模的主要建模方法数学建模是一种用数学语言描述实际问题，并通过数学方法求解问题的过程。
它是数学与实际问题相结合的一种技术，具有广泛的应用领域，如物理、工程、经济、生物等。
数学建模的主要建模方法可以分为经典建模方法和现代建模方法。
经典建模方法是数学建模的基础，主要包括数理统计、微积分、线性代数等数学工具。
经典建模方法的特点是基于简化和线性的假设，并通过解析或数值方法来求解问题。
1.数理统计：统计学是数学建模的重要工具之一，它的主要任务是通过对样本数据的分析，推断出总体的特征。
数理统计中常用的方法有概率论、抽样理论、假设检验等。
2.微积分：微积分是数学建模中常用的工具，它研究变化率和积分问题。
微积分的应用范围广泛，常用于描述物体的运动，求解最优化问题等。
3.线性代数：线性代数是研究向量空间与线性变换的数学学科。
在数学建模中，线性代数经常出现在模型的描述和求解过程中，如矩阵运算、线性回归等。
现代建模方法是近年来发展起来的一种新的建模方法，主要基于现代数学工具和计算机技术。
现代建模方法的特点是模型更为复杂，计算更加精确，模拟和实验相结合。
1.数值模拟：数值模拟是一种基于计算机技术的建模方法，通过离散和近似的数学模型，利用数值计算方法求解模型。
数值模拟常用于模拟和预测实际问题的复杂现象，如天气预报、电路仿真等。
2.优化理论：优化理论是数学建模中的一种重要工具，它研究如何找到最优解或最优化方案。
优化问题常用于求解资源分配、生产排程等实际问题。
3.系统动力学：系统动力学是一种研究系统结构和行为的数学方法，它通过建立动态模型，分析系统的变化趋势和稳定性。
系统动力学常用于研究生态系统、经济系统等复杂系统。
4.随机过程：随机过程是描述随机事件随时间变化的数学模型。
它在数学建模中常用于分析随机现象的特征和规律，如金融市场变动、人口增长等。
总体而言，数学建模的方法多种多样，建模方法的选择取决于问题的性质、可用数据和计算资源等因素。
数学建模-微积分模型
4.4消费者的选择
本节利用无差别曲线的概念讨论消费者的选择问题。如果一个消费者用一定数量的资金去购买两种商品，他应该怎样分配资金才会最满意呢？
记购买甲乙两种商品的数量分别为 ，当消费者占有它们时的满意程度，或者说给消费者带来的效用是 的函数，记作 ，经济学中称之为效用函数。 的图形就是无差别曲线族，如图4.4所示。类似于第二章中无差别曲线的作法，可以作出效用函数族，它们是一族单调下降、下凸、不相交的曲线。在每一条曲线上，对于不同的点，效用函数值不变，即满意程度不变。而随着曲线向右上方移动， 的值增加。曲线下凸的具体形状则反映了消费者对甲乙两种商品的偏爱情况。这里假设消费者的效用函数 ，即无差别曲线族已经完全确定了。
经济学中 称为边际效用，即商品购买量增加1单位时效用函数的增量。（4.10）式表明，消费者均衡状态在两种商品的边际效用之比正好等于价格之比时达到。从以上的讨论可以看出，建立消费者均衡模型的关键是确定效用函数 。构造效用函数时应注意到它必须满足如下的条件：
条件A：
所确定的一元函数 是单调递减的，且曲线是呈下凸的。
（3）每隔T天订货Q件，允许缺货，每天每件小家电缺货费为c3。 缺货时存贮量q看作负值， 的图形如图4.2，货物在 时送完。
一个供货周期 内的总费用包括：订货费 ，存贮费 ，缺货费 ，借助图4.2可以得到
一个周期总费用为
每天的平均费用
（4.4）
利用微分法，令
可以求出最优的 值为
（4.5）
记
通过与不允许缺货的模型相比较得到
在这个模型的基础上可以讨论当某种商品的价格改变，或者消费者购买商品的总资金改变时均衡状态的改变情况。
数学建模微积分模型例题
数学建模微积分模型例题
以下是一个简单的数学建模微积分例题：
题目：有一根细棒，其长度为10米，质量为1千克。
我们需要计算这根细棒的弯曲程度。
首先，我们需要理解什么是弯曲程度。
弯曲程度可以理解为细棒弯曲的弧长与其原长的比值。
因此，我们可以用以下数学模型表示细棒的弯曲程度：设细棒的原长为L 米，弯曲的弧长为s 米，则弯曲程度y = s / L。
接下来，我们需要考虑如何计算弯曲的弧长s。
由于细棒弯曲时形成的是一个圆弧，因此我们可以使用微积分的知识来求解。
设细棒在弯曲过程中形成的圆弧的半径为r 米，圆心角为θ度，则弧长s = r ×θ。
