前言
最近博主正在和队友准备九月的数学建模,在做往年的题目,博主主要是负责数据处理,运算以及可视化,这里分享一下自己部分的工作,相关题目以及下面所涉及的代码后续我会作为资源上传
问题求解
第一题
第一题的思路主要如下:
如果我们基于代码实现的话,代码应该是这样的:
# 导入相关第三方包
import numpy as np
import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt
import math
# 生成测线距离中心点处的距离
list1=[]
d=200
for i in range(-800,1000,200):
list1.append(i)
df=pd.DataFrame(list1,columns=["测线距离中心点处的距离"])
#计算海水深度和覆盖宽度
degree1 = 1.5
radian1 = degree1 * (math.pi / 180)
df["海水深度"]=(70-df["测线距离中心点处的距离"]*math.tan(radian1))
df["海水深度"]=df["海水深度"].round(2)
degrees2 = 120/2
radian2 = degrees2 * (math.pi / 180)
df["覆盖宽度"]=(df["海水深度"]*math.sin(radian2)/math.cos(radian2+radian1))+(df["海水深度"]*math.sin(radian2)/math.cos(radian2-radian1))
df["覆盖宽度"]=df["覆盖宽度"].round(2)
# 计算重叠率
leftlist=df["海水深度"]*math.sin(radian2)*1/math.cos(radian1+radian2)
rightlist=df["海水深度"]*math.sin(radian2)*1/math.cos(radian1-radian2)
leftlist=leftlist.round(2)
rightlist=rightlist.round(2)
leftlist=leftlist.tolist()
leftlist=leftlist[1:]
rightlist=rightlist.tolist()
rightlist=rightlist[:8]
heights = df["覆盖宽度"].tolist()
heights=heights[:8]
list2=[0]
for i in range(0,8):
a=(1-200/((leftlist[i]+rightlist[i])*math.cos(radian1)))
list2.append(a*100)
df["重叠率"]=list2
df.to_excel("2023B题1.xlsx",index=False)
这样我们就基本上完成了对相关数据的求解,然后我们可以实现一下对于它的可视化,代码与相关结果如下:
plt.rcParams['font.sans-serif'] = ['SimHei'] # 指定默认字体
plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False # 解决保存图像是负号'-'显示为方块的问题
# Plotting sea depth
plt.figure(figsize=(10, 6))
plt.plot(df["测线距离中心点处的距离"], df["海水深度"], marker='o', linestyle='-', color='b', label='海水深度')
# Plotting coverage width
plt.plot(df["测线距离中心点处的距离"], df["覆盖宽度"], marker='o', linestyle='-', color='g', label='覆盖宽度')
# Plotting overlap rate
plt.plot(df["测线距离中心点处的距离"], df["重叠率"], marker='o', linestyle='-', color='r', label='重叠率')
# Adding labels and title
plt.xlabel('测线距离中心点处的距离')
plt.ylabel('海水深度 / 覆盖宽度 / 重叠率')
plt.title('海水深度、覆盖宽度和重叠率随距离变化的折线图')
plt.legend()
# Display plot
plt.grid(True)
plt.tight_layout()
plt.show()
第二题
第二题的思路主要是下面的式子:
博主的求解代码基本如下:
import numpy as np
import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt
import math
# 生成相关数据
list1=[]
list2=[]
a=0
for i in range(8):
ans=a*math.pi/180
list1.append(ans)
a+=45
a=0
for i in range(8):
list2.append(a)
a+=0.3
b=1.5
c=60
randian11=b*math.pi/180
randian12=c*math.pi/180
# 求解覆盖宽度:
list3=[]
for i in range(8):
list4=[]
for j in range(8):
randian21=math.tan(randian11)*-1*math.cos(list1[i])
randian31=math.tan(randian11)*math.sin(list1[i])
randian22=math.atan(randian21)
randian32=math.atan(randian31)
Da=120-list2[j]*randian21*1852
W=(Da*math.sin(randian12)/math.cos(randian12+randian32))+(Da*math.sin(randian12)/math.cos(randian12-randian32))
list4.append(W)
list3.append(list4)
最后我们的工作就是数据的可视化了,首先是我们的代码部分:
#对结果的可视化
plt.rcParams['font.sans-serif'] = ['SimHei'] # 指定默认字体
plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False # 解决保存图像是负号'-'显示为方块的问题
df=pd.DataFrame()
df["β=0°"]=list3[0]
df["β=45°"]=list3[1]
df["β=90°"]=list3[2]
df["β=135°"]=list3[3]
df["测量船距海域中心点的距离"]=list2
plt.figure(figsize=(10, 6))
plt.plot(df["测量船距海域中心点的距离"], df["β=0°"], label="β=0°")
