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【经典数学建模起源分享】第五届“数学周报”全国大学生数学建模大赛

2026.07.31 15:52:38

公元前 3 世纪|埃拉托斯特尼:测算地球周长

依托合理假设建立简化模型,仅凭观测与初等数学,就能推演宏大客观规律。

古希腊时期,人们普遍凭感官认知大地。埃拉托斯特尼发现:夏至正午,阿斯旺阳光直射井底,同一时刻亚历山大城立杆存在阴影。 他做出合理抽象假设:地球为球体、太阳光线相互平行,依靠几何模型,结合两地距离与阴影夹角,推算出地球周长。计算结果与真实周长误差仅约 5%。 

现代应用:大地测量、遥感测绘、卫星轨道初步几何估算;数模中各类几何定位、最短路径、地形简化建模的底层思维范本。

 

1736 年|欧拉:哥尼斯堡七桥问题(图论鼻祖)

数学建模最重要的第一步 —— 剥离无关细节,抓住问题本质,把现实难题转化为数学问题。

哥尼斯堡城内普雷格尔河分布七座桥,市民长久争论:能否一次性走完所有桥梁,每座桥只经过一次。无数人实地尝试无果。 欧拉跳出实地行走的思维,完成划时代抽象:陆地抽象为点,桥梁抽象为连线,将现实问题转化为纯粹图形问题,严格证明该路线不存在。

现代应用:交通路网规划、快递配送路径优化、通信网络拓扑、电路设计、社交网络分析;数模高频题型:路径规划、物流调度、网络连通性、管线布设全部基于图论。

 

1777 年|蒲丰投针试验(蒙特卡洛思想雏形)

可以利用随机试验,通过统计近似求解难以直接计算的常数,是随机仿真思想最早源头。

蒲丰提出投针概率问题:向布满等距平行线的平面随机投掷细针,求解针与直线相交的概率。 通过概率模型推导,相交概率与圆周率 π 关联。只要大量重复试验、统计频率,即可反向估算 π。

现代应用:复杂积分求解、风险仿真、粒子运动模拟、AI 采样算法;数模竞赛中复杂系统仿真、疫情随机传播、车辆人流模拟、智能寻优大量使用蒙特卡洛模拟。

 

1798 年|马尔萨斯人口增长模型

任何模型都带有适用边界;当现实条件突破模型假设,就需要迭代改进。

马尔萨斯整理人口统计数据,提出经典指数增长模型:人口增长速度与当前人口总量成正比,可以短期描述种群快速扩张现象。 后续学者发现模型缺陷,发展出 Logistic 阻滞增长模型,引入资源上限约束。时至今日 Logistic 仍是数模竞赛高频基础模型。

现代应用:物种种群数量预测、流行病早期规模预估、新产品市场销量增长、用户数量预测、农作物生长模拟;国赛数模最常用基础模型之一,预测类题目高频出现。

 

1801 年|高斯:谷神星轨道计算(最小二乘法诞生)

真实世界的数据永远存在噪声;优秀模型需要容纳误差,在扰动之中寻找客观规律。

谷神星短暂现身之后消失在日光中,仅留存少量带有观测误差的坐标,各国天文学家无法推算运行轨道。 24 岁高斯构建轨道模型,考虑观测存在误差,创立最小二乘法拟合轨道。依靠计算出的坐标,天文学家重新找到谷神星。

现代应用:实验数据曲线拟合、传感器数据校准、回归分析、测绘数据修正;几乎所有数模数据分析类题目,数据拟合、多元线性回归核心工具就是最小二乘法。

 

1926 年|洛特卡 - 沃尔泰拉捕食者 - 食饵模型

数学模型可以量化复杂相互作用,解释直觉难以理解的现实系统。

亚得里亚海减少捕鱼后,鲨鱼捕捞占比反而上升,违背大众直觉。数学家沃尔泰拉建立微分方程组,刻画捕食者与猎物相互制约的动态关系,完美解释这一反常识现象。

现代应用:生态物种竞争与共存分析、生物防治虫害、市场两家企业竞争博弈、病毒与免疫细胞相互作用;数模生态议题、商业竞争系统动力学题目常用。

 

1927 年|SIR 传染病动力学模型

对人群进行分类抽象,能够简化复杂传播系统,为防控策略提供量化依据。

凯马克、麦肯德里克将人群划分为易感者 S、感染者 I、康复者 R,构建微分方程组描述传染病传播规律,推导出感染峰值、疾病传播阈值。后续 SEIR 等拓展模型均建立在此基础之上。

现代应用:流行病传播预测、疫情防控政策效果模拟、病毒传播风险评估;历年数模多次出现传染病主题赛题,SIR 系列模型是标准解决方案。

 

1946 年|蒙特卡洛方法(曼哈顿计划)

复杂系统不必强求精确解析解;计算机随机仿真,是现代数值建模强大工具。

乌拉姆与冯・诺依曼在原子弹研究中正式确立蒙特卡洛方法。面对难以写出解析解的中子扩散问题,不再执着公式推导,利用大量随机模拟得到近似结果。

现代应用:金融风险测算、工程可靠性试验、流体仿真、人工智能采样、交通流随机模拟;当系统公式过于复杂无法求解时,数模选手普遍采用蒙特卡洛仿真方案。

 

1973 年|布莱克 - 斯科尔斯期权定价模型

模型是现实的简化镜像,高度依赖前置假设;假设失效时,模型预测会产生明显偏差。

过去金融期权定价依靠经验猜测。二人建立随机微分方程模型,在一系列标准化假设下推导出期权定价公式,奠定现代金融衍生品市场基础。

现代应用:股票期权、大宗商品衍生品定价、投资风险对冲;数模金融类赛题、资产定价、投资组合优化经常借鉴随机微分建模思路;同时也警示参赛者:一定要在论文中写明模型假设与局限性。


大赛报名链接:https://www.saikr.com/vse/MW26MM?ces=XB40331

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