如何快速入门数学建模

无数模基础,暑假如何准备,才能在今年9月的国赛中取得成果?

有数模基础,暑假如何准备,才能在今年9月的国赛中保省奖、冲国奖?

这篇文章给你答案。

来自国奖学长的经验,从零基础到拿下国奖的高效备赛策略。

01

首先要想清楚的问题

(一)四个基础问题

1.务实目标:建议大一大二参赛积累经验,大三保省奖、冲国奖。

2.如果你刚结束数模,最推荐的了解方式:精读1-2篇获奖论文,了解其结构、语言、模型思路和实现方法。

3.“够用就好”:

很多学生有这样一个误区,觉得模型越复杂得分越高。但其实,评委更看重模型适用性与结果合理性,模型的创新性是锦上添花。

所以不要一味追求高深莫测的数学模型,仅凭借这个容易跑偏方向,最终导致无法拿下好的奖项。熟练掌握几个基础、常用、威力大的模型及其适用场景是关键基础,全国赛大部分题目用基础或中级模型就能解决得很好。

4.非数专业如何扬长避短:如果你是非数学专业学生,你的优势往往在于专业背景知识(物理、化学、生物、经济、管理、计算机等)和应用视角。数学建模的核心是用数学工具解决实际问题,而非纯数学推导。将你的学科背景融入选题、建模,避免纯数学竞争,突出应用视角。

5.注意查重率:模型需重构表达,核心代码需自写。

(二)数模评委阅卷主要看哪些

1.假设的合理性

(1)关键要求:假设需基于问题背景,用严格数学语言表述,且为模型必需。例如冷冻饮料升温模型中,“屋内温度恒定”“物体温度均匀”这些都是合理假设。

(2)扣分点:假设脱离实际(如忽略关键变量)、未验证合理性。

2.建模的创造性

高分特征:

(1)模型创新:如将传统优化模型(线性规划)改进为混合算法(模拟退火+序列二次规划)。

(2)跨学科应用:如用微分方程描述交通流动力学,结合机器学习预测排队长度。

(3)鼓励方向:模型微创新(如AHP中引入熵权法)、结果对比分析(多种模型验证)。

3.结果的合理性

核心考察:

(1)数值正确性:结果需符合实际逻辑(如排队长度不可能为负)。

(2)完备性检验:必须包含灵敏度分析(如参数变动对结果的影响)、稳定性测试。

(3)典型扣分:未回答题目全部子问题、忽略时间等重要影响因素(如节假日对销量的影响)。

4.表述的清晰性

(1)摘要:需包含问题、方法、模型、结果、创新点五要素,篇幅控制在一页以内。

(2)论文结构:要求逻辑连贯,如:问题重述→假设→模型→求解→检验→改进。

(3)图表规范:结果需可视化(如时间序列图、热力图),避免仅描述性统计。

02

备赛核心是哪些(暑假准备重点)

(一)问题分析与转化能力(建模核心)

1.核心:将现实世界模糊、复杂的问题提炼、简化、抽象成数学问题(定义变量、建立关系、确定目标与约束)。

2.如何训练:大量阅读往年赛题(尤其本科组),分析并整理“题目到底在问什么?”“需要哪些关键量?”“优化目标是什么?约束条件是什么?”。

(二)重要数学基础构建

1.说在前面,要“怎么学”:不要死磕数学推导!理解概念、掌握适用场景、知道如何在软件中调用相关函数求解是重点。遇到复杂证明可暂时跳过。

2.快速回顾基础:

①数学建模基础(最重要!):精读《数学建模算法与应用》(司守奎),重点掌握线性规划、微分方程、统计回归模型。

②运筹学/优化基础(极其重要!):线性规划、整数规划、非线性规划(概念与求解思想)、图论基础(最短路、最小生成树)。优化问题是数学建模非常常见的类型。

③概率论与数理统计(极其重要!):描述性统计、常见分布、参数估计、假设检验、回归分析(线性回归、逻辑回归基础)、时间序列分析基础。这是数据处理和建模的基石,全国赛几乎必涉及数据。