plt.scatter(df["测量船距海域中心点的距离"], df["β=0°"])
plt.plot(df["测量船距海域中心点的距离"], df["β=45°"], label="β=45°")
plt.scatter(df["测量船距海域中心点的距离"], df["β=45°"])
plt.plot(df["测量船距海域中心点的距离"], df["β=90°"], label="β=90°")
plt.scatter(df["测量船距海域中心点的距离"], df["β=90°"])
plt.plot(df["测量船距海域中心点的距离"], df["β=135°"], label="β=135°")
plt.scatter(df["测量船距海域中心点的距离"], df["β=135°"])
plt.xlabel('测量船距海域中心点的距离')
plt.ylabel('list3 values')
plt.legend()
plt.grid(True)
plt.show()
第三题
前言
这题与上面的题目仅仅需要我们求解不同,这题的工作主要分为两份:
- 求解
- 灵敏度分析
求解
这题求解的主要思路如下:
(PS:浅浅吐槽一下,公式真的多,理顺花了我好一会…)
博主的求解代码如下:
import numpy as np
import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt
import math
# 设置相关参数
a=1.5
b=60
radian1=a*math.pi/180
radian2=b* math.pi/180
D0=110
Les=4*1852 #待测海域东西宽度
D=D0+Les/2*math.tan(radian1) #此处Dmax
x=D*math.tan(radian2)
D=D-x*math.tan(radian1)
W1=0
W2=0
res_list=[x] # 存储x
left_list=[] # 存储左线坐标
right_list=[] # 存储右线坐标
while x+W2*math.cos(radian1)<=Les:
W2=D*math.sin(radian2)/math.cos(radian2-radian1)
W1=D*math.sin(radian2)/math.cos(radian2+radian1)
d=(W1+W2)*0.9*math.cos(radian1)/(1+math.sin(radian1)*math.sin(radian2)/math.cos(radian2+radian1)*0.9)
left_list.append(x-W1*math.cos(radian1))
right_list.append(x+W2*math.cos(radian1))
D=D-d*math.tan(radian1)
x=x+d
res_list.append(x)
W2=D*math.sin(radian2)/math.cos(radian2-radian1)
W1=D*math.sin(radian2)/math.cos(radian2+radian1)
d=(W1+W2)*0.9*math.cos(radian1)/(1+math.sin(radian1)*math.sin(radian2)/math.cos(radian2+radian1)*0.9)
left_list.append(x-W1*math.cos(radian1))
right_list.append(x+W2*math.cos(radian1))
print("总条数:%d"%(len(res_list))) #总条数
print("最大长度:%f"%(res_list[-1])) #最大长度
for i in range(len(res_list)):
res_list[i]=res_list[i]/1852
left_list[i]=left_list[i]/1852
right_list[i]=right_list[i]/1852
然后就是我们对相关结果的可视化:
# 可视化
plt.rcParams['font.sans-serif'] = ['SimHei'] # 指定默认字体
plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False # 解决保存图像是负号'-'显示为方块的问题
plt.axvline(res_list[0], color='red',label='Red Line (测线)')
plt.axvline(left_list[0], color='green',label='Green Line (条线左侧)')
plt.axvline(right_list[0], color='blue',label='Blue Line (条线右侧)')
for i in range(1, len(res_list)):
plt.axvline(res_list[i], color='red')
plt.axvline(left_list[i], color='green')
plt.axvline(right_list[i], color='blue')
# 设置图形属性
plt.title('问题三结果')
plt.ylabel('由南向北/海里')
plt.legend()
# 显示图形
plt.grid(True)
plt.show()
灵敏度分析
灵敏度的分析思路其实还是很简单,主要是我们要改变开角和坡角的大小来看一下
看一下对结果的影响:
基于开角变化实现的灵敏度分析及其可视化
import numpy as np
import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt
import math
# 设置相关参数
for b in range(100,150,10):
a=1.5
radian1=a*math.pi/180
radian2=b/2* math.pi/180
D0=110
Les=4*1852 #待测海域东西宽度
D=D0+Les/2*math.tan(radian1) #此处Dmax
x=D*math.tan(radian2)
D=D-x*math.tan(radian1)
W1=0
W2=0
res_list=[x]
left_list=[]
right_list=[]
while x+W2*math.cos(radian1)<=Les:
W2=D*math.sin(radian2)/math.cos(radian2-radian1)
W1=D*math.sin(radian2)/math.cos(radian2+radian1)
d=(W1+W2)*0.9*math.cos(radian1)/(1+math.sin(radian1)*math.sin(radian2)/math.cos(radian2+radian1)*0.9)
left_list.append(x-W1*math.cos(radian1))
right_list.append(x+W2*math.cos(radian1))
