20192011-1数学模型在环境科学中的应用.ppt
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1、2019年5月19日星期日,化学与环境科学学院,1,环境模型与设计 -基于Matlab,张宝林 讲师 内蒙古师范大学化学与环境科学学院,2,2019年5月19日星期日,化学与环境科学学院,课程简介,环境与可持续发展是当今世界关注的重要议题。可持续发展的关键是协调好经济发 展和环境保护之间的关系,这种协调有赖于应用系统论的观点研究环境系统内部各个组成部分和要素之间的对立统一关系;也有赖于研究环境质量和社会经济发展的对立统一关系,建立最佳的经济结构和环境经济布局。环境科学的发展给日益显现和加剧的环境问题的解决提供了重要方法和技术。,3,2019年5月19日星期日,化学与环境科学学院,课程简介,基于
2、计算机的数学模型是用于分析和评价众多复杂环境问题的强有力的工具。本课程目的是介绍几种适用于开发模型的软件,介绍解决某些具体问题的软件综合应用。 通过应用计算机,特别是在模拟和分析某些环境过程时,环境建模是提高教学和学习的有效方法。本课程有助于提高学生在应用计算机解决专业问题的能力,加深对理论知识的理解。,4,2019年5月19日星期日,化学与环境科学学院,课程简介,课程内容包括开发环境模型的一般步骤,基本概念,可用于环境模型设计的软件,以及简单的环境模型设计实例。本课程也将介绍一些复杂的模型,如区域气候模型,碳氮循环模型,水文模型等。,5,2019年5月19日星期日,化学与环境科学学院,教学目
3、标,学完本课程后,能够描述不同类型的环境模型,探讨环境模型的实际应用,如预测和评价潜在的环境影响,开发规划活动可能造成的环境影响等,明确环境模型的优缺点。,5,6,2019年5月19日星期日,化学与环境科学学院,7,2019年5月19日星期日,化学与环境科学学院,课程主要内容,第一讲 数学模型在环境科学中的应用 第二讲 环境模型的数学基础知识 第三讲 环境问题的数学模型概述 第四讲 环境生态数学模型 第五讲 环境预测模型 第六讲 环境质量评价模型,8,2019年5月19日星期日,化学与环境科学学院,课程主要内容,第一讲数学模型在环境科学中的应用 1 计算机概论 2 数学模型在环境科学中的应用
4、3 环境数学模型的分类,8,9,2019年5月19日星期日,化学与环境科学学院,课程主要内容,第二讲 环境模型的数学基础知识 1 线性代数基础 2 概率论与数理统计 3 微积分基础知识 4 运筹学基础 5 灰色模型基础,9,10,2019年5月19日星期日,化学与环境科学学院,课程主要内容,第三讲 环境问题的数学模型概述 1 环境数学模型概述 2 环境数学模型的建立 3 环境数学模型建模的基本方法,10,11,2019年5月19日星期日,化学与环境科学学院,课程主要内容,第四讲 环境生态数学模型 1 环境空间变异分析模型:地统计,趋势面分析等 2 种群动态模型:单一种群,种间作用,Lotka-
5、Volterra,11,12,2019年5月19日星期日,化学与环境科学学院,课程主要内容,第五讲 环境预测模型 1 回归预测模型 2 灰色预测模型 3 人工神经网络,12,13,2019年5月19日星期日,化学与环境科学学院,课程主要内容,第六讲 环境质量评价模型 1 环境指数评价模型 2 环境质量的聚类分析模型 3 主成分分析模型 4 因子分析模型,13,14,2019年5月19日星期日,化学与环境科学学院,主要参考书,宋新山等,环境数学模型,科学出版社,2004 宋新山等,MATLAB在环境科学中的应用,化学工业出版社,2008 汪礼礽,环境数学模型,华东师范大学出版社,1997 吴祈宗
6、等,运筹学与最优化MATLAB编程,机械工业出版社,2010,14,15,2019年5月19日星期日,化学与环境科学学院,第一讲数学模型在环境科学中的应用,1 计算机概论 2 数学模型在环境科学中的应用 3 环境数学模型的分类,15,16,2019年5月19日星期日,化学与环境科学学院,第一讲数学模型在环境科学中的应用,参考书:,16,17,2019年5月19日星期日,化学与环境科学学院,-1 计算机概论,http:/www.tcf.ua.edu/AZ/ITHistoryOutline.htm,Fortran 95程序设计-彭国伦,A. The Premechanical Age: 3000
7、B.C. - 1450 A.D.,Writing and Alphabets-communication.,Paper and Pens-input technologies.,Books and Libraries: Permanent Storage Devices.,The First Numbering Systems.,The First Calculators: The Abacus.,17,Scientific American 2009-9 Computing,腓尼基人,18,2019年5月19日星期日,化学与环境科学学院,-1 计算机概论,B. The Mechanical
8、Age: 1450 - 1840,The First Information Explosion.,The first general purpose “computers“,顧登堡(Johann Gutenberg),Johann Gutenberg (Mainz, Germany) Invented the movable metal-type printing process in 1450. The development of book indexes and the widespread use of page numbers.,18,19,2019年5月19日星期日,化学与环境科