由于细棒的质量分布均匀，因此我们可以认为细棒在弯曲过程中形成的圆弧的半径r 是恒定的。
同时，我们知道细棒的总质量M = 1 千克，因此我们可以计算出细棒在弯曲过程中形成的圆心角θ。
设细棒在弯曲过程中形成的圆心角为θ度，则θ= M ×g / (r ×g)。
其中g 是重力加速度，g = 9.8 m/s^2。
将以上模型整合，我们可以得到以下微积分方程：
y = s / L = r ×θ/ L = (M ×g / (r ×g)) ×90°/ L
其中，y 是弯曲程度，s 是弯曲的弧长，L 是细棒的原长，r 是圆弧的半径，θ是圆心角。
这是一个简单的数学建模微积分例题，通过这个例题我们可以理解数学建模的基本思路和方法。
数学建模知识点总结
数学建模知识点总结一、数学建模概述1.1 数学建模的概念数学建模是利用数学方法和技术解决实际问题的过程，是将实际问题抽象成数学模型，再通过数学分析和计算来解决问题的一种方法。
数学建模可以应用于工程、科学、经济、环境等各个领域，对于解决复杂的实际问题具有重要的作用。
1.2 数学建模的基本步骤数学建模的基本步骤包括问题分析、建立数学模型、求解模型、模型验证和应用。
在处理实际问题时，首先要对问题进行充分的分析，然后建立相应的数学模型，再通过数学方法来求解模型，最后对模型进行验证和应用。
1.3 数学建模的应用范围数学建模的应用范围非常广泛，可以涉及到自然科学、社会科学、工程技术等各个领域。
例如，在工程领域可以用数学建模来设计飞机、汽车、桥梁等结构的强度和稳定性；在环境科学领域可以用数学建模来研究气候变化、环境污染等问题；在生物医学领域可以用数学建模来研究人体的生理过程。
1.4 数学建模的意义数学建模可以帮助人们更好地理解实际问题，设计出更优秀的工程产品，提高生产效率，优化资源配置，解决环境污染等问题，对于推动科技进步和社会发展具有重要的意义。
二、数学建模的数学基础2.1 微积分微积分是数学建模的基础。
微积分是研究变化的数学分支，包括导数、积分、微分方程等概念。
在数学建模中，微积分可以用来描述变化率、优化函数、求解微分方程等问题。
2.2 线性代数线性代数是数学建模的另一个基础。
线性代数是研究向量、矩阵、线性方程组等概念的数学分支，可以用来描述多维空间的几何关系、解决大规模线性方程组等问题。
2.3 概率论与统计学概率论与统计学是数学建模的重要工具。
概率论研究随机事件的概率分布、随机过程等概念，统计学研究数据的收集、处理、分析等方法。
在数学建模中，概率论和统计学可以用来描述随机现象、分析数据、评估模型等问题。
3.1 最优化方法最优化方法是数学建模常用的方法之一。
最优化方法是研究如何找到使目标函数取得最大（小）值的变量取值。
数学建模知识点
数学建模知识点数学建模是指利用数学方法和技术对实际问题进行描述、分析和求解的过程。
在现实生活中，我们面临的问题往往是复杂的，数学建模的目的就是通过数学模型对这些问题进行抽象和分析，并找到合适的解决方法。
而要进行有效的数学建模，我们需要掌握一些基本的数学知识点。
本文将介绍数学建模中常用的几个重要知识点。
一、线性规划线性规划是数学建模中最常用的方法之一。
它的基本思想是在一组线性约束条件下，寻找一个线性目标函数的最优值。
线性规划可以用来解决资源分配、生产计划、运输问题等。
在线性规划中，我们需要掌握线性代数的相关知识，例如矩阵运算、向量空间等。
二、微积分微积分是数学建模中另一个重要的工具。
微积分主要包括导数、积分和微分方程等内容。
在数学建模中，常常需要对实际问题进行建模和分析，利用微积分的方法来求解最优值、极值点等。
同时，微积分还可以用来描述和分析变化率、速度、加速度等概念，对于模拟实际问题的变化过程有着重要的作用。
三、概率论与统计学概率论与统计学是数学建模中的另一个重要分支。
概率论研究的是随机事件的性质和规律，统计学则利用样本数据对总体进行推断和决策。
在数学建模中，概率论和统计学常常用于描述和分析实际问题的不确定性和随机性。
例如，通过概率模型可以对风险进行评估，通过统计方法可以对实验数据进行处理和分析。
四、图论图论是研究图和网络的一门学科，也是数学建模中常用的工具之一。
在数学建模中，我们经常需要用图来表示问题中的对象和关系，通过图论可以分析和求解一些与图相关的问题。
