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公平的竞赛评卷优化模型
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在对评委评分一致性进行评价以前,利用加权调和平均数来度量各试卷L个分数的 理想中心位置即公平成绩,表征向公平分数有聚集趋向的L个评分。每位评委打分的公 平性可以用该评委所打分数与该试卷的L个分数的加权调和平均值之差的统计规律来 描述。运用MatLab对数据模拟出每位评委的评分偏离度曲线图并对每个评委的公平性 给出了直观的评价。并列举了评卷过程中,尺度偏差和“不公平”的例子。 根据一份试卷的四个分数与其加权调和平均值的偏离程度,以及评委评分的线性 无关性,运用归一化算法得出各分数的权重,得到了加权分数调整计算公式。并对评价 公平性的模拟数据进行分数调整,经过分数调整,各试卷得分偏差均已限定在允许范围 内,可见此模型能够很好的处理评分过程中出现的“不公平”和尺度偏差。 另外,文中还给出了百分制与等级制的误差分析,对评委分配的公平性与经济性进 行优化,采用穷举的方法搜索最优解,得出一份试卷由 4 44 4 位不同的评委评阅,可以达到 既经济有公平的优化目标。
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1
公平的竞赛评卷
公平的竞赛评卷公平的竞赛评卷
公平的竞赛评卷优化模型
优化模型优化模型
优化模型
摘要
摘要摘要
摘要
数学建模竞赛吸引了众多的大学生、研究生甚至中学生的参与,越来越多的人关心
竞赛评卷的公平性。本文建立了一个公平的竞赛评卷模型,并结合实际提出了通用可行
的数学公式方法和算法。
针对纯数字型的加密对象,运用四则运算法则结合移位生成二次密文,随机生成密
钥。大量数据模拟表明此算法简易,可随意变换且有很好的保密性。
答卷分配过程中,把评委的个人特殊要求转化为分配的权重,建立评委要求的加权
矩阵,使得评委在分配中具有一定的先后次序。用 10
−
矩阵记录试卷分配情况,避免一
份试卷重复分配到同一评委。
基于目前较具有代表性的最小方差原则的资源公平分配整数规划模型,在避免本校
答卷前提下,使每个评委评阅的答卷量尽可能平均,同时达到一定的广泛度。根据以上
原理,用 C 语言和 MatLab 编程设计了分配试卷的优化算法,并对一般情况即 N 个评委
评一类题目,
M
份试卷时,对模型作了推广。最后给出了评委阅卷广泛度的检验,数
据表明评委和试卷的分配都很公平且广泛度均达到 %90 以上。
在对评委评分一致性进行评价以前,利用加权调和平均数来度量各试卷
L
个分数的
理想中心位置即公平成绩,表征向公平分数有聚集趋向的
L
个评分。每位评委打分的公
平性可以用该评委所打分数与该试卷的
L
个分数的加权调和平均值之差的统计规律来
描述。运用 MatLab 对数据模拟出每位评委的评分偏离度曲线图并对每个评委的公平性
给出了直观的评价。并列举了评卷过程中,尺度偏差和“不公平”的例子。
根据一份试卷的四个分数与其加权调和平均值的偏离程度,以及评委评分的线性
无关性,运用归一化算法得出各分数的权重,得到了加权分数调整计算公式。并对评价
公平性的模拟数据进行分数调整,经过分数调整,各试卷得分偏差均已限定在允许范围
内,可见此模型能够很好的处理评分过程中出现的“不公平”和尺度偏差。
另外,文中还给出了百分制与等级制的误差分析,对评委分配的公平性与经济性进
行优化,采用穷举的方法搜索最优解,得出一份试卷由 4
44
4 位不同的评委评阅,可以达到
既经济有公平的优化目标。
针对实际本文还充分考虑了多种不公平情况对竞赛评卷公平性的影响,较完满的解
决了公平评卷问题,并检验了模型的合理性,文章分析了模型的优缺点和改进方向,同
时提出了一些更加公平实用的改进建议。
关键词
关键词关键词
关键词:
::
:最小方差原则;调和平均;加权分数调整;
2
一
一一
一、
、、
、问题
问题问题
问题的提出
的提出的提出
的提出
数学建模竞赛吸引了众多的大学生、研究生甚至中学生的参与,越来越多的人关
心竞赛评卷的公平性。为了建立公平的竞赛评卷系统,需要解决如下问题:
1.有
DCBA ,,,
四个题目,
(
)
MPP
≥
所学校参赛,制定一种答卷编号加密和解密的
数学公式方法(其中题号为明号);要求方法简单易算、可随意变换且保密性能好;给
出方法的分析。
2.每个题目组的
M
个评委来自不同学校,给出一种评阅答卷分配的数学公式方法,
要求回避本校答卷,并且每个评委评阅的答卷尽可能广泛,并满足某些特殊的要求。
3.给出评分一致性或公正性的检验方法,该方法要求对每个评委的公平性给出评
价。
4.给出最终的分数调整计算公式。用该公式处理那些可能出现的“不公平”,及尺
度偏差。
5.对评卷中的其他问题(如采用百分制还是等级分,一份答卷由几个评委评阅可
以满足既经济又公平,等等)提出看法和根据。
对问题 1,2 给出具体的算法及结果。对问题 3,4,5 给出模拟数据再进行分析和
