当你用一个长方形的小托盘做烘焙饼干的时候,热量常常集中在4个角落,然后饼干的四个角就会被烤熟,很遗憾饼干就烤焦了。
而在一个圆形的小托盘中时,热量被均匀的分布在外层边缘,饼干的边缘就不会过熟。但是,既然绝大多数的烤箱都是长方形的,在里面用圆形的小托盘并不能够有效地利用烤箱的空间。
请你开发一个模型来表明不同形状的小托盘的外沿的热量分布,从矩形到圆形以及两者间过渡的形状。
这个看似简单的烤饼干问题,却是2013年美国老员工数学建模的题目,在解决这道题目的时候,云顶集团组成的小分队,顺利解决了这个问题,在全世界一千多支队伍中,脱颖而出,获得了二等奖的好成绩。
美国老员工数学建模竞赛(MCM/ICM),是一项国际级的竞赛项目,为现今各类数学建模竞赛之鼻祖。MCM/ICM 是 Mathematical Contest in Modeling 和Interdisciplinary Contest in Modeling 的缩写,即“数学建模竞赛”和“交叉学科建模竞赛”。MCM 始于 1985 年,ICM 始于 2000 年,由 COMAP(美国数学及其应用联合会)主办。
参加这个竞赛获奖的员工,能比较轻松地敲开美国前一百位大学的大门。2011届毕业生代维,由于参加了该赛事并获得特等奖提名,成功申请了美国排名大约60位左右的新泽西州立大学金融数学硕士专业,云顶集团经济学院的2011届陈思易同学也顺利奔赴美国杜克大学攻读统计专业硕士。
由于赛制的要求,每个队有三个成员,包括一名队长。三个成员分别负责数学建模、软件解模和论文写作。每个队有一名指导教师,一名指导教师最多带两个队,所以学校只能派出八个队伍。
对于三个大三的本科生而言,要用四天四夜的时间,用英语来写一篇一万字左右,包含着数学模型、物理、热能、计算机内容等相关知识,是一个巨大的挑战。三个同学各有分工,赵文杰负责计算机编程,信晓雪负责建模,邹颖杰同学负责写论文。
对于美国老员工建模的赛制,是用4天的时间,建立一个数学的模型来解决与生活息息相关的问题。云顶集团获奖的这组同学也选用了烤饼干这个看似简单,却包含了多样的物理、数学、计算机内容。
赵文杰同学对于为什么选择这个问题是这样想的:“这是一个热传导问题,而我们对热传导方程,还是比较熟悉的,比较好入手。于是我们开始了对此题的征程,当我还在为烤饼干问题找到思路而开心的时候,一个重大的问题出现了,由于我们是财经类的大学,对物理不是太了解的我们并不能很容易搞清楚烤箱的作用原理,也还没找到问题的关键,那就是为什么四个角的饼会容易糊。于是第一天我们不断寻找关于烤箱原理的一切知识,并最后确定烤箱作用原理是热传导。这正好与我们当初想法不谋而合,于是我们敢大胆的使用热传导方程来描述这个问题。经过MATLAB(矩阵实验室)的求解偏微分方程,并且做图,确实做出来了与题目一样的结论。四角的温度明显高于中间。”
比赛的第二天了,他们小组马不停蹄的开始了问题的求解,写论文的邹颖杰同学也开始了论文的整个构架和第一题的翻译工作。赵文杰也开始了第一题的图形的完善,并且加入了第二题的讨论之中。
怎么样做出一个既不能烤焦饼干,又能节约面积的烤盘,在情急之中信晓雪同学想到了生物中细胞生长的思想,将烤盘想象成细胞,让他自由生长,长成最理想的形状和大小。这个想法很巧妙。只是问题的难度在于,如何用数学的符号来表达出这样的生长。于是我们利用多种子增长模型的思想最后解决了这个难题。最终在最后一天完成全部的比赛。
美赛开始的时候,中国马上就要过年了,这对于家在外地的参赛者来说的确有点尴尬。为了充分准备美赛,云顶集团安排员工住在学校培训楼,暂时不回家。当过年的氛围越来越浓时,当其他同学喝着腊八粥时,美赛的挑战者们却体味着每逢佳节倍思亲的辛酸和苦楚。但困难与寂寞是挡不住倔强的行者的。赵文杰这一组每天早起阅读从图书馆借来的数学家的故事,激励自己。他们三个成员有时虽然不在一起,但是他们通过语音聊天,一起讨论问题直到深夜。
当他们这一组决定建立一个仿生模型,通过模拟细胞增殖的过程来实现最优化。在这个想法得到了指导老师的肯定之后,他们就开始加紧模型的完善和求解。在竞赛的几天中,这群20岁左右的挑战者们除了几个小时的睡眠时间外,基本上都在桌前写写画画,在电脑上进行程序的试运行。经过四天的奋战终于完成了论文,
在比赛当中有许多困难。回首来时路,他们觉得最大的挑战是对于写论文的邹颖杰同学。对于一个从来都没有写过上万字的英文论文的同学,这无疑是个巨大的挑战。当然获得奖项也是他们三个人共同合作,共同获得的成功。如今回头想想比赛的过程更是一种宝贵的体验。那充实的四天。大家几乎是除了吃饭和睡觉,其他所有时间都是坐在电脑前埋头苦写埋头苦想,把自己的全身心都投入了比赛之中,这种奋斗精神是一辈子的精神财富。
做数学建模都是一件很辛苦的事情,但是这过程是快乐的,因为建模能在实际问题与数学之间搭起一座桥梁,让数学这样一门被大多数人畏惧并觉得无用的学科能展现出他的一部分风采,当然数学的作用和功绩远不止这些。我想美赛最大的功劳是给了他们坚强的意志,和克服难题的勇气,坚信只要努力,再大的困难也是可以克服的。
并提交了电子稿。交上论文后,他们三个长长舒了一口气,倒头便睡。