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全国大学生数学建模竞赛的2022年C题聚焦于古代玻璃制品的成分分析与鉴别,这涉及了数学建模、数据分析、化学知识和历史背景的融合。参赛者需要利用给定的数据来解决四个具体问题。 问题1要求对玻璃文物的表面风化与其类型、纹饰和颜色的关系进行分析。这涉及到统计学方法,如相关性分析,来探究风化程度与玻璃类型、装饰特征和颜色之间的联系。此外,还需要建立模型预测风化前的化学成分,这可能需要运用回归分析或时间序列预测。 问题2的核心是建立高钾玻璃和铅钡玻璃的分类规律。参赛者需要挖掘附件数据中的模式,可能需要用到聚类分析或决策树等机器学习算法来划分亚类。分类的合理性与敏感性分析则需通过交叉验证和混淆矩阵等评估指标来完成。 问题3要求对未知类型的玻璃文物进行分类。这需要在已有的分类规律基础上,运用监督学习方法,如支持向量机或神经网络,训练模型并预测新样本的类型。同样,分类敏感性分析是评估模型性能的关键步骤。 问题4的重点是探究不同类别玻璃文物化学成分之间的关联关系及其差异性。可以采用网络分析或协方差分析来揭示成分间的相互作用,然后通过对比分析来突出类别间的关系差异。 在整个建模过程中,参赛者必须注意数据的有效性,因为成分比例的累加和应该在85%~105%之间。处理缺失值和异常值的方法,如插补或剔除,也将影响模型的准确性和稳定性。此外,理解古代玻璃制造的技术和原料来源,以及它们如何影响化学成分,对于构建合理的模型至关重要。 这个数学建模问题挑战参赛者将数学工具应用于历史文物研究的能力,同时涉及多学科知识的综合运用,包括统计学、化学、材料科学和历史。解决这些问题需要深入的数据探索、模型构建、预测能力和严谨的分析报告撰写。
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2022 年高教社杯全国大学生数学建模竞赛题目
(请先阅读“全国大学生数学建模竞赛论文格式规范”)
C 题 古代玻璃制品的成分分析与鉴别
丝绸之路是古代中西方文化交流的通道,其中玻璃是早期贸易往来的宝贵物证。早期的玻
璃在西亚和埃及地区常被制作成珠形饰品传入我国,我国古代玻璃吸收其技术后在本土就地取
材制作,因此与外来的玻璃制品外观相似,但化学成分却不相同。
玻璃的主要原料是石英砂,主要化学成分是二氧化硅(SiO
2
)。由于纯石英砂的熔点较高,
为了降低熔化温度,在炼制时需要添加助熔剂。古代常用的助熔剂有草木灰、天然泡碱、硝石
和铅矿石等,并添加石灰石作为稳定剂,石灰石煅烧以后转化为氧化钙(CaO)。添加的助熔
剂不同,其主要化学成分也不同。例如,铅钡玻璃在烧制过程中加入铅矿石作为助熔剂,其氧
化铅(PbO)、氧化钡(BaO)的含量较高,通常被认为是我国自己发明的玻璃品种,楚文化
的玻璃就是以铅钡玻璃为主。钾玻璃是以含钾量高的物质如草木灰作为助熔剂烧制而成的,主
要流行于我国岭南以及东南亚和印度等区域。
古代玻璃极易受埋藏环境的影响而风化。在风化过程中,内部元素与环境元素进行大量交
换,导致其成分比例发生变化,从而影响对其类别的正确判断。如图 1 的文物标记为表面无风
化,表面能明显看出文物的颜色、纹饰,但不排除局部有较浅的风化;图 2 的文物标记为表面
风化,表面大面积灰黄色区域为风化层,是明显风化区域,紫色部分是一般风化表面。在部分
风化的文物中,其表面也有未风化的区域。
图 1 未风化的蜻蜓眼玻璃珠样品 图 2 风化的玻璃棋子样品
现有一批我国古代玻璃制品的相关数据,考古工作者依据这些文物样品的化学成分和其他
检测手段已将其分为高钾玻璃和铅钡玻璃两种类型。附件表单 1 给出了这些文物的分类信息,
附件表单 2 给出了相应的主要成分所占比例(空白处表示未检测到该成分)。这些数据的特点
是成分性,即各成分比例的累加和应为 100%,但因检测手段等原因可能导致其成分比例的累
加和非 100%的情况。本题中将成分比例累加和介于 85%~105%之间的数据视为有效数据。
请你们团队依据附件中的相关数据进行分析建模,解决以下问题:
问题 1 对这些玻璃文物的表面风化与其玻璃类型、纹饰和颜色的关系进行分析;结合玻
璃的类型,分析文物样品表面有无风化化学成分含量的统计规律,并根据风化点检测数据,预
测其风化前的化学成分含量。
问题 2 依据附件数据分析高钾玻璃、铅钡玻璃的分类规律;对于每个类别选择合适的化
学成分对其进行亚类划分,给出具体的划分方法及划分结果,并对分类结果的合理性和敏感性
进行分析。
问题 3 对附件表单 3 中未知类别玻璃文物的化学成分进行分析,鉴别其所属类型,并对
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司南锤
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