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1、2014河南大學(xué)第一屆大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽承 諾 書(shū)我們仔細(xì)閱讀了全國(guó)大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽章程和全國(guó)大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽參賽規(guī)則(以下簡(jiǎn)稱為“競(jìng)賽章程和參賽規(guī)則”,可從全國(guó)大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽網(wǎng)站下載)。我們完全明白,在競(jìng)賽開(kāi)始后參賽隊(duì)員不能以任何方式(包括電話、電子郵件、網(wǎng)上咨詢等)與隊(duì)外的任何人(包括指導(dǎo)教師)研究、討論與賽題有關(guān)的問(wèn)題。我們知道,抄襲別人的成果是違反競(jìng)賽章程和參賽規(guī)則的,如果引用別人的成果或其他公開(kāi)的資料(包括網(wǎng)上查到的資料),必須按照規(guī)定的參考文獻(xiàn)的表述方式在正文引用處和參考文獻(xiàn)中明確列出。我們鄭重承諾,嚴(yán)格遵守競(jìng)賽章程和參賽規(guī)則,以保證競(jìng)賽的公正、公平性。如有違反競(jìng)賽章程和參

2、賽規(guī)則的行為,我們將受到嚴(yán)肅處理。我們授權(quán)全國(guó)大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽組委會(huì),可將我們的論文以任何形式進(jìn)行公開(kāi)展示(包括進(jìn)行網(wǎng)上公示,在書(shū)籍、期刊和其他媒體進(jìn)行正式或非正式發(fā)表等)。我們參賽選擇的題號(hào)是(從A/B/C/D中選擇一項(xiàng)填寫(xiě)): A 我們的參賽報(bào)名號(hào)為(如果賽區(qū)設(shè)置報(bào)名號(hào)的話) AS0209 所屬學(xué)校(請(qǐng)?zhí)顚?xiě)完整的全名): 河南大學(xué) 參賽隊(duì)員 (打印并簽名) :1. 楊亞丹 2. 石玉龍 3. 張?jiān)鲻?指導(dǎo)教師或指導(dǎo)教師組負(fù)責(zé)人 (打印并簽名): (論文紙質(zhì)版與電子版中的以上信息必須一致,只是電子版中無(wú)需簽名。以上內(nèi)容請(qǐng)仔細(xì)核對(duì),提交后將不再允許做任何修改。如填寫(xiě)錯(cuò)誤,論文可能被取消評(píng)獎(jiǎng)資

3、格。) 日期: 2014 年 6 月 2 日賽區(qū)評(píng)閱編號(hào)(由賽區(qū)組委會(huì)評(píng)閱前進(jìn)行編號(hào)):2014河南大學(xué)第一屆大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽編 號(hào) 專 用 頁(yè)賽區(qū)評(píng)閱編號(hào)(由賽區(qū)組委會(huì)評(píng)閱前進(jìn)行編號(hào)):賽區(qū)評(píng)閱記錄(可供賽區(qū)評(píng)閱時(shí)使用):評(píng)閱人評(píng)分備注全國(guó)統(tǒng)一編號(hào)(由賽區(qū)組委會(huì)送交全國(guó)前編號(hào)):全國(guó)評(píng)閱編號(hào)(由全國(guó)組委會(huì)評(píng)閱前進(jìn)行編號(hào)):偏原子電荷的快速預(yù)測(cè)摘要本文講述的就是尋找了一種方法,根據(jù)原子的拓?fù)渲笖?shù)使得能在最短的時(shí)間內(nèi)較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)該原子的偏原子電荷的值。其中的創(chuàng)新點(diǎn)就是類(lèi)比了模糊聚類(lèi)分析里面定義相關(guān)系數(shù)的方法處理了如何從多個(gè)拓?fù)渲笖?shù)里面找到與單個(gè)拓?fù)渲笖?shù)最相似的那個(gè)。問(wèn)題一,將用訓(xùn)練集中所給的

