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解释外推为什么可能失败

模型在已有数据内很准,题目却问到范围之外。

本页内容
  1. 怎样判断预测是否可靠?
  2. 例题
  3. 要留意的错误
  4. 自我检测
  5. 接下来学什么

**外推(extrapolation)**是用模型预测建模所用数据范围之外的值。它可能失败,因为模型只描述你观察到的规律,对情境中某个因素改变后会发生什么,它什么也没说。好的答案先给出预测,再说明它是否合理以及原因。

这是International Mathematics 建模的最后一课,建立在比较预测与实测之上。

怎样判断预测是否可靠?

  1. 找出数据范围,检查输入在范围内(内插)还是范围外(外推)。
  2. 检查输出是否合理。 负的高度、超过容量的体积、大于 1 的概率,都是失效的信号。
  3. 问一问规律要继续成立,什么必须保持不变,例如比率恒定。
  4. 写一个贴合情境的理由,并说明预测离数据有多远。

例题

一支蜡烛点燃时高 20 cm。前 6 小时的读数符合模型 h = 20 − 1.5t,h 是高度(cm),t 是时间(小时)。用模型算 t = 10 和 t = 20 的值,并加以评论。

步骤 1,数据范围: 读数覆盖 0 ≤ t ≤ 6。两个要求的时间都在范围之外,所以都是外推。

步骤 2,t = 10: h = 20 − 1.5 × 10 = 20 − 15 = 5 cm。这个高度合理,但它假定蜡烛以同样的速度继续燃烧。

步骤 3,t = 20: h = 20 − 1.5 × 20 = 20 − 30 = −10 cm。高度不可能是负数,所以这个值不可能成立。

步骤 4,找出界限: 当 1.5t = 20 时 h = 0,所以 t = 20 ÷ 1.5 = 13.33…,约 13.3 小时。模型只适用于 0 ≤ t ≤ 13.3。之后蜡烛已经烧完,高度是 0。

诚实的结论是:模型在 10 小时给出可信的值,在 20 小时给出错误的值,因为它忽略了物理限制。

要留意的错误

常见的失误是不检查就报出模型的输出。

错误的答案: “20 小时后蜡烛高 −10 cm。”

负的高度没有物理意义。

改正的方法是说明模型在约 13.3 小时 h 到达 0 时就不再适用,此后蜡烛的高度是 0。方程还是那条方程,但真实的蜡烛已不再遵循它。

自我检测

先在纸上做,再打开答案。

1. 某植物模型是 h = 12 + 2.5w,由 w = 1 到 8 的读数建立。预测 w = 60 时的高度并评论。

显示答案

h = 12 + 2.5 × 60 = 12 + 150 = 162 cm。这是远超 8 周的外推。植物会停止生长,生长速度也会改变,所以匀速生长的假定不大可能成立,这个预测值得怀疑。

2. 预付余额由 B = 40 − 2.5d 建模。算 d = 20 时的值,并写出模型适用的天数范围。

显示答案

B = 40 − 2.5 × 20 = 40 − 50 = −10。预付额度不可能是 −RM10。余额在 d = 40 ÷ 2.5 = 16 时降到 0,所以模型适用于 0 ≤ d ≤ 16。

3. 一个出租车模型由 2 km 到 10 km 的行程建立。下面哪些预测属于内插:6 km、15 km、1 km?

显示答案

只有 6 km 在 2 到 10 的范围内,所以是内插。15 km 和 1 km 在范围之外,所以是外推。

接下来学什么

你现在掌握了完整的建模步骤,从定义变量与假设到判断预测。用建模练习题把它们全部测一遍。免计算器解题训练器可以检查你求界限时的算术。

有些学生把外推值算对了就停下来。我们的老师可以在一对一线上数学补习中陪你练习,算完外推值后再补上一句判断。

常见问题

内插和外推有什么区别?

内插(interpolation)是预测数据范围之内的值,外推(extrapolation)是预测范围之外的值。内插通常更稳妥,因为模型在附近已被检验过。外推假定规律会继续下去,而这个假定可能不成立。

考试时应该拒绝外推吗?

不用。题目常常就是要你算出来。先给出数值,然后说明这是外推,并解释结果是否合理。像“这假定比率保持不变”这样的一句话,通常就能拿到解释分。

模型在数据之外失效,可以给出哪些理由?

从情境出发给理由:物理限制,例如高度为零或水箱已满;比率随时间改变;条件改变,例如交通或天气;或数据太少,无法确定规律。说出一个理由,并与数字联系起来。

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下一步

如果你能算出预测,却不会解释为什么它不可信,一对一的老师可以帮你写出贴合情境的、简短而准确的理由。

一小时付费试听课,按所安排老师确认的收费,RM80 起。

补习由家长或监护人安排。用 WhatsApp 把这页发给他们,他们就可以替你咨询。

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