【还不知道你就慢了！纯纯干货！数学建模竞赛最常用的4个算法！】

你是否曾为数学建模而头疼？面对一堆数据和复杂的模型，感到无从下手？别担心，今天我们就来聊聊数学建模中常用的四种算法，让你轻松掌握数学建模的精髓！

在数学的广阔天地里，建模是一种非常重要的技能。而要想成功建模，掌握一些常用的算法是必不可少的。今天，我们就来详细介绍一下数学建模中的四大常用算法：蒙特卡洛算法、蚁群算法、遗传算法、聚类算法。

蒙特卡洛算法

算法介绍：蒙特卡罗方法又称统计模拟法、随机抽样技术，是一种随机模拟方法，以概率和统计理论方法为基础的一种计算方法，是使用随机数（或伪随机数）来解决很多计算问题的方法。将所求解的问题同一定的概率模型相联系，用电子计算机实现统计模拟或抽样，以获得问题的近似解。为象征性地表明这一方法的概率统计特征，故借用赌城蒙特卡罗命名。

基本思想：蒙特卡洛算法的核心原理是利用随机数和概率统计方法来模拟问题，通过大量随机样本的采样，得到问题的概率分布或期望值。这种方法特别适用于那些无法用精确数学公式求解的问题，或者公式求解非常困难的问题。

算法步骤：

1.定义问题：首先需要明确问题的数学模型和目标函数，以及待求解的变量或参数。

2.随机采样：生成随机样本，这些样本通常来自均匀分布或正态分布等，并根据采样规则将随机数映射到问题的定义域内，得到一组采样点。

3.模拟计算：将采样点代入目标函数中，得到目标函数的函数值。根据函数值的大小关系，统计满足条件的样本数目，从而得到目标函数在采样区域内的估计值。

4.统计分析：利用采样得到的数据，根据大数定律和中心极限定理，计算问题的期望值、方差、置信区间等统计量，并进行进一步的分析和推断。

应用场景：通过计算机仿真来解决问题，同时可以用来检验模型的正确性。蒙特卡罗算法常用于解决各种规划问题优化算法，其精确度很大程度取决于实验次数。

应用实例：

某食品加工厂主要生产即食产品，一般当天生产的产品必须当天售出，否则就会出现不能保质、或变质、造成一定的经济损失，如果市场需求量大而生产量不足，则也会影响工厂的销售收入，该产品的单位成本为1.5元，单位产品售价为4元。工厂为了避免产品滞销存货过多而造成的经济损失，提出了如何制定合理的生产与库存数量的方案问题，能够使得工厂能有尽可能多的收益，经初步考虑拟从以下两种生产与库存方案中选出一个较好的方案：
方案(1)：按前一天的销售量作为当天的生产库存量。
方案(2)：按前两天的平均销售量作为当天的生产库存量。

解：利用蒙特卡罗方法随机模拟市场对该产品需求量，统计计算出按照两种不同方案T 天后工厂的经济值，比较不同方案经济效益的大小，选出一个较好的方案。假设市场对该产品的每天需求数量是一个随机变量，从统计学的角度分析得知，该随机变量服从正态分布 N（1500，900）。利用蒙特卡罗方法编程实现，主要随机模拟前一天和前两天的各种不同的销售量，来确定当天的生产与库存量，依据可能的实际销售量，计算出当天的销售利润，选择使连续几天利润尽可能大的方案。假设模拟20天，方案一前一天的销售量为59，方案二前第一天的销售量为59，前第两天的销售量为65，模拟得到的结果为

LS1 =7.9399e+04LS2 =8.1732e+04

比较可以发现，在假设的条件下，方案二的利润更高，因此选择方案二。

蚁群算法

算法介绍：蚁群算法(Ant Colony Algorithm, ACA)由Marco Dorigo于1992年在他的博士论文中首次提出。是一种用来寻找优化路径的概率型算法，其灵感来源于蚂蚁在寻找食物过程中发现路径的行为。这种算法具有分布计算、信息正反馈和启发式搜索的特征，本质上是进化算法中的一种启发式全局优化算法。