运算。
二
二二
二、
、、
、模型假设
模型假设模型假设
模型假设
1) 试卷信息加密化:经过数字加密处理过的参赛试卷完全消去了影响试卷公平阅卷的
任何外在因素(其中题号为明号)。
2) 在按题目分成的评卷组中,加密后的卷子是随机分发给符合条件的评委的。随机化
的方法可以使一份卷子在阅卷期限内的任何时间上都有同等的概率分发到每位评卷
人员上;阅卷人员在评阅同一份试卷是有差异的,随机化分发,使得这种差异对每位
考生的影响是等概率的,因而是公平的。
3) 评阅的独立化:由于试卷多次分发,第一位评卷人员在任何时间上评阅一份试卷时,
不受任何外在信息的干扰,保证其独立自由地认真评阅,若干评卷人员即使评阅同
一份试卷,也无法交流各自的观点与传递信息,试卷上也无已评的任何标记,互不
影响,独立自主。
4) 评分的正态性:所有参赛者的真实水平服从正态分布,所有阅卷评委都具有一定的
专业性且都是独立自主地按照评分标准评阅试卷,那么所评成绩也应服从正态分布。
评委的评分偏差服从以他的尺度偏差为期望的正态分布。
5) 试卷质量的均匀性:当试卷数量较多时,分配到每名评委的试卷的质量近似均匀,
不存在一名评委一直评阅优秀试卷而另一名评委一直评阅差试卷的情况;即便发生
这种情况,也视为评委评分尺度的偏差。
3
三
三三
三、
、、
、问题的分析及模型的建立
问题的分析及模型的建立问题的分析及模型的建立
问题的分析及模型的建立
(一)答卷编号加密和解密的数学公式方法
现今,无论是高考作文的网上评阅,还是各类竞赛的试卷评阅,都要求尽量减少阅
卷人员的主观性误差,使得所评成绩公正合理。评卷系统中非常重要的前提任务就是对
参赛者信息的隐蔽,避免这些人为信息对评阅人员的判卷标准造成影响。在对当今多种
信息加密解密技术了解的基础上,我们针对本题中需要加密的对象是纯数字型的信息的
特点,给出了一种答卷编号加密和解密的数学公式方法:
古今中外的加密方法,不论其形态多么繁杂,变化多么巧妙,都是按照移位、代替和置
换这3种基本原理编制出来的
[1]
。加密技术分为两类: 即对称加密和非对称加密。本题中,
需要加密的对象是试卷编码,即纯数字型的信息,不包含任何字母和字符。如果我们将
一位十进制数用4或8个
BIT
位,那么我们仅仅能得到10种4位或8位二进制排序。显然,
现有的经典的算法,如:对称加密算法 DES 、非对称 PGP 公钥加密以及 RSA 加密方法
都不适用。恰恰是因为我们所要加密的数据是纯数字型的,我们可以很自然的想到运用
四则运算对数据进行加密。
为了达到对试卷编号加密的目的,我们需要找到这样一种一一对应的函数
[2]
[2][2]
[2]
F
使得
以下关系成立
),( KMFC
=
M
为需要加密的数据,即明文;
K
为密钥; C 为密文。
同样,解密过程中,我们需要找到与 F 对应的一个函数 G,使得
),( KCGM
=
基于四则运算和简单移位的思想,再结合当代典型加密算法和本题的特征,我们构
造了以下的加密算法。
在加密过程中,我们不使用除法运算。因为本题中要求加密方法随意改变,如果使
用除法运算,就有可能出现不能除断的问题,这将导致密文不能解密。我们也不使用加
减运算,简单的加减无法很好的隐藏需要加密的信息,因为通过简单的加减后,其密文
还有会具有一定的数字特征,例如对 10+67=78,所有的 10 加密都得到 78,这就有可能
被别人猜出密文中所隐藏的一些信息。
加密解密算法描述:
设明文
)1()2()1()(
... mmmmM
nn −
=
密钥为
)1()2()1()(
... kkkkK
mm −
=
4
中间密文为
)1()2()2()1()(
... bbbbbKMB
nmnmnm −+−++
=
×
=
将
∑
+
=
=
nm
j
j
bY
1
,定义为移动的次数,并将
Y
除
2
的余数定义为移动方向标志,若余数为
1
,
则向右移位;余数为 0 ,则向左移位。
移位以后的结果表示如下:
)1()2()2()1()(
... cccccC
nmnmnm −+−++
=
题中要求题号为明号,我们就将题号直接加在移位后的结果后面。
解密过程只要将以上加密过程使用相同的密钥反过来计算:移位时,将
Y
除2取余
数,为1定义为左移,为0时定义为右移,就可以由密文得到明文。
例如:对数据
M
=1234加密:密钥为
K
=5678,则中间密文为
B
=07006652,由于
Y
=0+7+0+0+6+6+5+2=26,所以将数据左移26次,得密文C =00665207。对密文
C =12478034解密:密钥为5678,由C 我们可以得
Y
=1+2+4+7+8+0+3+4=29,于是我们
将 C 左移29位并除以密钥匙
K
=5678,得明文
M
=0601;可见,我们的加密解密算法是
简单易算,可随意变换的。
按照以上算法,使用
MatLab
编程,对题中给出的试卷编号进行加密,得到加密后的结
果:
表
表表
表 1
1 1
1 试卷编号加密结果
试卷编号加密结果试卷编号加密结果
试卷编号加密结果
明文