4、數(shù)據(jù)進(jìn)行分組,然后根據(jù)每組數(shù)據(jù)建立一個(gè)函數(shù)模型,其次用平均數(shù)的方法求出能夠代表本組拓?fù)渲笖?shù)的一個(gè)特征拓?fù)渲笖?shù),最后用歐式距離法找到與待預(yù)測(cè)原子的拓?fù)渲笖?shù)最相似的那個(gè)特征拓?fù)渲笖?shù),并找出該特征拓?fù)渲笖?shù)所對(duì)應(yīng)的函數(shù)模型,將待預(yù)測(cè)的拓?fù)渲笖?shù)帶入其中便得到它的偏原子電荷的值。問(wèn)題二,將第一問(wèn)中得出的偏原子電荷,與實(shí)際的偏原子電荷進(jìn)行比對(duì),利用定義的夾角余弦法計(jì)算出兩者之間的相似度,發(fā)現(xiàn)該模型對(duì)于訓(xùn)練集中的數(shù)據(jù)誤差大于測(cè)試集中的數(shù)據(jù)的誤差。對(duì)此我們也做了兩幅圖直觀將結(jié)果展示出來(lái)。問(wèn)題三,計(jì)算預(yù)測(cè)速度,預(yù)測(cè)速度也是一個(gè)模型的的重要衡量標(biāo)尺,由此計(jì)算建立出來(lái)的模型在處理一組數(shù)據(jù)時(shí)需要3秒左右,具有很快的計(jì)算

5、速度。關(guān)鍵詞:拓?fù)渲笖?shù)、函數(shù)模型、特征拓?fù)渲笖?shù)、模糊聚類(lèi)分析、歐式距離、夾角余弦、評(píng)價(jià)、快速一、問(wèn)題重述偏原子電荷與原子的很多性質(zhì)密切相關(guān),例如化學(xué)位移,因而是科學(xué)研究中一個(gè)很重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。該數(shù)值不能夠直接由實(shí)驗(yàn)測(cè)定,而是由量化方法計(jì)算,其中一種重要的方法是NBO(Natural Bond Orbital)。但是,量化計(jì)算方法耗時(shí)太長(zhǎng),不能作為化學(xué)信息學(xué)軟件(例如chemoffice)的插件,難以為廣大用戶使用?;诖?,生成一個(gè)有商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的插件是十分必要的,建立數(shù)學(xué)模型是其中重要的一步。請(qǐng)完成下面三個(gè)問(wèn)題:(1)根據(jù)訓(xùn)練集中的數(shù)據(jù),建立偏原子電荷的數(shù)學(xué)模型,以此預(yù)測(cè)未知原子的偏原子電荷;(

6、2)建立的模型需要采用訓(xùn)練集和測(cè)試集的數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià),給出具體的評(píng)價(jià)方法(例如:相關(guān)系數(shù)(R2)、均方根差(RMSE)與結(jié)果;(3)預(yù)測(cè)速度也是評(píng)價(jià)模型的重要標(biāo)準(zhǔn)。因而請(qǐng)給出:用所建立的模型預(yù)測(cè)測(cè)試集中全部原子的偏原子電荷所需的時(shí)間。提供的數(shù)據(jù)(H.rar文件):train.txt是訓(xùn)練數(shù)據(jù)集,test.txt是測(cè)試數(shù)據(jù)集。每行代表一個(gè)原子的拓?fù)渲笖?shù)(第1136列元素)和該原子的偏原子電荷(第137列)。二、問(wèn)題分析該問(wèn)題的核心就是基于原有的數(shù)據(jù),如何用數(shù)學(xué)模型建立起偏原電子與該原子的拓?fù)渲笖?shù)的關(guān)系,并且能達(dá)到任給一組拓?fù)渲笖?shù),用所建的模型快速預(yù)測(cè)出其偏原子電荷的效果。對(duì)此分了幾個(gè)步驟做。(1)

7、首先,對(duì)全部數(shù)據(jù)按照偏原電子數(shù)進(jìn)行從大到小的排列,并根據(jù)偏原電子數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)膭澐?,共分?2組,每組數(shù)據(jù)建立一個(gè)線性方程組,解得解后用每組解建立一個(gè)函數(shù)共得到52個(gè)函數(shù)。(2)然后,再建立一個(gè)簡(jiǎn)單模型整合出每組中所有拓?fù)渲笖?shù)的一個(gè)代表(就是能夠代表這組拓?fù)渲笖?shù)的特征數(shù),在這里我們稱它為特征拓?fù)渲笖?shù))。(3)求出所要預(yù)測(cè)的原子的拓?fù)渲笖?shù)與每組特征拓?fù)渲笖?shù)的相似度(這里我們?nèi)藶槎x了一個(gè)近似度的計(jì)算方法),求出最大相似度所對(duì)應(yīng)的那個(gè)特征拓?fù)渲笖?shù)。(4)最后將所要預(yù)測(cè)的原子的拓?fù)渲笖?shù)帶入那個(gè)特征拓?fù)渲笖?shù)所對(duì)應(yīng)的方程中,即得到預(yù)測(cè)的偏原子電荷數(shù)。這就是所建的模型。(5)第二問(wèn)中要求給出具體評(píng)價(jià)方法即是