基本思想：蚁群算法模拟了自然界中蚂蚁觅食的行为。蚂蚁在运动过程中，能够在它所经过的路径上留下一种称为信息素（pheromone）的物质进行信息传递。蚂蚁在运动过程中能够感知这种物质，并依此指导自己的运动方向。由大量蚂蚁组成的蚁群集体行为便表现出一种信息正反馈现象：某一路径上走过的蚂蚁越多，则后来者选择该路径的概率就越大。这种机制使得蚁群能够逐渐找到从巢穴到食物源的最短路径。

算法步骤：

1.初始化：在开始算法之前，需要对相关参数进行初始化，如蚂蚁群的大小、信息素参数等。同时，需要定义问题空间中每个解的初始状态，以及预设的目标函数。

2.蚁群搜索：在搜索阶段，每只蚂蚁从初始位置出发，基于启发式信息（包括距离信息和信息素信息）进行路径选择。每只蚂蚁会经过一系列的决策，最终到达目标位置，并在此过程中产生一条路径。

3.更新信息素：当所有的蚂蚁完成搜索后，根据每只蚂蚁的路径，更新信息素表。信息素的浓度会根据蚂蚁的贡献而变化，以反映出对当前问题的经验。信息素浓度越高的路径，后续蚂蚁选择的可能性就越大。

4.重复搜索与更新：重复执行搜索和信息素更新的步骤，直到满足预设的停止条件，如达到最大迭代次数或找到满足要求的最优解。

5.解码和输出：最后，通过对最优路径进行解码，获得最佳解，并将其输出到相应的应用中。

应用场景：

1.旅行商问题（TSP）：蚁群算法在解决旅行商问题中表现出色，即寻找从原点出发，经过若干给定需求点，并最终返回原点的最短路径。通过模拟蚂蚁寻找食物过程中的信息素释放和跟随行为，蚁群算法能够逐步逼近最优解。

2.车辆路径问题（VRP）：在物流、运输等领域，车辆路径问题是一个关键优化问题。蚁群算法通过模拟蚂蚁的信息素传递机制，可以高效地规划车辆的行驶路径，以最小化运输成本或时间。

3.网络路由问题：在网络通信中，路由选择是一个核心问题。蚁群算法在网络路由中的应用受到越来越多的关注，其分布式、动态性、随机性和异步性等特点正好满足网络路由的需要。与传统的路由算法相比，蚁群算法能够更有效地找到网络中的最优路径。

4.图着色问题：在图论中，图着色问题是一个经典的组合优化问题。蚁群算法可以通过模拟蚂蚁的觅食行为，在图着色问题中找到满足条件的颜色分配方案，使得相邻的顶点具有不同的颜色。

5.作业调度问题：在生产制造、任务分配等领域，作业调度是一个重要的优化问题。蚁群算法可以应用于这类问题，通过模拟蚂蚁的信息素传递和路径选择机制，找到最优的作业调度方案，以提高生产效率或降低成本。

应用实例：

假设有一个旅行商人要拜访全国31个省会城市，他需要选择所要走的路径，路径的限制是每个城市只能拜访一次，而且最后要回到原来出发的城市。对路径选择的要求是：所选路径的路程为所有路径之中的最小值。全国31个省会城市的坐标为

解：仿真过程如下：

（1）初始化蚂蚁个数m=50，信息素重要程度参数Alpha=1，启发式因子重要程度参数Beta=5，信息素蒸发系数R h o R_{ho}Rho=0.1，最大迭代次数G=200，信息素增加强度系数Q=100。

（2）将m个蚂蚁置于n个城市上，计算待选城市的概率分布，m只蚂蚁按概率函数选择下一座城市，完成各自的周游。

（3）记录本次迭代最佳路线，更新信息素，禁忌表清零。

（4）判断是否满足终止条件：若满足，则结束搜索过程，输出优化值；若不满足，则继续进行迭代优化。

优化后的路径如图所示：

遗传算法

算法介绍：遗传算法（Genetic Algorithm，GA）最早由美国的John Holland于20世纪70年代提出，它是根据大自然中生物体进化规律设计出的计算模型。这种算法模拟了达尔文生物进化论的自然选择和遗传学机理的生物进化过程，通过模拟自然进化过程来搜索最优解。

