如何使用python完成数学建模常见算法!
2022-07-28 12:56:09来源:未知作者: 飞飞阅读量:
你希望通过几种常见算法的实现,了解python在数学建模中的能力。
python除了丰富的原生数据结构外,拥有强大的第三方软件包支持,例如矩阵运算库Numpy,数据处理库Pandas、机器学习库Sklearn、深度学习库Tenserflow&Pytorch、科学计算库Scipy、图形绘制库matplotlib、网络算法库Networkx。此外几乎针对任何领域,都有第三方软件包的支持,这归功于python优秀的社区。使用者需要使用好pip这一软件包管理工具,发掘前人造好的轮子,尽量减少自己编程的难度。我们将在后面的问题讨论中介绍以下几种常用数学建模算法的python实现:
4.单源多宿最短路算法
我们的重点在于代码实现而非数学推导
1.数据拟合算法
我们这里介绍通过最小二乘法拟合线性函数
-
#我们使用最小二乘法拟合一个三次函数,选取了5个参数
-
import numpy as np
-
import matplotlib.pyplot as plt
-
SAMPLE_NUM = 100
-
M = 5
-
x = np.arange(0, SAMPLE_NUM).reshape(SAMPLE_NUM, 1) / (SAMPLE_NUM - 1) * 10
-
y = 2*x**3+3*x**2+x+1
-
plt.plot(x, y, 'bo')
-
X = x
-
for i in range(2, M + 1):
-
X = np.column_stack((X, pow(x, i)))
-
X = np.insert(X, 0, [1], 1)
-
W=np.linalg.inv((X.T.dot(X))).dot(X.T).dot(y)
-
y_estimate = X.dot(W)
-
plt.plot(x, y_estimate, 'r')
-
plt.show()
-
import numpy as np
-
from scipy import interpolate
-
import pylab as pl
-
x=np.linspace(0,10,11)
-
y=2*x**3+3*x**2+x+1
-
xInset=np.linspace(0,10,101)
-
pl.plot(x,y,"ro")
-
for kind in["nearest","zero","slinear","quadratic","cubic"]:
-
f=interpolate.interp1d(x,y,kind=kind)
-
y_estimate=f(xInset)
-
pl.plot(xInset,y_estimate,label=str(kind))
-
pl.legend(loc="lower right")
-
pl.show()
-
import numpy as np
-
from scipy.optimize import minimize
-
def func(x):
-
return(2*x[0]*x[1]+2*x[0]-x[0]**2+2*x[1]**2+np.sin(x[0]))
-
cons=({"type":"eq","fun":lambda x:np.array([x[0]**3-x[1]]),"jac":lambda x:np.array([3*(x[0]**2),-1.0])},{"type":"ineq","fun":lambda x:np.array([x[1]-1]),"jac":lambda x:np.array([0,1])})#定义函数的多个约束条件
-
res=minimize(func,[-1.0,1.0],constraints=cons,method="SLSQP",options={"disp":True})
-
print(res)
-
classDisNode:
-
def __init__(self,node,dis):
-
self.node=node
-
self.dis=dis
-
def __lt__(self, other):
-
return self.dis<other.dis
-
classDisPath:
-
def __init__(self,end):
-
self.end=end
-
self.path=[self.end]
-
self.dis=0
-
def __str__(self):
-
nodes=self.path.copy()
-
return"->".join(list(map(str,nodes)))+" "+str(self.dis)
-
classHeap:
-
def __init__(self):
-
self.size=0
-
self.maxsize=10000
-
self.elements=[0]*(self.maxsize+1)
-
def isEmpty(self):
-
return self.size==0
-
def insert(self,value):
-
if self.isEmpty():
-
self.elements[1]=value
-
else:
-
index=self.size+1
-
while(index!=1and value<self.elements[index//2]):
-
self.elements[index]=self.elements[index//2]
-
index=index//2
-
self.elements[index]=value
-
self.size+=1
-
def pop(self):
-
deleteElement=self.elements[1]
-
self.elements[1]=self.elements[self.size]
-
self.size-=1
-
temp=self.elements[1]
-
parent,child=1,2
-
while(child<=self.size):
-
if child<self.size and self.elements[child]>self.elements[child+1]:
-
child+=1
-
if temp<self.elements[child]:
-
break
-
else:
-
self.elements[parent]=self.elements[child]
-
parent=child
-
child*=2
-
self.elements[parent]=temp
-
return deleteElement
-
defDijkstraWithHeap(nodes,start,GetNeighbors):
-
dis=defaultdict(int)
-
paths=defaultdict(DisPath)
-
heap=Heap()
-
visit=set()
-
for node in nodes:
-
dis[node]=sys.maxsize
-
paths[node]=DisPath(node)
-
dis[start]=0
-
heap.insert(DisNode(start,0))
-
while(not heap.isEmpty()):
-
now=heap.pop().node
-
if now in visit:
-
continue
-
visit.add(now)
-
paths[now].dis=dis[now]
-
for edge inGetNeighbors(now):
-
end=edge.End
-
if dis[now]+edge.value<dis[end]:
-
dis[end]=dis[now]+edge.value
-
paths[end].path=paths[now].path+[end]
-
heap.insert(DisNode(end,dis[end]))
-
return paths
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