8、在第一問(wèn)第三步驟中所定義的近似度的方法,因?yàn)樗鉀Q的就是兩個(gè)向量之間的相似度問(wèn)題,而且我們也將這兩組數(shù)據(jù)畫(huà)出圖形,這樣就可以從直觀上和數(shù)值上全面地評(píng)價(jià)這個(gè)模型。對(duì)于第三個(gè)問(wèn)題,會(huì)運(yùn)用matlab計(jì)算出該模型的預(yù)測(cè)速度。三、問(wèn)題假設(shè)(1)假設(shè)train.txt訓(xùn)練數(shù)據(jù)集和test.txt測(cè)試數(shù)據(jù)集中所給的數(shù)據(jù)都是相對(duì)準(zhǔn)確的。(2)假設(shè)原子的拓?fù)渲笖?shù)與偏原子電荷之間有一定的線性關(guān)系。四、符號(hào)說(shuō)明,兩個(gè)向量中的元素 ,向量中元素的平均值兩向量之間的夾角兩向量的相關(guān)系數(shù)兩向量之間的距離五、模型建立與求解1分組將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到excel里面,根據(jù)偏原子電荷數(shù)從大到小排列,并將排列好的偏原子數(shù)列用matlab

9、畫(huà)出圖像。Y=訓(xùn)練集中的偏原子電荷;X=1:1:3036;Plot(x,y,*)由圖像特殊的點(diǎn)人為的大致劃分三個(gè)部分如圖所示,B點(diǎn)以前共分了8組數(shù)據(jù)(每組數(shù)據(jù)不一定相等),B點(diǎn)以后,為了計(jì)算方便,平均每60個(gè)數(shù)據(jù)分為一組,得到44組數(shù)據(jù),其中最后一個(gè)組有26個(gè)數(shù)據(jù)。這樣根據(jù)每組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的拓?fù)渲笖?shù)及假設(shè)(2)可以構(gòu)建一個(gè)線性方程組CX=D(其中C表示每組數(shù)據(jù)的拓?fù)渲笖?shù)所構(gòu)成的矩陣,D表示與每行拓?fù)渲笖?shù)所對(duì)應(yīng)的偏原子電荷),進(jìn)而求出X=CD(X即拓?fù)渲笖?shù)的系數(shù)行向量),最終會(huì)得到52組X。在這里定義一個(gè)函數(shù),形如Y=XA,其中Y是因變量是一個(gè)數(shù)表示偏原子電荷數(shù),X是拓?fù)渲笖?shù)的系數(shù)行向量,A是自變量

10、,也是一個(gè)行向量表示一個(gè)原子的拓?fù)渲笖?shù)。這樣就得到了52個(gè)函數(shù)。(matlab編程見(jiàn)附錄)。2求特征拓?fù)渲笖?shù)每組數(shù)據(jù)的拓?fù)渲笖?shù)可以看出成一個(gè)矩陣(列數(shù)大于行數(shù)),將矩陣的每一列的值相加求平均,得到一行平均數(shù),這一行平均數(shù)我們定義它為就是該組數(shù)據(jù)的特征拓?fù)渲笖?shù)。視為它代表了這一組的特征,原因?yàn)檫@組數(shù)據(jù)有相接近的偏原子電荷數(shù)。這樣,就得到了52組特征拓?fù)渲笖?shù),而且它與52個(gè)函數(shù)一一對(duì)應(yīng)。3定義相似度由于定義的這個(gè)相似度是找到最佳的拓?fù)渲笖?shù)的關(guān)鍵,尤為重要。所以類(lèi)比模糊數(shù)學(xué)里面的相似系數(shù)的定義方法我們定義了三種方法,然后再測(cè)試尋找最優(yōu)方法。(1)夾角余弦法(2)相關(guān)系數(shù)法(3)歐式距離法把每組特征拓

