竞赛锦囊第二期—数模十大常用算法及说明

Posted 2021-04-20 沈阳建筑大学启航社

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了竞赛锦囊第二期—数模十大常用算法及说明相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

上周的竞赛锦囊小航为大家带来了数学建模概念的介绍，光知道概念不足够，该如何具体实施计算呢？本期的竞赛锦囊小航为大家带来干货数学建模的常用算法。

数模十大常用算法及说明

1.蒙特卡罗算法

该算法又称随机性模拟算法，是通过计算机仿真来解决问题的算法，同时可以通过模拟来检验自己模型的正确性，几乎是比赛时必用的方法。

2.数据拟合、参数估计、插值等数据处理算法

比赛中通常会遇到大量的数据需要处理，而处理数据的关键就在于这些算法，通常使用MATLAB 作为工具。

3.线性规划、整数规划、多元规划、二次规划等规划类算法

建模竞赛大多数问题属于最优化问题，很多时候这些问题可以用数学规划算法来描述，通常使用 Lindo 、 Lingo 软件求解。

4.图论算法

这类算法可以分为很多种，包括最短路、网络流、二分图等算法，涉及到图论的问题可以用这些方法解决，需要认真准备。

5.动态规划、回溯搜索、分治算法、分支定界等计算机算法

这些算法是算法设计中比较常用的方法，竞赛中很多场合会用到。

6.最优化理论的三大非经典算法：模拟退火算法、神经网络算法、遗传算法

这些问题是用来解决一些较困难的最优化问题的，对于有些问题非常有帮助，但是算法的实现比较困难，需慎重使用。

7.网格算法和穷举法

两者都是暴力搜索最优点的算法，在很多竞赛题中有应用，当重点讨论模型本身而轻视算法的时候，可以使用这种暴力方案，最好使用一些高级语言作为编程工具。

8.一些连续数据离散化方法

很多问题都是实际来的，数据可以是连续的，而计算机只能处理离散的数据，因此将其离散化后进行差分代替微分、求和代替积分等思想是非常重要的。

9.数值分析算法

如果在比赛中采用高级语言进行编程的话，那些数值分析中常用的算法比如方程组求解、矩阵运算、函数积分等算法就需要额外编写库函数进行调用。

10.图象处理算法

赛题中有一类问题与图形有关，即使问题与图形无关，论文中也会需要图片来说明问题，这些图形如何展示以及如何处理就是需要解决的问题，通常使用 MATLAB 进行处理。

十类算法的详细说明

1.蒙特卡罗算法

大多数建模赛题中都离不开计算机仿真，随机性模拟是非常常见的算法之一。举个例子就是97年的A题，每个零件都有自己的标定值，也都有自己的容差等级，而求解最优的组合方案将要面对着的是一个极其复杂的公式和108种容差选取方案，根本不可能去求解析解，那如何去找到最优的方案呢？随机性模拟搜索最优方案就是其中的一种方法，在每个零件可行的区间中按照正态分布随机的选取一个标定值和选取一个容差值作为一种方案，然后通过蒙特卡罗算法仿真出大量的方案，从中选取一个最佳的。另一个例子就是2002年B题彩票第二问，要求设计一种更好的方案，首先方案的优劣取决于很多复杂的因素，同样不可能刻画出一个模型进行求解，只能靠随机仿真模拟。

2.数据拟合、参数估计、插值等算法

数据拟合在很多赛题中有应用，与图形处理有关的问题很多与拟合有关系，一个例子就是98年美国赛A题，生物组织切片的三维插值处理，94年A题逢山开路，山体海拔高度的插值计算，还有03年的“非典”问题也要用到数据拟合算法，观察数据的走向进行处理。此类问题在MATLAB中有很多现成的函数可以调用，熟悉MATLAB，这些方法都能游刃有余的用好。

3.规划类问题算法

竞赛中很多问题都和数学规划有关，可以说不少的模型都可以归结为一组不等式作为约束条件、几个函数表达式作为目标函数的问题，遇到这类问题，求解就是关键了，比如98年B题，用很多不等式完全可以把问题刻画清楚，因此列举出规划后用Lindo、Lingo等软件来进行解决比较方便，所以还需要熟悉这两个软件。

4.图论问题

98年B题、00年B题、95年锁具装箱等问题体现了图论问题的重要性，这类问题算法有很多，包括：Dijkstra、Floyd、Prim、Bellman-Ford，最大流，二分匹配等问题。每一个算法都应该实现一遍，否则到比赛时再写就晚了。

5.计算机算法设计中的问题

计算机算法设计包括很多内容：动态规划、回溯搜索、分治算法、分支定界。比如92年B题用分枝定界法，97年B题是典型的动态规划问题，此外98年B题体现了分治算法。这方面问题和ACM程序设计竞赛中的问题类似，推荐看一下《计算机算法设计与分析》（电子工业出版社）等与计算机算法有关的书。

6.最优化理论的三大非经典算法

这十几年来最优化理论有了飞速发展，模拟退火法、神经网络、遗传算法这三类算法发展很快。近几年的赛题越来越复杂，很多问题没有什么很好的模型可以借鉴，于是这三类算法很多时候可以派上用场，比如：97年A题的模拟退火算法，00年B题的神经网络分类算法，象01年B题这种难题也可以使用神经网络，还有美国竞赛89年A题也和BP算法有关系，当时是86年刚提出BP算法，89年就考了，说明赛题可能是当今前沿科技的抽象体现。03年B题伽马刀问题也是目前研究的课题，目前算法最佳的是遗传算法。

7.网格算法和穷举算法

网格算法和穷举法一样，只是网格法是连续问题的穷举。比如要求在N个变量情况下的最优化问题，那么对这些变量可取的空间进行采点，比如在[a;b]区间内取M+1个点，就是a,a+(b-a)/n,…,b,那么这样循环就需要进行(M+1)N次运算，所以计算量很大。比如97年A题、99年B题都可以用网格法搜索，这种方法最好在运算速度较快的计算机中进行，还有要用高级语言来做，最好不要用MATLAB做网格，否则会算很久的。穷举法大家都熟悉，就不说了。