数学模型是用一条规则或方程来代表真实情境。定义变量与假设,就是在做任何代数之前,先决定每个字母代表什么、带什么单位,以及你假定什么是成立的。International Mathematics 的建模题很看重这一步,因为方程的用处取决于它背后的选择。
这是International Mathematics 建模的第一课。后面的课要拟合、解读和检验模型,全都从你在这里写下的定义出发。
好的设定包含什么?
可以想成四句简短的话。
- 你要求的量。 给它字母和单位,例如“C 是总费用,单位令吉”。
- 你能改变或测量的输入。 同样给字母、单位和限制,例如“n 是T恤件数,整数,n ≥ 0”。
- 假设。 说明什么保持不变或被忽略,例如“无论订多少件,每件价格不变”。
- 把它们联系起来的方程。 到这时才写模型。
注意方程排在最后。如果先写方程,你分不清其中的数字是比率、固定收费还是猜测。
例题
班级社团订制印花T恤。印刷店收一次性设计费 RM60,另加每件 RM18。写出总费用的模型,并用它算订 25 件的费用。
步骤 1,要求的量: 设 C 为总费用,单位令吉。
步骤 2,输入: 设 n 为T恤件数,整数,n ≥ 0。
步骤 3,假设: 无论订多少件,每件价格都是 RM18;设计费只付一次;没有运费和税。
步骤 4,模型: C = 60 + 18n。
步骤 5,合理性检查: n = 0 时,C = 60,正好是设计费。n = 1 时,C = 78,是设计费加一件T恤。两者都合理。
步骤 6,使用: n = 25 时,18 × 25 = 450,所以 C = 60 + 450 = 510。
在所述假设下,25 件的费用是 RM510。检查:18 × 25 = 18 × 100 ÷ 4 = 450,450 + 60 = 510。
要留意的错误
常见的失误是把固定收费和比率对调。
错误的模型: C = 18 + 60n
n = 25 时得 18 + 1500 = 1518,对 25 件来说高得离谱。
能抓出这个错误的是 n = 0 检查。按这个模型,什么都不订也要 RM18,但题目说设计费是 RM60。
只加一次的数字是固定收费(60),乘以 n 的数字才是每件的比率(18)。正确的模型是 C = 60 + 18n。
自我检测
先在纸上做,再打开答案。
1. 一家健身房收 RM50 入会费,另外每个月会员费 RM35。定义变量,写出总费用的模型,并求 6 个月后的费用。
显示答案
设 C 为总费用(令吉),m 为月数,m ≥ 0,按整月计。假设月费始终是 RM35,入会费只付一次。
模型:C = 50 + 35m。m = 6 时,35 × 6 = 210,50 + 210 = RM260。
2. 一株植物第一次测量时高 12 cm,每周长高 2.5 cm。写出它 w 周后高度 h cm 的模型,写出两条假设,并求 8 周后的高度。
显示答案
模型:h = 12 + 2.5w。两条假设:每周都长 2.5 cm;植物没有被剪断或损坏。
w = 8 时,2.5 × 8 = 20,12 + 20 = 32 cm。
3. 一位学生写“设 t = 时间”。指出这个定义缺了哪两样东西。
显示答案
缺了单位(秒、小时还是天?),也缺了起点(从什么时候开始算?)。更好的写法是“t 是实验开始后的时间,单位小时”。
接下来学什么
设定写好后,下一步是根据数据确定模型中的数字:见用给定数据拟合简单模型。想做综合题,可以试建模练习题。免计算器解题训练器可以帮你检查代入时的算术。
有些学生能写出方程,却漏掉能拿解释分的假设。我们的老师在一对一线上数学补习中会特别留意这个习惯。