11、撲指數(shù)和待預(yù)測(cè)的拓?fù)渲笖?shù)都看成1行136列的矩陣,每種方法解決的都是待測(cè)拓?fù)渲笖?shù)與特征拓?fù)渲笖?shù)的相似度,方法(1)的cos值的范圍是01且值越接近1說(shuō)明夾角越小說(shuō)明兩個(gè)向量越相似。同樣方法(2)的r值的范圍也是01,值越靠近1說(shuō)明越相似。方法(3)的d的值的范圍是0+,d的值越接近0說(shuō)明兩個(gè)向量越接近。經(jīng)多個(gè)隨機(jī)數(shù)據(jù)(test.txt測(cè)試數(shù)據(jù)集里面的數(shù)據(jù))的測(cè)試,發(fā)現(xiàn)三種方法做出的結(jié)果都一樣,但是由于方法(3)形式簡(jiǎn)單用時(shí)最少,所以最終決定用方法(3)即歐氏距離法。4預(yù)測(cè)找到最佳相似度所對(duì)應(yīng)的那組特征拓?fù)渲笖?shù)后也就確定了用哪個(gè)方程預(yù)測(cè),接下來(lái)只需將待預(yù)測(cè)的這組拓?fù)渲笖?shù)帶入對(duì)應(yīng)方程,即得到了它的

12、偏原子電荷數(shù)。(matlab編程見(jiàn)附錄)六、模型評(píng)價(jià)與結(jié)論1模型評(píng)價(jià)總體來(lái)說(shuō),此模型運(yùn)用了分組歸類(lèi)法、線性方程組的數(shù)值解法、統(tǒng)計(jì)學(xué)、模糊數(shù)學(xué)等方法,運(yùn)用的數(shù)學(xué)軟件工具有matlab、MathType編輯器,還有excel作為輔助工具。最終得出一套完整的預(yù)測(cè)方案。該方案最大的優(yōu)點(diǎn)就是快速便捷,我們把所有的的編程匯總到一塊,實(shí)現(xiàn)了任意輸入一個(gè)拓?fù)渲笖?shù),在不到4秒的時(shí)間就出現(xiàn)了結(jié)果。這樣就解決了第一問(wèn),用夾角余弦法計(jì)算出train.txt訓(xùn)練數(shù)據(jù)集中真實(shí)偏原子電荷數(shù)與預(yù)測(cè)的偏原子電荷數(shù)的cos值為0.8081,test.txt測(cè)試數(shù)據(jù)集中真實(shí)偏原子電荷數(shù)與預(yù)測(cè)的偏原子電荷數(shù)的cos值為0.8136。

13、夾角余弦的程序:function =yuxian(M,N)m=length(M);s=0;l=0;k=0;a=abs(sum(M.*N);for i=1:ml=M(i)2+l;k=N(i)2+k;end=a/(sqrt(l*k);如下是誤差圖訓(xùn)練集中的數(shù)據(jù)誤差圖X=1:3036;Y1=訓(xùn)練集中的偏原子電荷;Y2=帶入模型后求得的偏原子電荷;Plot(x,y1,+,x,y2,*)測(cè)試集中的數(shù)據(jù)誤差圖X=1:1109;Y1=測(cè)試集中的給定的偏原子電荷;Y2=帶入模型后預(yù)測(cè)的偏原子電荷;Plot(x,y1,+,x,y2,*)第二問(wèn)根據(jù)第三問(wèn)需要,對(duì)程序稍作改動(dòng),計(jì)算出預(yù)測(cè)測(cè)試集中全部原子的偏原子電荷