例如，利用图论可以解决路径规划、网络流量优化等实际问题。
五、数值计算方法数值计算方法是数学建模中的一种重要工具，用于对无法解析求解的问题进行数值逼近。
数值计算方法主要包括数值微分、数值积分、差分法和数值优化等。
在数学建模中，我们通常需要使用计算机进行模拟和求解，数值计算方法能够帮助我们高效地进行数值计算和近似求解。
总结：数学建模作为一种综合运用数学知识解决实际问题的方法，包括线性规划、微积分、概率论与统计学、图论和数值计算方法等重要的知识点。
数学基础——微积分应用与数学建模
数学基础——微积分应用与数学建模在众多学科中，数学一直被当作是最为基础和重要的学科之一。
而其中的微积分更是被广泛地应用于科学、工业、商业、工程等各个领域中。
那么微积分是什么？它又有哪些应用？如何在数学建模中发挥作用呢？微积分是研究变化、极限和无限小量的一门数学分支。
它由微分学和积分学组成，其中微分是指用极限的方法研究函数的变化情况，而积分则是指用曲线下的面积来研究函数的性质和变化。
微积分在数学中的应用非常广泛，而其中最具代表性的应用形式是求导和积分。
求导可以用来研究函数的变化，比如函数的图像斜率，而积分可以用来计算函数在某一区间内的面积，比如在图形中计算面积、体积、长度等等。
除了数学以外，微积分还有许多实际的应用。
例如，在物理学中，微积分可以用来描述物理量如加速度、速度、质量等的函数关系与变化情况。
在工程学中，微积分可以用来优化设计，比如在设计机械结构时，可以通过优化曲线来实现材料的最大利用，从而达到更好的性能。
在商业中，微积分可以用来帮助决策，比如在制造业中，可以通过分析产品的总成本来选择最优的生产方式。
而在数学建模方面，微积分也有着非常重要的作用。
数学建模是将实际问题抽象为数学模型或方程，并通过数学方法来求解问题的一种学科。
微积分则是在数学建模中被广泛应用的数学工具之一。
例如，在模拟天气预报的模型中，微积分可以用来描述空气流动的变化，从而实现更精确的预报。
在流体力学建模中，微积分可以用来研究液体或气体在流动过程中的变化。
因此，无论是在实际生活中还是在学术领域中，微积分的应用都是非常广泛的。
通过深入了解微积分的基本原理和应用方法，不仅可以让我们更好地理解和解决实际问题，还可以帮助我们在数学建模方面发挥更大的创造力和想象力，为实际应用做出更多的贡献。
如何在微积分教学中加强数学建模思想
如何在微积分教学中加强数学建模思想摘要：在课堂教学当中引进数学小模型，不但有助于提高数学课堂的趣味性和生动性，而且有利于培养学生对数学重要性的直观认识，真正从认识当中对其引起足够的重视，从而为数学教学教学的开展奠定基础。
关键词：微积分教学，数学教学，建模思想1、引言数学是大部分院校的一门必修课，尤其是数学当中的微积分这一分支，更是必不可少，绝大多数专业都要学习。
但长期以来，数学所留给人们的印象始终是“枯燥”、“无趣”的，经常会使一些学生对其望而却步，更不要是对其充满探索的兴趣了。
但实际上，数学的思维方式是极为活跃的，需要保持高度集中的注意力以及思维的跳跃性和连贯性，一旦涉及其中，就会感受到数学本身所具有的意想不到的活力。
这样，对于数学教师而言，摆在面前的一项十分关键性的工作就是如何激发学生们对数学的兴趣以及积极深入探索的欲望，从而有机会感受到数学所独有的魅力，笔者结合多年来在数学教学实践中所总结出的经验体会，主张可以借用数学小模型的教学手段，致力于学生数学思想的培养、思维方式的引导以及具体知识的实际应用能力的训练，营造出一个崭新的数学教学环境和学习氛围，以充分激发学生的求知欲和好奇心，引导学生对微积分课程教育动态进行深入探讨。
当前，数学模型这一数学课程就倍受教育界推崇。
数学理论知识与现实问题的解决之间是通过数学建模这一纽带相连的，所谓数学建模，就是采取包括数学符号、公式、计算方法以及相关程序等数学语言对现实生活中的实际问题中的数量关系进行重新描述。
数学建模受到社会各界的广泛关注，一方面，数学建模以学生对理论知识的应用及驾驭能力为重点，通过对学生的数学基础、应用能力和创新思维等方面的考察，有助于其树立数学重要性的正确认识，体会到数学独特魅力；另一方面，数学建模还有助于培养学生应用相关知识解决实际问题的能力、借助计算机求解数学模型的能力,同时，学生搜集资料,撰写论文的能力也会相应提高。