明文明文
明文
密文
密文密文
密文
明文
明文明文
明文
密文
密文密文
密文
明文
明文明文
明文
密文
密文密文
密文
明文
明文明文
明文
密文
密文密文
密文
0101 57347800A
AA
A 0102 60057915B
BB
B 0103
00584834B
BB
B 0104
12005905A
AA
A
0105 90005961A
AA
A 0106 01868006B
BB
B 0107
75460060B
BB
B 0108
61322400A
AA
A
0109 61890200B
BB
B 0110 00062458B
BB
B 0111
00630258A
AA
A 0112
00635936B
BB
B
0113 14006416A
AA
A 0114 92006472B
BB
B 0115
52970006A
AA
A 0116
58648006B
BB
B
0117 32600664A
AA
A 0118 40067000A
AA
A 0119
67568200B
BB
B 0120
00681360B
BB
B
0121 00687038A
AA
A 0122 06927160B
BB
B 0123
06983940B
BB
B 0124
40720070B
BB
B
0125 97500070B
BB
B 0126 42800715A
AA
A 0127
60072110A
AA
A 0128
72678400B
BB
B
0129 00732462B
BB
B 0130 07381400A
AA
A 0201
01141278A
AA
A 0202
01146956B
BB
B
0203 34011526A
AA
A 0204 58312011B
BB
B 0205
63990011B
BB
B 0206
69668011B
BB
B
0207 34601175A
AA
A 0208 40118102A
AA
A 0301
01709078A
AA
A 0302
17147560B
BB
B
0303 20434017A
AA
A 0304 61120172B
BB
B 0305
17900173A
AA
A 0306
74680173B
BB
B
0401 02276878A
AA
A 0402 56022825B
BB
B 0403
88234022A
AA
A 0404
39120229A
AA
A
0405 95900229A
AA
A 0406 30526802B
BB
B 0407
60231094B
BB
B 0408
02316624A
AA
A
0409 02023223B
BB
B 0410 23279800A
AA
A 0501
28446780B
BB
B 0502
50356028A
AA
A
0503 60340285B
BB
B 0504 71202861A
AA
A 0505
39002867A
AA
A 0506
87306802A
AA
A
0507 87874602A
AA
A 0508 02884424A
AA
A 0509
02028901B
BB
B 0510
28957800B
BB
B
0511 01458029A
AA
A 0512 71360290C
CC
C 0513
81402912C
CC
C 0514
49202918D
DD
D
0515 00292417D
DD
D 0601 12478034B
BB
B 0602
81560341A
AA
A 0603
83403423B
BB
B
0604 42951203A
AA
A 0605 00343519B
BB
B 0606
80344086A
AA
A 0607
03446546B
BB
B
5
0608 24034522A
AA
A 0609 02034579A
AA
A 0610
63580034A
AA
A 0701
80278039B
BB
B
0702 85956039B
BB
B 0703 63403991A
AA
A 0704
99731203B
BB
B 0705
04002990A
AA
A
0706 04008668A
AA
A 0707 46040143A
AA
A 0708
00240402B
BB
B 0709
57020402B
BB
B
0710 38004031A
AA
A 0711 05804037A
AA
A 0801
80780454A
AA
A 0802
75604553B
BB
B
0803 55943404B
BB
B 0804 04565112A
AA
A 0805
04570790B
BB
B 0806
04576468B
BB
B
0807 46045821B
BB
B 0808 24045878B
BB
B 0809
35020459A
AA
A 0810
91800459A
AA
A
0811 85804604B
BB
B 0812 60461053B
BB
B 0813
04616214A
AA
A 0814