基本思想：遗传算法是一种优化算法，其基本原理主要源于对自然界生物进化机制的模拟。这种算法通过遗传和进化的操作，在问题的解空间中搜索最优解或近似最优解。其基本原理包括个体表示、适应度函数、选择、交叉、变异和种群进化等要素。个体表示：将问题的解表示为遗传算法中的个体，这通常通过编码实现，如二进制编码、实数编码和排列编码等。适应度函数：用于衡量个体在解决问题中的优劣程度，即适应度。这是选择操作中判断个体优劣的依据。

算法步骤：

1.初始化：设置进化代数计数器t=0，设置最大进化代数T，并随机生成M个个体作为初始群体P(0)。

2.个体评价：计算群体P(t)中各个个体的适应度。这通常通过之前定义的适应度函数来实现。

3.选择运算：基于个体的适应度，进行选择运算。选择的目的是将优秀的个体直接遗传到下一代，或者通过配对交叉产生新的个体再遗传到下一代。选择操作是遗传算法中非常重要的环节，它确保了优秀基因的传递。

4.交叉运算：在选出的个体中，进行交叉运算。交叉运算模拟了生物进化中的基因重组过程，是遗传算法中产生新个体的主要方式。

5.变异运算：对群体中的个体进行变异运算。变异运算模拟了生物进化中的基因突变过程，它增加了种群的多样性，有助于避免算法过早收敛。

6.终止条件判断：当进化代数达到预设的最大进化代数T时，终止算法。此时，进化过程中所得到的具有最大适应度的个体即为所求的最优解。

应用场景：

1.旅行商问题：TSP是最基本的路线问题，该问题是在寻求单一旅行者由起点出发，通过所有给定的需求点之后，最后再回到原点的最小路径成本。

2.指派问题：在满足特定指派要求条件下，使指派方案总体效果最佳。如：有若干项工作需要分配给若干人（或部门）来完成。

3.单车间调度问题：是最基本最著名的调度问题，也是NP难问题，无最优解精确算法。一般类型的JSP问题可表达为：n个工件在m台机器上加工，每个工件有特定的加工工艺，每个工件加工的顺序及每道工序所花时间给定，安排工件在每台机器上工件的加工顺序，使得某种指标最优。

4.运输问题：为了把某种产品从若干个产地调运到若干个销地，已知每个产地的供应量和每个销地的需求量，如何在许多可行的调运方案中，确定一个总运输费或总运输量最少的方案。

5.背包问题：给定一组物品，每种物品都有自己的重量和价格，在限定的总重量内，我们如何选择，才能使得物品的总价格最高。

6.设施选址问题：指在给定的若干位置中选择一些来建立设施使得所有顾客的需求得到满足，且总体费用最小。

7.图划分问题：将图中的节点划分为数量大致相等的若干个分区，使得两个顶点分别在不同分区的边的数量最小化。

8.图着色问题：对于n个顶点的无环图G，要求对其各个顶点进行着色，使得任意相邻的顶点都有不同的颜色，且所用颜色种类最少。

应用实例：

假设有一个旅行商人要拜访全国31个省会城市，他需要选择所要走的路径，路径的限制是每个城市只能拜访一次，而且最后要回到原来出发的城市。对路径选择的要求是：所选路径的路程为所有路径之中的最小值。全国31个省会城市的坐标为

解：仿真过程如下：

（1）初始化种群数目为Np=200，染色体基因维数为N=31，最大进化代数为G=1000。

（2）产生初始种群，计算个体适应度值，即路径长度；采用基于概率的方式选择进行操作的个体；对选中的成对个体，随机交叉所选中的成对城市坐标，以确保交叉后路径每个城市只到访一次；对选中的单个个体，随机交换其一对城市坐标作为变异操作，产生新的种群，进行下一次遗传操作。

（3）判断是否满足终止条件：若满足，则结束搜索过程，输出优化值；若不满足，则继续进行迭代优化。

优化后的路径如图所示

聚类算法

算法介绍：K-means算法的基本思想是将数据集中的n个对象划分为K个聚类，使得每个对象到其所属聚类的中心（质心）的距离之和最小。这里的距离通常采用欧氏距离来衡量。算法通过迭代的方式，不断优化聚类结果，直至满足预设的终止条件。

