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2006年全国研究生数学建模竞赛优秀论文选-最终正文.pdf
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华为杯数学竞赛获奖论文,历届,研究生数学,内容丰富,大学生数学,数学竞赛,参考资料,极具参考价值
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目录
一、问题的提出 ....................................................................................................................... 1
二、问题的分析 ....................................................................................................................... 2
三、符号约定 ........................................................................................................................... 3
四、模型的假设 ....................................................................................................................... 4
五、问题Ⅰ—二体轨道力学和运动方程的模型 ................................................................... 4
5.1 二体问题和运动方程: ............................................................................................ 4
5.2 进一步简化的运动方程: ...................................................................................... 5
5.3 轨道的几何方程的进一步探究: .......................................................................... 5
六、问题Ⅱ-1—解析解模型 ................................................................................................... 7
6.1 解析解模型的分析: ................................................................................................ 7
6.2 解析解模型的求解: .............................................................................................. 8
七、问题Ⅱ-1—求最小组数的最小二乘法模型 .................................................................... 9
7.1、离散格式下的求最小 m 值的算法 ......................................................................... 9
7.2、利用解析解求最小 m 值的算法 ........................................................................... 12
7.3 模型的求解与检验 ................................................................................................ 13
八、问题Ⅱ-3—高精度差商的最小二乘法模型 .................................................................. 16
8.1 解析解模型的求解和讨论 .................................................................................... 16
8.2 考虑了高精度差商的最小二乘法模型的分析和求解 .......................................... 18
九、问题Ⅱ-3—变分伴随同化模型 ..................................................................................... 27
9.1 问题的分析 ............................................................................................................ 27
9.2 问题的求解: ........................................................................................................ 32
9.3 对模型误差敏感度的检验: .................................................................................. 37
十、问题Ⅱ-4—中央差商的最小二乘法模型 ...................................................................... 39
10.1 分析和模型修改 .................................................................................................. 39
10.2 结果讨论 .............................................................................................................. 40
10.3 对模型误差敏感度的检验: ................................................................................ 42
十一、问题Ⅱ-4—变分伴随同化模型 ................................................................................. 45
11.1 问题的分析 .......................................................................................................... 45
11.2 问题的求解: ...................................................................................................... 45
11.3 对模型误差敏感度的检验: ................................................................................ 48
十二、模型的推广 ................................................................................................................. 49
12.1 背景知识: .......................................................................................................... 49
12.2 考虑捕获量这个外界因素的影响: .................................................................. 50
12.3 考虑更为广泛的捕食系统: .............................................................................. 51
十三、模型的优缺点分析 ..................................................................................................... 54
十四、关于本问题的几点讨论 ............................................................................................. 54
十五、模型的扩展 ................................................................................................................. 55
一、问题的提出
包括“神舟六号”载人航天宇宙飞船、人造地球卫星等航天器围绕地球在轨
