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数学 · 数学建模

为真实情境选择简单模型

手上有一张数据表,却分不清该用直线还是别的形状。

选简单模型的办法,是看输入每走相同的一步,输出怎样变化。变化量固定,就选线性模型。变化量越来越大,就考虑二次模型。

这一课接在定义变量和假设之后,属于SPM数学建模系列。下一课是说明模型的局限并改进模型。

怎样从表格选模型?

先把输出那一列的差值写出来,再按规律判断。

差值的规律 模型
每次都相同 线性
每次都相同,而且输入为0时输出为0 正比例
差值不同,但差值之间的差相同 二次

选好之后,一定要把值代回方程检验是否吻合。

例子:水箱注水

水箱一开始有10升水。每隔2分钟量一次水量V(升)。

t(分钟) 0 2 4 6
V(升) 10 16 22 28

第1步。 差值是6、6、6,全部相同,所以是线性模型。

第2步。 每2分钟增加6升,梯度是每分钟3升。

第3步。 t = 0时V = 10,所以截距是10。模型是V = 10 + 3t。

第4步。 核对:t = 4时10 + 12 = 22,和表格一致。t = 6时10 + 18 = 28,也一致。

这两个值没有参与求梯度,所以这次核对是可靠的证据。

会丢分的错误

常见的失误,是因为速率固定就选正比例模型V = 3t。这样就忘了水箱里本来就有的10升水。

步骤 错误做法 正确做法
模型 V = 3t V = 10 + 3t
检验t = 0 得0升,表里是10 得10升,吻合
检验t = 4 得12升,表里是22 得22升,吻合

只要检验一次t = 0,就能看出缺了常数项。

自我检测

判断哪个模型适合:x = 1, 2, 3, 4,y = 2, 8, 18, 32。写出方程。

Answer

y的差值是6、10、14,不是常数。再看这些差值的差:4和4,是常数,所以是二次模型。

试y = 2x²。x = 1和x = 2时分别得2和8。

x = 3和x = 4时分别得18和32。四个值全部吻合。

接下来学什么?

继续读说明模型的局限并改进模型。想用整张数据表检验模型,请看用已知数据检验模型。

如果想让老师陪你看数据表,可以了解线上一对一数学补习。整理方程总是卡住的话,代数步骤修复训练器 (英文)会有帮助。

常见问题

怎样知道一个模型是线性的?

输入每次增加相同的量时,看输出的差值。如果每次的差值都相同,模型就是线性的。这个固定的差值就是每一步的梯度。

什么时候是正比例,而不只是线性?

图像经过原点,也就是输入为0时输出也为0,才是正比例。如果一开始就有固定的量,那它是线性的,但不是正比例。

怎样认出二次规律?

差值本身不是常数,但差值之间的差是常数。正方形的面积随边长变化,就是常见的二次情境。

只做一次检查够吗?

先用差值选出模型,再把表里两三个值代入你的方程。全部吻合,这个模型对这张表就是合理的。

如果你选模型只靠猜图形的样子,一对一数学课可以让老师带你把每个候选模型放回你自己的数据表里逐一检验。

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