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在选修4-7起重要作用的数学思想的分析
作者:见文章    文章来源:高中数学选课指南    点击数:    更新时间:7/10/2006

  a) 在现实生活中和科学试验中,人们往往需要用做试验的办法去解决问题。做试验就需要设计实验的方案。例如:我们要对某一艾滋病易感人群进行检测。设人群有1000人,其中共有10个感染者。我们希望通过血样检验的方法,找出这10个感染者。进一步分析理解这个问题,我们可以一个一个的进行检验,在最坏的情况下,需要做999次检验。为了减少化验次数,常采用分组化验的办法。即把几个人的血样混在一起,先化验一次。若化验合格,则说明这几个人全部正常;若混合血样不合格,说明这几个人中有病人,再对他们做进一步的化验(逐个化验,或者分成小组化验)

b) 本专题分成两个部分,一部分是针对多因素问题如何设计试验方案,以求得实现试验次数少,且试验效果好的目的。在这部分内容中,我们介绍了两种选择试验方案的工具。一种是拉丁方;另一种是正交表。我们通过具体的实例,具体给出了设计试验方案的步骤及分析试验结果的方法和步骤。

这部分内容体现了数学中一种重要的思想——“均衡搭配”的思想,即要在几个维度下都能放映出好的试验效果。同学们可以通过对具体实例的分析,体会“均衡搭配”的思想。由于这部分的内容在数学技能上的难度不大,所以,同学们的学习重点应该放在理解“均衡搭配”的思想上。

c) 本专题的第二部分内容就是优选法,在生产实践和科学试验中,人们为了达到优质、高产、低消耗等目的,需要对有关因素的最佳点进行选择。这些选择最佳点的问题,都称之为选优问题。解决这些选优问题的方法称为优选法。上世纪70年代,我国著名数学家华罗庚在全国推广和普及了优选法,大大地提高了我国科技工作者、管理工作者、普通大众的科学素养和数学水平。

  例如,在某化工生产中,一种产品的产量随加工的温度而变化。生产中,通常选用的加工温度在700C~800C之间,随着温度的升高,产量随之加大。但当温度达到一定程度以后,随着温度的升高,产量反而降低了。

现在,我们考虑通过做试验的方法,找到这个最佳温度,那么,如何设计我们的试验呢?

分析这个例子可知,对试验结果产生影响的因素只有一个——温度。实际上,产量与温度的关系可以用一元函数y=f(x)刻画,其中x为温度,y为产量。但是函数的具体表达式是不知道的。

从这个例子我们可以得到以下结论:

     不难看出,产量是温度的函数。

     随着自变量的增加,函数的变化趋势是,先单调递增,在单调递减。这样的函数我们通常称之为单峰函数,但是峰值在哪儿,我们并不知道,它可以出现在定义域的任何地方。

     先做一次试验得到一个结果,再做一次试验在得到一个结果。如图所示,

 

    

当在x2的产量大于x1时,就有如上图的两种峰值的情况。我们就可以根据这两次试验的情况,缩小因素的取值范围。

用做试验的办法解决单因素选优问题,并不是同时做好几个试验,而是先做两次试验,通过对试验结果的比较,去掉不含最佳点的区间,缩小因素的取值范围。第三次试验的结果与上次保留的试验结果加以比较,再次去掉不含最佳点的区间。如此继续下去,不断的缩小因素的取值区间,迅速的找到最佳点。

这就是解决单因素选优问题的基本思想。

根据这样的基本思想,如果限定试验次数,我们设计了分数法。如果不限制试验次数,我们又设计了0.618法。

 对于单因素的情况,我们还介绍了二分法等其他方法。

 对于两个以上因素的情况的优选法,我们简洁的介绍了几种优选的方法。例如,纵横对折法和0.618法等。

  在这部分内容的数学中,教师应引导学生把握优选的基本思想。教师还可以引导学生把这种方法和在必修1中所学的二分法求方程的解作比较,探索它们之间的本质联系。

d) 我们建议同学们在教师的引导下对于本专题的内容进行分析和整理,写出一个好的读书报告,这个工作对于学生学习能力的提高是个好的方法,也便于一个好的学习习惯的养成。

 

 作者:王尚志\张饴慈\马芳华

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