数学的出发点是解决实际问题，所以，在课堂教学中，可以试着适当的省略一些繁琐的证明过程,筛选适宜的数学模型进行案例教学。
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建模实例
（五）模型优缺点分析及其改进
可以考虑对我们的模型进行进一步的改进。我们可以考
察到A类中C的含量普遍高于B类中C的含量，而B类中T的含
量又高于A类中T的含量。如果我们修改归类条件，把距离的 远近作一标准，将C，T的特别限制条件也作为一个标准，要 求A类中C高于一定标准且T应低于一定标准，B类中C低于一 定标准且T高于一定标准，这样对我们的模型进一步的改进，
下面我们通过几个简单的实例，展
示《微积分》在数学建模中的应用，以 此来启发同学们运用《微积分》知识分 析、解决实际问题，培养自己的创造性 思维和应用数学的能力 。
极值在数学建模中的应用 内容回顾
简单例题 建模实例
内容回顾
我们在学习导数应用时，知道求极值是一个很重要的应用。 设 y f ( x)在 x0 处导数存在，且 f ' ( x) 0，则 x x0 称为 y f ( x)
究DNA序列的规律性和结构。
建模实例
作为研究DNA序列的结构的尝试，提出以下对序列集合 进行分类的问题：有40个序列（见附件），请从中提取特 征，构造分类方法进行分类，把结果用序列标号（按从小 到大的顺序）标明它们的类别： A类： ； B类： ； 非A、B类： 。 请详细描述你的方法，给出计算程序。如果你部分地使 用了现成的分类方法也要将方法名称准确注明。
数知识来进行分类。
建模实例
建模实例
建模实例
（四）模型的求解
建模实例
建模实例
建模实例
建模实例
建模实例
பைடு நூலகம்
建模实例
（五）模型优缺点分析及其改进
用上述前20组已分好的数据对我们建立的模型结果进
行检验发现只有第4组出错，正确率达到95%，说明我们的模
型简单易行，能达到对数据进行分类的目的。但它仅仅利用
的驻点。 又若 f " ( x0 ) 存在，且 f ' ( x) 0, f "' ( x) 0 ，则有下列结论：
若 f ( x0 ) 0 ，则 f ( x0 ) 为极大值。 若 f ( x0 ) 0 ，则 f ( x0 )为极小值。
内容回顾
但在实际问题中，上述简单的极值问题很少能出现，而是 有某些条件的限制，这就需要利用求条件极值的方法--Lagrange算法来解决。
建模实例
（三）模型的建立
在数理统计中，将A类或B类这样的群体称为统计总体， 把描述总体的每一个体特征的所有变量均视为随机变量。
如果不同总体中诸变量所遵循的分布有明显的差异时，则
可将此差异作为分类依据，这就是多元统计分析处理问题 的一般想法。区分一个DNA序列属于A类还是B类的问题属
于两总体间的判别问题，这里我们利用微积分中的向量代
（2）所加洗涤剂足以将衣物洗净；
（3）每次脱水后，留在衣物中的溶液的量是一定的； （4）每次添加水量必须在一定的范围内； （5）不考虑水温以及水的水质对溶解度的影响； （6）当漂洗后溶液浓度小于等于一个小量时就已经达 到洗涤标准。
建模实例
（三）模型的建立和求解
建模实例
建模实例
建模实例
建模实例
分析建模
建模实例
节水洗衣机模型
（一）问题的提出
我国淡水资源有限，节约用水颇为重要。洗衣
机在我国已相当普及，为节约洗衣机用水，要求设
计一洗衣机程序，在满足一定洗涤效果的前提下，
使得总用水量最少。 已知洗涤过程为：首先加入衣物和洗涤剂，然 后重复加水——漂洗——脱水过程。
建模实例
（二）模型假设
（1）洗涤剂一次加满，漂洗过程中不再添加；
内容回顾
b
简单例题
磁盘的最大存储量 微型计算机把数据存储在磁盘上。磁盘是带有磁性介质的 圆盘，并由操作系统将其格式化成磁道和扇区。磁道是指不同 半径所构成的同心圆轨道，扇区是指被圆心角分隔成的扇形区 域。磁道上的定长弧段可作为基本存储单元，根据其磁化与否 记录数据0和1。这个基本单元通常称为比特（bit），为了保障 磁盘的分辨率，磁道宽度必须大于t，每比特所占用的磁道长度 不得小于 b ，为了数据检索的便利，磁盘格式化时要求所有 磁道有相同的比特数。现有一张半径为R的磁盘，它的存储区是 半径介于r与R之间的环形区域，试确定，使磁盘具有最大存储 量.
