概率知识应用于数学建模论文
概率知识应用于数学建模论文 一、概率理论与数学建模 随着数学教育的发展，通过数学建模的教学实践，可以 看到作为数学知识与数学应用桥梁的数学建模活动，对培养 学生从实际中发现问题、归结问题、建立数学模型、使用计 算机和数学软件解决实际问题的能力，起到了其他数学课程 无法替代的作用；对于培养学生的独立思考和表述数学问题 和解法的能力，有其独到之处.国际数学教育界对数学建模 教学的共识和重视的程度也随之提高，数学建模是指根据具 体问题，在一定假设下找出解这个问题的数学框架，求出模 型的解，并对它进行验证的全过程.数学模型从影响实际问 题的因素是确定性还是随机性的角度上可以分为确定性的 数学模型和随机性的数学模型.如果影响建模的主要因素是 确定的，并且其中的随机因素可以忽略，或是随机因素的影 响可以简单地表现为平均作用，那么所建立的模型应当是确 定的数学模型；
相反地，如果随机因素对实际问题的影响是 主要的，不能忽略，并且在建模过程中必须考虑到，此时， 建立的模型应是随机性数学模型.本文主要讨论了简单的随 机问题中的概率模型，通过举例说明概率基本知识在数学建 模中的应用.建立概率模型的过程主要有如下特点：
1.随机性.随机性体现在整个概率模型的建立中，由于 随机因素对实际问题的影响不能忽略，在建模初期的模型分 析与模型假设中必须考虑到随机性的影响，在模型建立环节也会用到分析随机问题的思想. 2.基础性.在概率模型中，用到的概率知识基本上是期 望、方差、概率分布等基本知识，所以对这些基础知识的全 面掌握是建立概率模型的关键. 3.启发性.在概率模型中，如何全面地考虑建模中的不 确定因素具有探索性与启发性，而且对这些随机因素的考虑 可以激发学生的学习兴趣与创造能力. 4.可转化性.有很多确定性模型在考虑了随机性的影响 后，都可以转化成相应的随机性模型. 二、概率基础知识在数学建模中的应用 客观世界中，事物的产生、发展变化往往具有随机性， 它的特点是条件不能完全确定结果.例如某地区的降雨量、 某流水生产线上的次品数、某商场一天中顾客的流量，某射 手在射击中命中靶心的次数，等等.这就要求学生在分析和 求解模型中运用随机性的思想.在此情况下，概率知识在模 型中的应用也就成为必然，而且概率知识的引入也能极大地 丰富了数学建模活动中数学方法的使用.从概率模型的特点 可以看出，有很多确定性的模型，当考虑了其中随机因素的 影响之后，它们都可以转化成概率模型来求解.例如，人口 模型中的指数增长模型和阻滞模型，在给定了生育率、死亡 率和初始人口等数据基础上预测了未来人口，但事实上人口 的出生与死亡是随机的，当考虑到这一点时，我们所建立的 应当是随机人口模型；
再如确定性存贮模型可以转化为随机存贮模型等.为了更好地将概率知识应用到数学建模中，我 们应当做到以下几点：
（１）熟练地掌握概率的基本知识；
（2）全面地理解所研究的实际问题；
（3）充分地考虑到实际问题中的随机性影响，并在建 立模型过程中体现出随机性；
（4）对所建立的模型能作出准确地检验. 下面举例说明.案例1机票预售问题.航空公司采用超额 预订机票的对策来应付某些旅客可能不能按时乘机的情况， 以增加航空公司的收入.但预订机票数超出座位数太多，不 仅影响航空公司的信誉，而且损失过多的付给旅客的补贴. 因此存在一个适度超额预订机票的问题.我们首先通过分析、 假设，来简化、明确问题：设f表示某航班飞行一次的固定 费用，包括燃料费和维护费、机组人员的工资和报酬，以及 租用机场的设施等费用.以N记飞机的座位数，以g记每位旅 客所付机票费.设一个已订票的旅客按时到达机场的概率为 p，设航空公司已订出的机票数为m，在已订机票的m人中有k 人未能按时到达机场的概率为pk，则pk=Cmk（1-p）kpm-k. （１）下面计算一次飞行的利润S.（i）如果飞机满座，且 订票数恰好等于飞机的座位数，即m=N，那么S=Ng-f.（ii） 如果实际订票数大于飞机的座位数，即m＞N，而且m人中有k 人未按时到达，在不考虑补偿已定票而未能乘上飞机的旅客 的情况下，一次飞行的利润为：S（m-k）g-f，若m-k≤NNg-f，若m-k＞ΣN由于“m人中有k人未按时到达”是随机事件，其 概率可由（１）表示，于是一次飞行的平均利润应该用S的 数学期望表示，记作S，因此我们有：为了获得最大利润， 从（2）式可看出：唯一的办法是减小一切0≤j≤N时Pj+m-N 之值，使它尽可能接近零.由二项式分布性质可知，当m增大 时Pj+m-N减小，因此增大可增加利润.但是，增大m会导致过 多预订了票的旅客乘不上飞机的情况发生.因此航空公司对 超额预订机票应采取一定的补救措施，如支付给这些旅客一 定的补贴以消除影响.（iii）如果实际订票数大于飞机的座 位数，即m＞N，而m人中有k人未按时到达，在考虑给每一位 已订票而未能乘上飞机的旅客补偿费b的情况下，航班飞行 的利润公式应改为S（m-k）g-f，若m-k≤NNg-f-（m-k-N）b， 若m-k＞ΣN于是一次飞行的平均利润即S的期望利润为S=ES 由上式可以看到期望利润与g、b、f、N、m、p诸因子有关. 如果固定其他因子不变，仅考虑求m使得S达到最大，这就是 航空公司希望解决的问题.上面所举的例子是概率模型中常 见的素材，其中概率的思想和方法都体现在了建模过程中， 因此概率知识在数学建模中的应用极大地丰富了建模方法， 推动了数学建模的发展.在教育向素质教育全面发展的过程 中，要求学生不但要掌握知识，同时还要学会应用知识，数 学建模毫无疑问是应用知识的一种很好的方式.所以在教学 过程中应当注重知识的应用性，以促进学生的全面发展。