14、所需的時(shí)間為299秒。(matlab編程見(jiàn)附錄)2模型改進(jìn)由于預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)與原數(shù)據(jù)有一定的偏差,說(shuō)明此模型有進(jìn)一步的改進(jìn)空間。由于定義的三種相似度的方法預(yù)測(cè)結(jié)果都一樣,所以可以改進(jìn)的地方不在這里,而第一步分組最可能出現(xiàn)問(wèn)題,如果能找出一種更為恰當(dāng)?shù)姆纸M方法,那么應(yīng)該會(huì)得到更好的結(jié)果。3模型求解將測(cè)試集中的數(shù)據(jù)輸入程序中根據(jù)模型的特征,從所有的模型中找到最相似的,從上面選取對(duì)這組數(shù)據(jù)求解時(shí)需要用的模型。確定模型之后,求出該模型的每個(gè)拓?fù)渲笖?shù)所對(duì)應(yīng)的x的值。將需要測(cè)試的數(shù)據(jù)B*x就可以得到我們所預(yù)測(cè)的偏原子電荷。模型推廣1 該模型可以用于預(yù)測(cè)氣溫,由于氣溫可能由多種因素決定,將這些因素對(duì)氣溫的影響考

15、慮進(jìn)去,再依據(jù)以往天氣的氣溫情況和影響當(dāng)天氣溫的因素,建立大型的數(shù)據(jù)庫(kù),用這些決定性的因素去擬合以往的氣溫情況,來(lái)預(yù)測(cè)和判斷未來(lái)一段時(shí)間的氣溫情況,具有較大的可信性和準(zhǔn)確性。2 該模型還可以運(yùn)用于警局篩選犯罪嫌疑人的信息,收集以往犯罪嫌疑人的信息和特征,由這些特征去建立龐大的身份信息庫(kù),在對(duì)未來(lái)抓捕可能重復(fù)作案的犯人時(shí),輸入犯人留下的特征就可以得到和這個(gè)犯人具有較大相似程度的犯人信息,警局在對(duì)這些信息進(jìn)行篩選,就會(huì)比較容易的確定犯罪重復(fù)犯案的嫌疑人。參考文獻(xiàn)1蕭鐵樹(shù) 數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)(第二版) 北京: 高等教育出版社 20062韓中庚 數(shù)學(xué)建模方法及其應(yīng)用 北京: 高等教育出版社 20053石生明 高

16、等代數(shù) 北京: 高等教育出版社 附錄:Text1 為測(cè)試集Train1 拓?fù)渲笖?shù)Train2 偏原子電荷程序一:ticO=load('text1.txt') ;for o=1:1109 B=O(o,:); wopashuiendtoc程序2A= load('train1.txt'); b= load('train2.txt') ;C1= 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.7083 0 0 0 0 0 0 0.2917 0 0 0 0 0 0 0 0 0.1250 0.0417 0.0417 0 0 0

17、.5000 0 0 0.1667 0 0 0.0833 0.0417 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.0833 0.1250 0.1667 0 0 0.2500 0.2917 0 0 0.0833 0 0.0833 0.2083 0.0833 0 0 0 0.2917 0.0417 0 0.0833 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.0417 0.1667 0.1667 0.0417 0 0.1250 0.5417 0.0417 0 0.2917 0.1250 0 0.2083 0.0833 0.0417 0 0 0.0

18、833 0.1667 0.0417 0.0417 0 0 0 0.1250 0 0 0 0 0 0 0 0 0;C2= 0.0488 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.9268 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.0244 0 0 0 0 0 0.0732 0.1220 0.0488 0 0 0.4390 0 0 0.1951 0 0 0 0.0244 0 0 0 0 0 0 0 0 0.0732 0 0 0 0 0.0244 0 0 0 0 0 0 0 0.1463 0.1951 0.0488 0 0.2683 0.3659 0 0 0.1707

19、 0.1220 0.0244 0.1220 0.0976 0 0 0 0.1220 0.0488 0.0244 0.2683 0 0 0 0 0.0244 0 0 0 0 0 0 0 0 0.1220 0.1951 0.1707 0 0 0.2683 0.6585 0 0 0.2439 0.1707 0.0244 0.2439 0.0488 0 0.0244 0 0.0732 0.1463 0.0732 0 0 0.0244 0 0.0488 0 0 0.0244 0 0 0.0244 0 0 0;C3= 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.9268

20、 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.0732 0.0976 0.0976 0 0 0.3171 0 0 0.0732 0 0.0488 0.1463 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.0488 0 0 0 0 0.0244 0 0 0 0 0 0 0.0488 0.1220 0.1707 0.0244 0 0.0976 0.3902 0 0 0.1463 0 0.0732 0.1951 0.1220 0 0 0 0.0488 0.0732 0.0488 0.2439 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.0976 0.2195 0.2195

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