第四章 环境规划和管理的.ppt

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第四章 环境规划和管理的

第四章 环境规划与管理的 数学基础 第一节 环境数据处理方法 第二节 最优化分析方法 第三节 常用决策分析方法 第四节 环境数学模型 第一节 环境数据处理方法 一、数据的表示方法 列表法 将数据列成表格,将各变量的数值 依照一定的形式和顺序一一对应起来,它通常是整理数据的第一步,能为标绘曲线图或 整理成数学公式打下基础。 图示法 将数据用图形表示出来,它能用 更加直观和形象的形式将复杂的数据表现出来, 可以直观地看出数据变化的特征和规律, 为后一步数学模型的建立提供依据。 插值法计算数值 1、列表法 例:研究电阻的阻值与温度的关系时,测试结果如下: 2、图示法 图示法的第一步就是按列表法的要求列出因变量y与自变量x相对应的yi与xi数据表格。 作曲线图时必须依据一定的法则,只有遵守这些法则,才能得到与实验点位置偏差最小而光滑的曲线图形。 坐标纸的选择--常用的坐标系为直角坐标系,包括笛卡尔坐标系(又称普通直角坐标系)、半对数坐标系和对数坐标系。 2、图示法 半对数坐标系 一个轴是分度均匀的普通坐标轴,另一个轴是分度不均匀的对数坐标轴。 右图中的横坐标轴(x轴)是对数坐标。在此轴上,某点与原点的实际距离为该点对应数的对数值,但是在该点标出的值是真数。为了说明作图的原理,作一条平行于横坐标轴的对数数值线。 半对数坐标的标度法 对数坐标系 两个轴(x和y)都是对数标度的坐标轴,即每个轴的标度都是按上面所述的原则作成的 1. 位置特征数 (5)中位数 环境数据有时显得比较分散,甚至个别的数据离群偏远,难以判断去留,这时往往用到中位数。 样本数据依次排列(从大到小或者从小到大)居中间位置的数即为中位数,若数据个数为偶数,则中位数为正中两个数的平均值。 只有当数据的分布呈正态分布时,中位数才代表这组数据的中心趋向,近似于真值。 3、概率统计法 根据变量之间函数形式的不同,回归分析分为线形回归和非线性回归;根据自变量个数的多少,可分为一元回归和多元回归。 根据数据处理方法的不同,时间序列预测方法主要分为移动平均法、加权滑动平均法和指数平均法。 三、模型参数的估值方法 由于环境系统中的模型基本上都是灰箱模型,其中至少存在着一个待定参数,因此参数的估计是建立环境数学模型非常重要的一项工作。下面介绍几种主要的估值方法。 (一)图解法 凡是给定的公式或数据可以直接描述成一条直线,或经过一定处理后可以转化为直线时,常常采用图解法估计参数。作图时,将自变量x和因变量y标注在直角坐标系中,确定每一个数据点位,把所有的点位连接起来,形成一条直线,其数学表达式为: Y=b + ax (4-21) 式中:a是直线的斜率,b是直线在y轴上的截距。 (二)经验公式法 根据长时期的实际经验,人们提出了许多经验公式来估计数学模型中的相关参数。应注意的是,使用经验公式要求该系统条件与建立经验公式的条件一致或相近,否则就会出现很大偏差。 (三)线性回归法 此法适用于自变量xi(i=1,2,…n)与因变量y呈一次线性关系的情况。线性回归分析有两个基本假设:一是所有的自变量的值xij(j=1,2,…m)均不存在误差,因变量的值含有测量误差;二是与各测量值拟合得最好的线性方程:y=a1x1+a2x2+…+aixi+…+…anxn+b 是能使各点到直线的竖向偏差的平方和 最小的直线。根据极值存在的条件,分别对Z做ai、b的一阶偏导,使: 由此可以求得偏差平方和Z最小时的参数值ai(i=1,2,…n)、b。 四、模型的检验 数学模型只能近似地反映实际问题中的关系和规律,到底反映得好不好,还需要接受检验,如果数学模型建立得不好,没有正确地描述所给的实际问题,数学解答再正确也是没有用的。因此,在得出数学解答之后还要让所得的结论接受实际的检验,检验其是否合理和是否可行等。 (三)误差分析 误差可能是由于随机误差或系统误差单独造成的,还可能是两者的叠加。误差分析中,常采用精密度、正确度和准确度来表示误差的性质。 精密度反映了随机误差大小的程度,是指在相同条件下,对被测对象进行多次反复测量,测量值之间的一致(符合)程度。 正确度指测量值与其“真值”的接近程度。 对于一组数据来说,精密度高并不意味着正确度也高;反之,精密度不好,但当测量次数相当多时,有时也会得到好的正确度。 准确度指被测对象测量值之间的一致程度以及与其“真值”的接近程度。 准确度、正确度和精密度的关系 四、数据的标准化处理 在大批的环境统计数据中,当数据的物理量不同、单位或量值差别较大时

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