探寻美国国际大学生数学建模竞赛背后的故事

发布者:闻天明发布时间:2022-05-17浏览次数:10

近日,第38届美国国际大学生数学建模竞赛(MCM)成绩公布,由上海科技大学物质学院万唯实教授指导、何昊(2020级物理专业)、杨鸿肇(2020级数学专业)、潘比康(2019级计算机专业)3名学生组成的参赛团队获得了该赛事最高奖项——特等奖(Outstanding Winner),同时问鼎美国工业与应用数学学会特别奖(SIAM奖)。

在大家赞赏羡慕之余,你是否想了解一下成功背后都有那些不为人知的故事和沉淀?近期,我们采访了信息学院潘比康同学,一起听听他和他们的故事。

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学生合影

2022/  问答


Q:可否为同学们介绍一下美国大学生数学建模竞赛的具体情况


美国大学生数学建模竞赛全称是美国大学生数学建模大赛/交叉学科建模大赛(MCM/ICM), 由COMAP(美国数学及其应用联合会)举办, 是一项历史悠久具有较大影响力的国际比赛,主要目的是为大学生提供参与团队协作的机会,锻炼数学建模,分析问题, 解决问以及写作的能力.


比赛共设置6道题目,MCM共有3道题,A题为连续型、B题为离散型、C题为数据型。ICM共有3道题,D题是运筹学与网络科学,E题是环境科学,F题是政策。在四天内完成相应问题的数学建模的全过程,并就问题的重述、简化和假设及其合理性的论述、数学模型的建立和求解、检验和改进、模型的优缺点及其可能的应用范围的自我评述等内容撰写论文。


Q: 可否为同学们介绍一下2022年美国大学生数学建模竞赛的奖项设置情况


竞赛的评审十分严格,获奖的参赛队伍都是在综合数学科学基础、英文表达能力、科研论文写作、计算机仿真能力和应用创新能力等方面激烈竞争中胜出的佼佼者。


2022年全球共有 27205 支队伍参赛, 颁发了 44 个特等奖(Outstanding Winner). 进一步在特等奖中优中选优, 选出 29 支队伍颁发了不同种类的最高奖, 如 SIAM award, INFORMS Award等.  我们这支队伍在 MCM 中的 C 题表现全球最佳, 荣获特等奖以及 SIAM 奖。


Q:请问你们当初是如何聚在一起,组建团队的?


数学建模美赛采用小队制,一支队伍3位同学,在4天的时间内,从公布的6道建模题(ABCDEF)中选择一道题进行建模并完成一篇报告。这些建模题的覆盖范围非常广,涉及运筹优化,数据分析、物理仿真、实际生活中的社会问题等方方面面。我们这支队伍的同学来自三物质、信息、数学三个不同的学院,这样的建组也意味着我们有更多的机会来挑选建模试题,如数据分析,物理仿真,以及一些数学性质很强的运筹优化题。


Q:可否介绍一下你们赛前做了哪些准备?


相比很多队伍往往会锁定某一类赛题进行准备(如大数据分析题),在赛前,我们从网上找到了历年的各类赛题,几乎将每一类题的优秀文献都进行了梳理并在每周的组会上进行分享以保证大家信息同步。在我看来,这是我们这支队伍独特的地方:我们既有着不同的学术背景,但在多学科交叉培养的环境下,我们又有很多共同的认知,能快速建立起高效的合作交流模式,齐心协力应对一些复杂的经济和社会关系建模题。


在美赛开始前,我们已经做好了充分的准备,并做了以下分工:何昊同学负责代码,他建立起了一套自己的代码库,可以快速地清洗数据,调用模型并且画出好看的图表;我和杨鸿肇同学则收集了很多可以应用到各式各样模型的论文,并且了解了其底层数学逻辑和公式的原理,为建模和写论文做准备。特别地,因为我校很多课程项目和作业必须用latex完成,所以我们积累了许多编写经验,并且提前在overleaf上新建了一个模板,这使得我们可以更快地创建报告的文档以及进行修改。

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Q: 请问你们当初为什么选择C题为目标选题,有什么考量?


C题要求在给定2016年至2021年的黄金价格和比特币价格后,建立一个数学模型来进行比特币和黄金买卖,使得用户可以尽可能地赚到更多的钱,并对自己的模型进行合理解释和预测将来的价格走向。碰巧,杨鸿肇同学曾经参与过黄金市场的买卖,对市场模型比较熟悉。他提出了一个在传统交易中的套利策略,何昊同学则快速地实现了这个交易策略。我们发现这个交易策略在绝大部分情况下表现良好,因此就成为了我们的主要模型。但是比特币市场和黄金市场的不同之处在于,比特币有着巨大的波动性,在长期看来,如果采用保守的交易模式就会失去很多利润,所以我提出我们可以额外加一个预测模型,这样就能保证让原本固定的交易策略变得相对灵活,从而更好地对比特币市场进行评估和买入卖出。


在决定了大致的模型结构之后,我们使用赛前准备的代码库快速进行模型的迭代和参数调整,我和杨鸿肇同学则尽快讨论确定了具体的数学公式和模型参数,最终由我梳理逻辑,使用latex进行论文撰写。杨鸿肇同学作为论文的“总指导”,和何昊同学一起进行图片的绘制工作,保证了图片的大小位置和内部信息符合期望。


Q: 上海科技大学以往的参赛成绩如何?


上海科技大学的本科生历年来成绩非常优异, 多次获得一等奖以及特等奖。以 2019 年为例, 信息学院三位 2016 级本科生:李睿、姜德扬和吕世栋就拿下特等奖以及最高奖之一的ASA Data Insights Award.


Q: 谈一谈竞赛与平时课程之间的关联?


特别要指出的是, 与国内众多其他大学对该项比赛的大量赛前突击强化集训不同,我校学生对数学建模的能力与知识主要来自于平时众多优质全英文以及中英双语课程的积累,在课程作业以及课程设计中获得了系统性的数学知识、英文写作能力、计算机编程能力、创新思维、科研能力以及团队合作能力。


例如,全校必修课程 CS100 培养的编程能力和抽象基类使用等规范性习惯,帮助大家养成了良好的代码习惯。数学建模大赛中需要在短时间内完成大量的编程任务,CS100课程培养的这些能力和习惯是完成这些任务的必要基础。


又比如,信息学院以及数学所开设的各类数学课程, 教材选用国际经典教材,理论作业要求用LaTeX书写,辅以各类编程大作业,  高标准严格要求,并且结合基本知识点融入大量的数学模型与应用知识,激发学生对数学建模的兴趣并潜移默化的培养提高学生的数学建模能力。


彩蛋


我们队伍分工乍一看会让人感到有些不解,为什么物质学院的同学会选择去写代码,而信息学院的同学会选择去写论文,数学所的同学负责进行总的排版呢?事实上,这恰恰是上科大对同学学科高度融合交叉的优势所在——我们信息学院的同学在平时的作业要求中熟练使用latex,因此可以进行论文撰写;物质学院的同学在通识课中可以熟悉python编程语言的用法进行代码实现;数学所的同学则不仅仅对纯数学理论有所了解,更可以明白这些理论究竟在什么地方可以使用。在我们刚组成队伍讨论的时候,我们就想要在这次比赛的过程中锻炼自己,突破自己。面对哈佛大学、麻省理工学院、斯坦福大学、加州大学伯克利分校、北京大学、清华大学等知名高校的队伍,我们通过充分的准备、合理的分工、高效的合作能最后取得O奖和SIAM奖,这次比赛让我收获了很多经验和知识,也希望我们学校更多的人能在美国国际大学生数学建模竞赛中获得佳绩。