④高等数学:重点是微积分基础(求导、积分用于描述变化率、累积量、优化中的梯度概念)、微分方程基础(理解常微分方程的概念和简单解法,如分离变量,知道其用于描述动态过程)。

⑤线性代数:矩阵运算、求解线性方程组是很多模型的基础(如优化、回归)。理解特征值/特征向量概念(PCA等降维方法会用到)。

3.计算与编程能力(关键生产力):

选择一门语言并精通基础:推荐Python或MATLAB。两者都有丰富的科学计算库和社区支持。

(1)目标:能够将建立的数学模型转化为代码,并得到结果。不是成为算法专家,而是成为熟练的“调包侠”和问题实现者。

(2)核心技能:

①数据读写与清洗:从文件读数据,处理缺失值、异常值。

②数据可视化:绘制各种图表(折线图、散点图、柱状图、箱线图等)辅助分析。

③调用库函数求解模型:如用scipy.optimize求解优化问题,用networkx处理图论问题。

④基础算法实现:如插值、拟合、简单迭代法等。

4.文献检索与资料利用能力:

(1)学会快速查找相关文献、算法、代码实现(如GitHub、CSDN、知乎专栏)。

(2)学会利用已有的工具包、模型库。“站在巨人肩膀上”是竞赛的关键策略。

5.论文写作与表达能力(决定最终成绩):

这是许多学生非常容易忽视但至关重要的一环!再好的模型和结果,如果表达不清,也是徒劳。

论文入门,首先,精读5篇国一论文:

1)学习优秀论文的结构:摘要(重中之重!)、问题重述、模型假设、符号说明、模型建立与求解、结果分析与检验(灵敏度分析!)、模型评价与推广、参考文献、附录(代码、数据)。

(2)精炼、准确、逻辑清晰:用专业、简洁的语言描述问题、模型、过程和结论。

(3)图表规范美观:一图胜千言,精心设计的图表能极大提升论文质量。

(4)突出亮点和创新点:在摘要和结论部分清晰点明。

03

专题能力强化,保省奖冲国奖

(一)高频题型突破:

1.基础版高频题型

(1)怎么学:

针对每个模型:理解模型思想→掌握适用问题类型→学习建模步骤→用编程语言调用库实现求解→找简单案例练习。

(2)聚焦模型(按优先级):

①优化类:线性规划、整数规划。学会建立模型(目标函数、约束条件),用Python或MATLAB求解。

②统计/预测类:回归分析(线性、多元、逻辑回归)、时间序列分析(移动平均、指数平滑、ARIMA基础)。学会用Python或MATLAB实现。

③评价与决策类:层次分析法(AHP)、模糊综合评价。理解原理和步骤,手动或编程实现。

④图论与网络优化:最短路、最小生成树等,用Python或MATLAB实现。

⑤微分方程:理解建模思想,会解简单可分离变量方程,会用数值方法(如欧拉法)或软件求解简单ODE。

2.冲击进阶版

(1)高阶模型专精:如,掌握随机过程(马尔可夫链/排队论)、偏微分方程数值解(有限差分/有限元)、多目标优化(NSGA-II算法)。

(2)模型机理深挖:如,在论文中增加定理引用(如证明神经网络万能逼近定理);对关键算法做收敛性/稳定性分析(如梯度下降法的收敛速率证明)。

(3)方法论层面创新:将统计学习方法与机理模型融合(如:LSTM预测+微分方程校正);设计混合优化策略(模拟退火初始化+序列二次规划局部搜索)。

(4)结果深度验证:如,增加蒙特卡洛仿真验证模型鲁棒性;使用拓扑学工具分析高维结果结构。

写在最后:

数模三天竞赛的本质,是用数学语言讲好一个解决问题的故事——情节要合理(假设),创意要精彩(模型),结局要可信(验证),讲述要动人(论文)。

【竞赛报名/项目咨询+微信:mollywei007】

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