运行的过程中,要受到很多力的作用,其中主要的是地球万有引力和航天器发动
机作用力。
一:考虑航天器在仅受到地球万有引力、航天器自身发动机作用力的作用下作平
面运动,将地球和航天器视为质点,试建立航天器运动的数学模型(只要列出模
型,不要求解)。
显然这样的数学模型在精度上是远远不能满足实际需要的,在其他要求精确
制导等有关高科技的实际问题中,我们都面临着类似的问题:我们必须建立高精
度的数学模型,必须高精度地估计模型中的大批参数,因为只有这样的数学模型
才能解决实际问题,而不会出现差之毫厘,结果却失之千里的情况。这时所建立
数学模型的精度就成了数学模型的生命线。例如上述问题中的航天器还要受到地
球质量分布不均匀所引起的摄动力,大气阻力,日、月及其它星球的摄动引力的
影响,以及航天器发动机为调整航天器自身姿态运作时作用力的影响。这样不但
数学模型十分复杂,而且在这些数学模型中还要涉及到许多重要的参数,如地球
的引力场模型就有许多待定参数。不仅如此,在对航天器进行测量时,还涉及到
观测站的地理位置以及设备的系统误差等参数。为此人们要设法利用长期积累的
丰富的观测资料,高精度确定这些重要的参数。
由于航天器的问题太复杂,下面本题仅考虑较简单的确定高精度参数问题。
假设有一个生态系统,其中含有两种生物,即: A 生物和 B 生物,其中 A
生物是捕食者,B 生物是被捕食者。假设
t
时刻捕食者 A 的数目为
x t
,被捕食
者 B 数目为
y t
,它们之间满足以下变化规律:
1 2
3 4
x t x t y t
y t y t x t
初始条件为:
0 5
0 6
x t
y t
其中
1 6
k
k
为模型的待定参数。
通过对此生态系统的观测,可以得到相关的观测数据。观测数据的格式依次
为:
观测时刻
j
t
、A 生物数目
)(
j
tx
、B 生物数目
)(
j
ty
二:请利用有关数据,解决以下问题:
1) 在 观 测 数 据 无 误 差 的 情 况 下 , 若 已 知
2
1
5
, 求 其 它 5 个 参 数
1,3, 4,5, 6
k
k
?有关数据见数据文件:DATA1.TXT
2) 在观测数据无误差的情况下,若
2
也未知,问至少需要多少组观测数据,才
能确定参数
1 6
k
k
?有关数据见数据文件:DATA1.TXT
3) 在观测资料有误差(时间变量不含有误差)的情况下,请分别利用观测数据
DATA2.TXT 和 DATA3.TXT,确定参数
1 6
k
k
在某种意义下的最优解,并
与仿真结果比较,进而改进你们的数学模型。
4) 假设连观测资料的时间变量也含有误差,试利用数据 DATA4.TXT,建立数学
模型,确定参数
1 6
k
k
在某种意义下的最优解。
二、问题的分析
问题Ⅰ中建立二体轨道力学和运动方程的模型来解决此问题。分别分析了二体问
题和运动方程,进一步简化的运动方程,以及讨论了轨道的几何方程和轨道可能
的形状。
问题Ⅱ实际包含了四个小问:(1)由于
2
已知,我们主要是用求解解析式的方
法来直接求解出 )6,5,4,3,1( k
k
(2)采用最小二乘法来求解。假设有
m
组数据
miyx
ii
,...,1,, ,分解析解和离散差分格式这两种情况来讨论。离散情况下:首
先将原微分方程组按某种差分格式离散化,然后将
m
组观测数据离散后的差分格
式,构造以参数为未知变量的二元一次线性方程组,根据最小二乘法的原理,结
合矩阵的相关理论,讨论解存在、唯一、稳定的条件,从而确定求解参数需要观
测资料的组数
m
。解析解的利用:从原始方程组求出包含未知参数的解析解,同
样将
m
组数据代入解析解,构造出超定的二元一次方程组,然后用同(1)的方
法讨论,最终确定最小的
m
。(3)先用的是高精度差商的最小二乘模型,求出最
优解,用仿真解与观测资料进行比较,效果非常好。由于此问要考虑观测资料的
误差,所以就必须对模型的误差敏感度进行讨论,我们发现高精度差商的最小二
乘模型的敏感度也是比较好的。然后我们又用了变分伴随同化模型,在精确度和
敏感度上面做了进一步的改进。(4)与(3)所用方法基本一致,也是先用中央
差商的最小二乘模型求最优解,再用变分伴随同化模型作进一步的改进。虽然此
时不仅要考虑观测资料的误差还要考虑时间误差,但是模型的稳定性还是很好。
三、符号约定
)(tx
-----------------------------------------------------------
t
时刻捕食者 A 的数目
)(ty
---------------------------------------------------------被捕食者 B 数目
)6,...,2,1( i
i
----------------------------------------------种群模型中的待定参数
j
t
---------------------------------------------- ---------------观测时间序列
m
-------------------------------------------------------------观测资料的数据组数
g
F
------------------------------------------------------------地球和航天器的万有引力
G
-------------------------------------------------------------万有引力常数
M
------------------------------------------------------------地球质量
m
-------------------------------------------------------------航天器的质量
r
--------------------------------------------------------------地球与航天器之间的距离
K
-------------------------------------------------------------积分常数
A
-------------------------------------------------------------系数矩阵
b
--------------------------------------------------------------线性方程组右端的向量
J
--------------------------------------------------------------目标函数
ii
lk , -----------------------------------------------------------中间迭代值
h
---------------------------------------------------------------等距的时间步长
randn
----------------------------------------------------------0 到 1 之间的随机数
N
--------------------------------------------------------------用来表示数据精度的正数
0
--------------------------------------------------------------参数的初值
k
d
---------------------------------------------------------------搜索方向
k
---------------------------------------------------------------搜索步长
w
----------------------------------------------------------------权重系数
QP,
-----------------------------------------------------------伴随模式中的伴随变量
obs
x
,
obs
y ----------------------------------------------------观测资料数据
mean
x ,
mean
y -------------------------------------------------
A
,
B
种群的平均值
四、模型的假设
1 考虑航天器在仅受到地球万有引力、航天器自身发动机作用力的作用下作平面
运动;
2 将地球和航天器视为质点;
3 假设题目给定的数据资料完全正确合理,具有实际意义;
五、问题Ⅰ—二体轨道力学和运动方程的模型
主要用此模型来解决题目中问题Ⅰ。
5.1 二体问题和运动方程:
无论是航天器还是天然天体,它们在运动中的任何给定时刻,均会受到多个
周围天体的万有引力作用,甚至还有其他的力,例如阻力、推力和太阳辐射压力
等的作用。本文中已经进行了简化,只考虑地球和航天器两个质体,只考虑地球
万有引力和航天器发动机作用力。
分析的第一步应选择一个适于物体运动的坐标系。这件事做起来并不容易,
因为所选的任何坐标系其惯性特征都存在某种程度的不确性。为不失一般性,假
定存在某个合适的惯性坐标系
ZYXO
,分析所受得力:
2
FFF
g
(其中
r
r
GMm
F
g
3
)
所以:
Fmv
dt
d
)(
把对时间的导数展开,得到:
F
dt
dm
v
dt
dv
m
(1-1)
航天器可能不断排出某些质量以产生推力,所以
dt
dm
v
不为零,各项除以
m
,
可得航天器的一般运动方程为:
,,
0
0
0
0
rrrr
m
m
r
m
F
r
t
t
(1-2)
r
和
r
分别为航天器相对于惯性坐标系
ZYXO
的速度矢量和加速度矢量。
m
和
m
分别是物体的质量和质量随时间变化。
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阿拉伯梳子
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