美赛历年试题翻译

美国数学建模大赛重要资料

MCM1998

问题-A

磁共振成像扫描仪

引言

用于工业和医疗的磁共振成像扫描仪诊断机对像脑那样的三维物体进行扫描，并把扫描的结果以三维像素阵列的形式传送之。每个像素由一个指示其颜色或灰度的数构成，它对像素所在位置处的被扫描物体的一个小区域中含水量(浓度)的度量进行编码。例如，0能以黑色来描绘出高含水量(脑室、血管)，128能以灰色来描绘出中等含水量(脑核和灰质)，而255以白色来描绘出低含水量(组成有髓体轴的富含脂类白质)。这类磁共振成像扫描仪还包括能在屏幕画出通过该三维像素阵列的平行或垂直片(与三个笛卡尔坐标轴平行的平片)的设备．能够描绘出斜的平片的算法是专卖的。眼下的算法利用了角度及可供使用的参数选择而受到限制，算法的执行也有赖于大量使用专用的工作站；在切片之前缺少在画面上作点的输入能力；从而使原始像素间明晰的边界变得模糊。

能在个人计算机上实现的更为准确可靠的、灵活的算法对于以下几方面来说将是极为有用的：

①设计尽可能少的介入处理；

②校准磁共振成像扫描仪；

②研究诸如动物研究中尸体解剖组织部分那样的在空间中斜向的结构；

④能作出以任意角度和由黑白固线组成的脑图谱相交的截面。

为设计这样的算法，就要能存取任意像素的值和位置,不仅仅是由扫描仪收集到的原始数据。

问题

设计并测试能产生与三维阵列在空间任意指向的平面的截面部分的算法，并尽可能保持原始的灰度值。

数据集

典型的数据集由表示物体在位置处的浓度的由数A(i，j，k)构成的三维阵列A典型的情形，A(i，j，k)的取值范围为0到255．在大多数应用中，该数据集是相当大的。

参赛队要设计用以测试井论证其算法的数据集。数据集应能反映大概是有诊断意义的情况。参赛队还应叙述限制其算法有效性的数据集的特征。

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总结

算法一定要生成由空间一平面与三维阵列相交出的切片部分的图象。这种平面在空间可以钉任意的指向和位置(该平面可能会漏掉一些或全部数据点)。算法的结果应该是所扫描的物体在所选平面上的浓度的一个模型。

AMCM98

问题-B 成绩给分的通胀

背景

一些行政领导很为A Better class(ABL)学院的成绩给分担扰。平均说来，ABC 学院的教师一直在给高分(现在结出的平均成绩分数为A-)，从而不可能区分好学生和中等水平的学生。金额很大的奖学金只能资助班上前10%的学生，因而要对班上的学生排名次。

院长有一想法：把班上每个学生和其他学生进行比较，并用比较获得的信息来排名次。例如，若某个学生得分为A而全班学生都得A，那么这个学生只能属于这个班上的“平均水平”。另一方面，如果班上只有一个学生得A，那么这个学生显然在“平均水平之上”，结合几门课中得到的比较信息就能把全校的学生按十分位数排名次(前l0%。次l0%，……，等等)。

问题

假定给出的成绩记分为(A+，A，A-,B+,^…）院长的想法能否实现?

假定给出的成绩记分只有(A、B，C…）院长的想法能否实现?

有没有其他能给出名次排列的方案?一种担心是，一个班级的成绩记分可能会改变许多学生的十分位数的排名次。可能出现这种情况吗?

数据集

参赛队要设计用以测试并论证其算法的数据集，参赛队还应叙述限制其算法有效性的数据集的特征。

AMCM99问题-A 大碰撞

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美国数学建模大赛重要资料

NASA(航空航天管理局)常常考虑这样一个问题：一颗较大的小行星与地球的碰撞将会产生怎样的后果。

作为这个问题的一部分，要求你们讨论这颗小行星该到地球南极所造成的后果，有人认为其后果将与该行星撞到地球其它区域的后果有很大的不同。

你们可以假设这颗小行星的直径大约为l000米，并且立接撞在南极点处。

你们应当给出这样一次碰撞的后果的估计，特别地，NASA希望得到由这次碰撞所造成的人员伤亡的地区及数量的估计，还希望得到关于对南半球的大洋区域的农作物生长的危害的估计，以及由于南极冰层大规模融化引起的沿海洪水的一个估计。

AMCM99问题-B

“非法”聚会

许多公共设施的房间都柯一种标有人数的记号，当房间中人数超过记号上人数时就视为“非法”，该数目可假定是以紧急情况下从房屋出口逃出的人数为基准确定的，类似地，电梯及其它设施经常有一个“最大容量”。

建立数学模型以确定标上多大人数值才是“合法容量”，作为求解的一部分要讨论若干准则(并非在火灾或其它紧急情况下的公共安全)决定出房屋〔或空间)达到“非法”聚会的人数，而且，在所建模型中要考虑几种不同的房屋结构，例如，像咖啡屋(拥有桌和椅子)那样具有可移动家俱的房子，具有成排椅子和走廊的演训厅等，你还可以对各种不同情形进行比较与对比，例如：电梯，演讲厅，游泳池，咖啡屋或健身房等。

收集摇滚音乐会或足球比赛的相关资料也许会为你提供一些特殊的信息。将所建模型用于你所在学院(或附近城镇)的一个或多个公共设施中，如果该类设施已标有“合法”人数的话，请将模型所得结果与之比较。如果得到使用，你的模型可能部分受到利益驱动下要增加容量之观点的挑战，为当地报刊撰写一篇文章以捍卫模型所给的分析。

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AMCM1999

问题- C大地污染

背景若干实践中重要但理论上困难的数学问题与污染的评估有关。这种问题之一就是根据只是在被怀疑为已污染地区的周围而不必直接在该地区中测得的很少的测量数据来导出不易进入的地下的渗漏污染物的位置和数量、以及污染源的精确估计。

例子数据可通过http://www.77cn.com.cn/mcm.prodata.xis 找到。

该数据集（一种电子表格文件an Excel file），它能卸载到大多数电子数据表（spreadsheets）展示了从1990到1997在10个监测井处地下水中污染物的数量数据。单位是微克（mg/l）。8个测井的位置和高度是已知的并在下表给出。头两个数是在一张地图的直角格点上井的位置的坐标。第三个数是井中水面高出平均海平面的高度（以英尺计）。

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数据集中另两个井（MW-27和MW-33）的位置和高度不同。在该数据集中你还会看到数字后面的字母T(Top),M(Middle)或B(Bottom)，它们分别表示测量是在井的含水层的顶部、中部和底部进行的。因此，MW-7B和MWffice:smarttags" />-7M是来自同一个井，但分别是底部和中部的测量。此外，其它的测量数据表明水有流向该区域中的MW-9号井的趋势。

问题一试建立一个数学模型来决定在由该数据集来表示的区域和时间里是否由任何新的污染物产生。若有，试识别新的污染物并估计它们的污染源的位置和时间。

问题二在收集任何数据之前，会提出下列问题：是否拟议中的数据类型和模型能给出关于污染物所在的位置和数量的我们想要的估计。液态的化学物质会从埋置在均匀的土壤的储藏中的一个储藏罐中渗漏。因为若要在许多大罐的下面去探测的费用会过分昂贵而且危险，所以只能在储藏设备的边缘地区附近或在看来更合适的地区的表面进行测量。试决定只是在整个储藏罐的边界的外面或表面进行什么样类型的测量以及测量数目可以用于一个数学模型以决定上楼是否发生，何时发生，何处（从哪个罐）发生，以及渗漏多少液体。

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