D=D-d*math.tan(radian1)
x=x+d
res_list.append(x)
W2=D*math.sin(radian2)/math.cos(radian2-radian1)
W1=D*math.sin(radian2)/math.cos(radian2+radian1)
d=(W1+W2)*0.9*math.cos(radian1)/(1+math.sin(radian1)*math.sin(radian2)/math.cos(radian2+radian1)*0.9)
plt.plot(range(len(res_list)), res_list, linestyle='-', label=f'开角为{b}°')
plt.rcParams['font.sans-serif'] = ['SimHei'] # 指定默认字体
plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False # 解决保存图像是负号'-'显示为方块的问题
# 设置标签和标题
plt.xlabel('i')
plt.ylabel('res_list[i]')
plt.title('基于开角变化实现的灵敏度分析及其可视化')
# 添加网格线和图例(可选)
plt.grid(True)
plt.legend()
# 显示图形
plt.show()
结果如下:
基于开角变化实现的灵敏度分析及其可视化
:
import numpy as np
import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt
import math
# 设置相关参数
a_list=[1.3,1.4,1.5]
for i in range(len(a_list)):
a=a_list[i]
b=120
radian1=a*math.pi/180
radian2=b/2* math.pi/180
D0=110
Les=4*1852 #待测海域东西宽度
D=D0+Les/2*math.tan(radian1) #此处Dmax
x=D*math.tan(radian2)
D=D-x*math.tan(radian1)
W1=0
W2=0
res_list=[x]
left_list=[]
right_list=[]
while x+W2*math.cos(radian1)<=Les:
W2=D*math.sin(radian2)/math.cos(radian2-radian1)
W1=D*math.sin(radian2)/math.cos(radian2+radian1)
d=(W1+W2)*0.9*math.cos(radian1)/(1+math.sin(radian1)*math.sin(radian2)/math.cos(radian2+radian1)*0.9)
left_list.append(x-W1*math.cos(radian1))
right_list.append(x+W2*math.cos(radian1))
D=D-d*math.tan(radian1)
x=x+d
res_list.append(x)
W2=D*math.sin(radian2)/math.cos(radian2-radian1)
W1=D*math.sin(radian2)/math.cos(radian2+radian1)
d=(W1+W2)*0.9*math.cos(radian1)/(1+math.sin(radian1)*math.sin(radian2)/math.cos(radian2+radian1)*0.9)
plt.plot(range(len(res_list)), res_list, linestyle='-', label=f'坡角为{a}°')
plt.rcParams['font.sans-serif'] = ['SimHei'] # 指定默认字体
plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False # 解决保存图像是负号'-'显示为方块的问题
# 设置标签和标题
plt.xlabel('i')
plt.ylabel('res_list[i]')
plt.title('基于坡角变化实现的灵敏度分析及其可视化')
# 添加网格线和图例(可选)
plt.grid(True)
plt.legend()
# 显示图形
plt.show()
第四题
这题的主要工作就不是我做了,我主要是负责海水深度与横纵坐标数据的可视化,代码如下:
import numpy as np
import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt
import math
# 导入相关数据
filepath="../resource/data.xlsx"
df=pd.read_excel(filepath)
# 数据预处理
df = df.iloc[1:, 2:]
list1=df.values.tolist()
list2=[]
for i in range(251):
list3=[]
for j in range(201):
list3.append(list1[i][j]*-1)
list2.append(list3)
list4 = np.arange(0,4.02,0.02)
list3 = np.arange(0, 5.02, 0.02)
# 数据可视化
plt.rcParams['font.sans-serif'] = ['SimHei'] # 指定默认字体
plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False # 解决保存图像是负号'-'显示为方块的问题
x, y = np.meshgrid(list4, list3)
z = np.array(list2)
fig = plt.figure(figsize=(10, 8))
ax = fig.add_subplot(111, projection='3d')
surf = ax.plot_surface(x, y, z, cmap='viridis')
ax.set_xlabel('横向坐标(由西向东)/海里')
ax.set_ylabel('纵向坐标(由南向北)/海里')
ax.view_init(elev=30, azim=-45)
fig.colorbar(surf, aspect=5)
# 显示图形
plt.show()
三维图如下:
结语
以上就是我所做的所有相关工作了,从这个学期有人找我打一下这个比赛,在此之前我从来都没有写过多少python,前一段时间打数维杯才开始看,没几天就上战场了,所幸最后也水了一个一等奖(感谢我的队友们),之前我的好几个学弟也问过怎么学语言之类,我还是觉得除了我们的第一门语言外,其他的就不要找几十小时的视频看了,你看我没看不也是硬逼出来了吗,事情往往不会在你有充分准备时到来,我们更应该学会边做边学,而不是等到学完再做,种一棵树最好的时间是十年前,其次是现在,写给可能有一些纠结的大家,也写给自己,那我们下篇见!over!