9、学学院,-1 计算机概论,B. The Mechanical Age: 1450 - 1840,19,Wilhelm Schickard,1592年出生于德国Herrenberg,一生中的大部分时间都居住在德国Tubingen,并在图宾根大学教授希伯来语和天文学。,20,2019年5月19日星期日,化学与环境科学学院,-1 计算机概论,B. The Mechanical Age: 1450 - 1840,Slide Rules, the Pascaline and Leibnizs Machine.,Early 1600s, William Oughtred, an English clerg
10、yman, invented the slide rule,20,21,2019年5月19日星期日,化学与环境科学学院,-1 计算机概论,B. The Mechanical Age: 1450 - 1840,Slide Rules, the Pascaline and Leibnizs Machine.,The Pascaline. Invented by Blaise Pascal (1623-62).,自动进位加法器,法国人,21,22,2019年5月19日星期日,化学与环境科学学院,-1 计算机概论,B. The Mechanical Age: 1450 - 1840,Slide Rul
11、es, the Pascaline and Leibnizs Machine.,Leibnizs Machine. Gottfried Wilhelm von Leibniz (1646-1716), German mathematician and philosopher.,22,23,2019年5月19日星期日,化学与环境科学学院,-1 计算机概论,B. The Mechanical Age: 1450 - 1840,23,十七、十八世纪的其他机械计算机,1966年,Samuel Morland设计了一台用于计算英国货币加法的机器献给了英国国王查尔斯二世。 在1679年,Samuel Mo
12、rland又设计了另一台可以计算英国货币乘法的机器献给了大公科西莫三世。 1709年,Giovanni Poleni制作了一台可进行三位十进制数字加法的机械计算机 1725年,Lpine制作了一台机械计算机。 1727年,Antonius Braun制作了一台机械计算机,并献给了德国皇帝卡尔四世 1730年,Hillerin de Boistissandau制作了一台机械计算机。 1725年,C.L. Gersten制作了一台机械计算机。 1750年,Jacob Isaac Pereire制作了一台机械计算机。 1773年,Phillip Matthaeus Hahn在Gottfried Le
13、ibniz的乘法机的基础上设计了一台可以进行12位十进制运算的机械计算机好像直到1820年才完成制作。 1775年,Charles Stanhope制作了一台机械计算机。 1784年,Johan Helfreich Mller制作了一台可进行不同进制运算的机械计算机,这是由于采用了齿数可变的齿轮。 1790年,Phillip Matthaeus Hahn的徒弟Jacob Auch制作了一台机械计算机。 1792年,Reichhold制作了一台机械计算机。,24,2019年5月19日星期日,化学与环境科学学院,-1 计算机概论,B. The Mechanical Age: 1450 - 1840
14、,24,1820年,法国人Charles Xavier Thomas de Colmar研制出了第一台商业化的可进行四则运算的机器。,25,2019年5月19日星期日,化学与环境科学学院,-1 计算机概论,B. The Mechanical Age: 1450 - 1840,Babbages Engines,The Difference Engine. Working model created in 1822. The “method of differences“.,Charles Babbage (1792-1871), eccentric English mathematician,T
15、he Analytical Engine.,Augusta Ada Byron (1815-52).,25,现代计算机的起点:Charles Babbage的差分机和分析机,26,2019年5月19日星期日,化学与环境科学学院,-1 计算机概论,B. The Mechanical Age: 1450 - 1840,Babbages Engines,26,27,2019年5月19日星期日,化学与环境科学学院,-1 计算机概论,在十九世纪中期,人们开始设计各种处理计算中发生错误的机器,其中最著名的有babbage差分机 ( Babbage Difference Engine)。 1991年,伦敦的
16、科学博物馆决定建立babbage difference engine no.2。由Andrew Carol建立的Difference engine 2图形如下:,28,2019年5月19日星期日,化学与环境科学学院,-1 计算机概论,http:/ 计算机概论,B. The Mechanical Age: 1450 - 1840,29,十九、二十世纪的机械计算机,在十九、二十世纪的欧洲初见出现了大量技术成熟的机械计算机并得到了广泛的应用。 1838年,英国银行家Thomas Fowler制作了一台进行二进制和三进制运算的机械计算机,并将它送给了英国皇家学会的成员。 1853年,来自瑞典的Geor
17、ge Scheutz和他的儿子Edward Scheutz利用Charles Babbage的设计成功地制作了一台差分机,目前保存在美国华盛顿州的史密森学会。 1875年,美国人Frank Stephen Baldwin设计了不同于莱布尼茨的手摇式机械计算机 1878年,为Ludvig Nobel工作的瑞典人Willgodt Theophil Odhner设计了另外一种不同于莱布尼茨的机械计算机 1878年,美国人Ramon Verea也设计了另外一种不同于莱布尼茨的机械计算机。 1878年,来自德国的Arthur Burkhardt开办了Erste Glashtter Rechenmasch
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