前 言
•
• • • •
1*1=1 11*11=121 111*111=12321 1111*1111=1234321 11111*11111=123454321 111111*111111=12345654321
前 言
• • • • • 1*8+1=9 12*8+2=98 123*8+3=987 1234*8+4=9876 12345*8+5=98765
微积分与数学建模
滕加俊
目 录 前言 极值在数学建模中的应用 向量代数在数学建模中的应用
前 言
《微积分》是一门经典的基础
理论课，也是大学理工科专业
必修的重要基础理论课。它不 仅内容多，结构严谨，而且应
用广泛。
前 言
• • • • • 1*9+2=11 12*9+3=111 123*9+4=1111 1234*9+5=11111 12345*9+6=111111
建模实例
（二）问题的分析
由问题的提出我们可以知道，这是一个聚类分析问题。 附件给出了10组属于A类的DNA序列，10组属于B类的
DNA序列，以及20组有待进行分类的DNA序列。解决这个
问题的关键在于准确描述A类和B类DNA序列的特征。利用 A类，B类DNA序列的特征，对20组未知序列进行判断就可 以得到结果。
建模实例
建模实例
建模实例
建模实例
（四）模型的结论
向量代数在数学建模中的应用
内容回顾
简单例题
简单例题
简单例题
简单例题
建模实例
（一）问题的提出
DNA序列的分类
2000年6月，人类基因组计划中将DNA全序列草图完成，预计2001年可 以完成精确的全序列图，此后人类将拥有一本记录自身生老病死及遗传进化 的全部信息的“天书”。这本大自然写成的“天书”是由4个字符A、T、C、 G按一定顺序排成的长约30亿的序列，其中没有“断句”也没有标点符号， 除了这4个字符表示4种碱基以外，人们对它包含的“内容”知之甚少，难以 读懂。破译这部世界上最巨量信息的“天书”是二十一世纪最重要的任务之 一。在这个目标中，研究DNA全序列具有什么结构，由这4种字符排成的看似 随机的序列中隐藏着什么规律，又是解读这部天书的基础，是生物信息学 （Bioinformatics）最重要的课题之一。
建模实例
虽然人类对这部“天书”知之甚少，但也发现了DNA序列中的一些规
律性和结构。例如，在全序列中有一些是用于编码蛋白质的序列片段，即 由4个字符组成的64种不同的3字符串，其中大多数用于编码构成蛋白质的
20种氨基酸。又例如，在不用于编码蛋白质的序列片段中，A和T的含量
特别多些，于是以某些碱基特别丰富作为特征去研究DNA序列的结构也 取得了一些成果。此外，利用统计的方法还发现序列的某些片段之间具有 相关性，等等。这些发现让人们相信，DNA序列中存在着局部的和全局 的结构，充分发掘序列的结构对理解DNA全序列是十分有意义的。目前 在这项研究中最普遍的思想是省略序列的某些细节，突出特征，然后将其 表示成适当的数学对象。这种被称为粗粒化和模型化的方法往往有助于研
分类结果也许会更好些。当然还可以利用其它的归类标准，
请读者自己考虑。
建模实例
（六）附件-DNA序列