04621892A
AA
A
0815 46275700B
BB
B 0816 48046332B
BB
B 0817
26046389A
AA
A 0818
46040464B
BB
B
0819 28204650B
BB
B 0820 96004655B
BB
B 0901
87805115B
BB
B 0902
60512155A
AA
A
0903 05127234A
AA
A 0904 51329120B
BB
B 0905
51385900B
BB
B 0906
68051442A
AA
A
0907 46051499A
AA
A 0908 56240515A
AA
A 0909
16130205A
AA
A 0910
98005166B
BB
B
1001 67805683B
BB
B 1002 68935605A
AA
A 1003
05695034B
BB
B 1004
12057007A
AA
A
1005 90057063A
AA
A 1006 12068057B
BB
B 1007
17746057B
BB
B 1008
42405723A
AA
A
1009 72910205B
BB
B 1010 73478005B
BB
B 1101
80625147B
BB
B 1102
06257156B
BB
B
1103 62628340A
AA
A 1104 12062685A
AA
A 1105
74190062B
BB
B 1106
68062798B
BB
B
1107 55460628A
AA
A 1108 29122406A
AA
A 1109
29690206B
BB
B 1110
06302580B
BB
B
1201 80681927A
AA
A 1202 06824956B
BB
B 1203
34068306B
BB
B 1204
36312068B
BB
B
1205 41990068B
BB
B 1206 47668068A
AA
A 1207
34606853A
AA
A 1208
85902406B
BB
B
1209 20686470B
BB
B 1210 06870380A
AA
A 1301
07387078A
AA
A 1302
73927560A
AA
A
1303 34073984A
AA
A 1304 11207404A
AA
A 1305
97900740B
BB
B 1306
46807415B
BB
B
0307 60742114A
AA
A 1308 40742682B
BB
B 1309
74325020B
BB
B 1310
74381800B
BB
B
1311 74438580B
BB
B 1312 36074495A
AA
A 1313
52140745A
AA
A 1314
08920746B
BB
B
1315 57007466B
BB
B 1401 07954878A
AA
A 1402
56079605A
AA
A 1403
66234079B
BB
B
1404 19120797B
BB
B 1405 75900797A
AA
A 1406
26807983B
BB
B 1407
94607988B
BB
B
1408 40799462B
BB
B 1409 00302080B
BB
B 1410
80080059A
AA
A 1411
11658080A
AA
A
1412 73360801D
DD
D 1413 02301408C
CC
C 1414
69208028C
CC
C 1415
00803437D
DD
D
1501 78085226A
AA
A 1502 28356085B
BB
B 1503
03408534B
BB
B 1504
71208539A
AA
A
1505 54539008B
BB
B 1601 90478090B
BB
B 1602
61560909B
BB
B 1603
10183409B
BB
B
1604 20910751A
AA
A 1605 09113190A
AA
A 1606
80911886B
BB
B 1607
91245460B
BB
B
1701 58278096A
AA
A 1702 39560966A
AA
A 1703
63409669A
AA
A 1704
20967531A
AA
A
1708 24096980B
BB
B 1709 37020970B
BB
B 1710
93800970A
AA
A 1801
22607810B
BB
B
1802 61023175B
BB
B 1803 10237434B
BB
B 1804
12102431B
BB
B 1805
02487901A
AA
A
1806 68102544A
AA
A 1807 01461026B
BB
B 1808
58241026B
BB
B 1901
87810793A
AA
A
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