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材料科学研究中的数学模型)

材料科学研究中的数学模型 现代科学技术发展的一个重要特征是各门科学技术与数学的结合越来越紧密。数学的应用使科学技术日益精确化、定量化,科学的数学化已成为当代科学发展的一个重要趋势。数学模型是数学科学连接其他非数学学科的中介和桥梁,它从定量的角度对实际问题进行数学描述,是对实际问题进行理论分析和科学研究的有力工具。数学建模是一种具有创新性的科学方法,它将现实问题简化,抽象为一个数学问题或数学模型,然后采用适当的数学方法求解,进而对现实问题进行定量分析和研究,最终达到解决实际问题的目的。计算机技术的发展为数学模型的建立和求解提供了新的舞台,极大地推动了数学向其他技术科学的渗透。 材料科学作为21世纪的重要基础科学之一,同样离不开数学。通过建立适当的数学模型对实际问题进行研究,已成为材料科学研究和应用的重要手段之一。从材料的合成、加工、性能表征到材料的应用都可以建立相应的数学模型。有关材料科学的许多研究论文都涉及到了数学模型的建立和求解,甚至产生了一门新的边缘学科——计算材料学(Computational Materials Science)Trial or Error)研究,真正成为一门科学。 本章将介绍数学模型的基本概念,建立数学模型的基本步骤、原则和方法,同时给出一些与材料科学有关的具体建模实例。 §3.1 数学模型及建模基础 3.1.1 基本概念 科学研究及其发展离不开数学,数学的表现又以数学表达式、曲线、图形及数字的形式展现的,其中,数学表达式(或模型)在其中又起着非常重要的作用。无论是自然科学还是社会科学的研究都离不开数学模型。 对于大多数专业人员来说,以前虽然没有将如何建立数学模型作为一门课程学习过,但实际上,在学习过的其他课程中已经多次接触到了数学模型的建立。在物理学中,最典型的莫过于力学中的牛顿三定律、物理化学中的热力学定律、电子学中反映电路理论基本规律的基尔霍夫定律,这些基本定律的数学表达式都是最精美的数学模型。此外,在社会科学领域也存在着大量的数学模型,如马尔萨斯的人口模型、马克思的描述再生产基本规律的数学模型。这些反应某一类现象客观规律的数学表达式,就是这些现象的数学模型。 那么,怎样给数学模型下一个定义呢? 简单地说:数学模型就是对实际问题的一种数学表述。具体一点说:数学模型就是关于以部分现实世界为某种目的的一个抽象的简化的表征。更确切地说:数学模型就是对于一个特定的对象为了一个特定目标,根据特有的内在规律,经过逻辑推理,做出一些必要的简化假设,运用适当的数学工具,得到的一个数学表征。这种数学表征可以是数学公式、算法、表格、图示等。一个数学建模就是某事物规律的一种表现,建立数学模型的过程就是数学建模的过程,应用数学模型就是对某事物的一个数学模拟过程。数学建模是一种数学的思考方法,是运用数学的语言和方法,通过抽象、简化建立能近似刻划(刻画)并解决实际问题的一种强有力的数学手段。 在科学研究中,通常把客观存在的事物及其运动形态统称为实体,而所建立的数学模型则是对所研究的实体的特征及其变化规律的一种表示或抽象。不过,这个数学模型就是利用数学语言对某种事物系统的特征和数量关系进行了表达。 数学模型有广义理解和狭义理解。按广义理解:凡是以相应的客观原型(即实体)作为背景加以一级抽象或多级抽象的数学概念、数学式子、数学理论等都叫做数学模型。按狭义理解:那些反映特定问题或特定事物系统的数学符号系统就叫做数学模型。在应用数学中所指的数学模型,通常是按狭义理解的,而且构造数学模型的目的仅在于解决具体的实际问题。 数学模型是为一定的目的对客观实际所作的一种抽象模拟,它用数学公式、数学符号、程序、图表等刻画客观事物的本质属性与内在联系,是对现实世界的抽象、简化而又本质的描述。它源于实践,却不是原型的简单复制,而是一种更高层次的抽象。它能够解释特定事物的各种显示形态,或者预测它将来的形态,或者能为控制某一事物的发展提供最优化策略,它的最终目标是解决实际问题。 3.1.2 数学模型的分类 数学模型的表现形式视对实体的描述而不同,因此,它的类型也较多。一般来说其分类方法有: 1)按照人们对实体的认识过程来分,数学模型可以分为描述性数学模型和解释性数学模型。 描述性模型是从特殊到一般,从分析具体客观规律及其状态开始,最终得到一个数学模型。客观事物之间量的关系通过数学模型被概括在一个具体的抽象的数学结构之中。 解释性模型是由一般到特殊,从一般的公理系统出发,借助于数学壳体,对公理系统给出正确解释。 2)按照建立模型的数学方法分,可以分为初等模型、图论模型、规划论模型、微分方程模型、最优控制模型、随机模型、模拟模型等。 初等模型指采用简单而且初等的方法建立问题的数学模型,该模型容易被更多的人理解接受和采用。该模型包括代数法建模、

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