基本思想：K-means算法的目标是最小化数据点与其所属簇中心之间的平方距离之和，也就是最小化簇内的方差。通过迭代更新聚类中心，K-means算法能够找到合适的聚类结果。

算法步骤：

1.随机选择K个点作为初始的聚类中心。

2.将每个数据点分配到距离其最近的聚类中心所在的簇。

3.根据当前的簇分配情况，更新每个簇的聚类中心为该簇内所有数据点的平均值。

4.重复步骤2和步骤3，直到簇分配不再改变或达到预定的迭代次数。

应用场景：

1.图像分割：K-means算法可以用于图像分割，将图像中的像素点划分到不同的簇中，从而实现图像的分割和提取。

2.文本聚类：K-means算法可以用于文本聚类，将文本数据划分为不同的簇，

应用实例：

2019数维杯大学生数学建模竞赛论文

参考资料：

• https://blog.csdn.net/weixin_55323831/article/details/120275125

• https://www.nmmcm.org.cn/uploads/20210223/1571040930246869.pdf

• https://zhuanlan.zhihu.com/p/397847870

• https://blog.csdn.net/weixin_55323831/article/details/120274899

知识无界，学习无止境。让我们携手共进，一同在知识的世界里探索、发现、成长。期待明天再次与您相遇，共享知识的盛宴！

以赛辅练，更进一步提升专业能力，这个竞赛千万别错过！

浙江省数学会主办、浙江大学及中国计量大学承办的第四届长三角高校数学建模竞赛正在报名中！

党的十九届五中全会提出：“发展数字经济，推进数字产业化和产业数字化，推动数字经济和实体经济深度融合，打造具有国际竞争力的数字产业集群。”为了响应发改委“数字中国助推高质量发展”的号召， 贯彻落实“长三角一体化”的国家发展战略，激励学生学习数学建模的积极性，培养学生的创新意识及运用数学方法和计算机技术解决实际问题的能力，在历届长三角高校数学建模竞赛成功举办的基础上，浙江省数学会决定主办第四届长三角高校数学建模竞赛，欢迎各高等院校按照竞赛章程及有关规定组织同学报名参赛，共同探索数学建模在各领域的创新实践，推动产学研用协同发展。

竞赛官网

https://www.saikr.com/vse/YRDMCM/2024?ces=sm

时间安排

【报名时间】

即日起至2024年5月16日早8：00

【赛题公布时间】

2024年5月16日8:00

【竞赛时间】

2024年5月16日8:00至5月20日8:00

【作品提交截止时间】

2024年5月20日10:00

【竞赛结果公布时间】

2024年6月中下旬

组织机构

主办单位：浙江省数学会

承办单位：浙江大学、中国计量大学

参赛对象

大赛主要面向中国及境外在校本科生，在读研究生和专科生也可报名参加，具体要求如下：

（1）可以自由组队参赛，每个参赛队伍人数可为1–3人，参赛队员允许跨校、跨年级、跨专业组队。

（2）参赛组别以参赛队员中在读学历最高者为准。

（3）每支队伍允许最多有一名指导教师，指导教师须为在职高校教师。

竞赛规则

竞赛题目：竞赛统一命题，共有A,B,C三题，本科生、研究生可选择A、B题中任意一题作答；专科生选择C题，也可以选择A,B题作答。

竞赛组别：竞赛评阅分为三个赛道，分别为本科生组，研究生组和专科生组，参赛组别以参赛队员中在读学历最高者为准。

证书样图

奖项设置

【学生奖项】

竞赛分组别分赛题进行评奖

一等奖（5%）

二等奖（15%）

三等奖（30%）

其余成功提交作品的队伍获成功参赛奖

● 获奖者均将获颁盖有“浙江省数学会”印章的“长三角高校数学建模竞赛”获奖证书（注：提供电子证书，如有需要，也可申请纸质证书），并在一等奖参赛队中择优评选特等提名奖和特等奖若干名，颁发特等提名奖和特等奖证书及奖金。

【优秀指导教师、优秀组织单位】

根据学校参赛队伍得奖情况和组织参赛队伍数量综合评定。

联系方式

负责人微信：13752476974（苏老师）

竞赛交流群：654010139

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