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数学建模讲
内 容 备 注 数学建模 课程教案
讲课题目: 第五讲 微分方程模型
目的要求: 了解微分方程在数学建模中应用
重点难点: 微分方程模型在数学建模中的应用
方法步骤: 理论讲授
器材保障: 多媒体设备
教学内容与时间安排:
微分方程是研究函数变化规律的有力工具,在科技、工程、经济、军事、生态、社会等各个领域有着广泛的应用。因此,如何对实际问题建立起微分方程就成了重要的,而且是和解方程截然不同的问题,这就是微分方程的建模问题。这些问题常常是困难的,但也并非是“无章可循”,事实上运用微分方程解决实际问题,常有一定的模式。所谓模式就是问题所遵循的共性规律,或者分析实际问题时所采用的共同方法。
建立微分方程模型需对研究对象作具体分析,一般有以下三种方法:一是根据问题所遵循的规律(如电学、热学、力学、物理学)建模;二是用微元法建模,即分析微元之间的关系式;三是用模拟近似法建模。
建立微分方程模型只是解决问题的第一步。通常要求出方程的解来说明实际现象,并用以检验。如果能得到解析形式的解固然便于分析和应用,但许多方程是求不出解析解的,因此研究其稳定性和数值解法也是十分重要的方法。
5.1微分方程的简单应用问题 40分钟
例1(物体达到的最大高度)在地面上以初速度铅直向上发射一质量为m的物体,设地球引力与物体到地心的距离平方成反比,求物体可能达到的最大高度。若物体脱离太阳系,则应为多少?
模型建立 记地球半径为R,假设空气阻力不计。
设在t时刻物体上升的高度为(即离开地面的高度),则根据Newton万有引力定律知,物体受地球的引力为
() (5.1.1)
其中为比例系数。
因为当物体在地面上时,,即
故
所以
又物体在上升过程中满足Newton第二定律
所以
整理得 (5.1.2)
此即为物体运动过程中的数学模型,它是一个二阶微分方程。
模型求解 令 则
以之代入(5.1.2)式,有
分离变量得
积分得
再代入初始条件,可得
故
由于物体达到最大高度时,,所以由
解得物体的最大高度为
(5.1.3)
如果物体要脱离地球引力而进入太阳系,必须,由(5.1.3)式知,此时必有,所以应取
(5.1.4)
将代入(5.1.4)式,可得
即应为第二宇宙速度。
思考题:若有空气阻力,如何建立其数学模型。
例2(液体的浓度稀释问题)在甲、乙两个大桶内各装有100L的盐水(两桶均未装满),其浓度均为5g/L。现用一根细管将净水以2L/min的速度输入甲桶,搅拌均匀,同时又将混合液仍以2L/min的速度用细管输入乙桶(两桶容积足够大,在稀释过程中不会溢出);然后用细管以1L/min的速度从乙桶将混合液输出。问时刻t乙桶盐水的浓度是多少?
模型建立与求解 设分别表示t时刻甲、乙两桶内盐的数量。
先分析甲桶:任取一段时间,则该时段甲桶内盐的改变量为
两边同除以,并令,得初值问题
(5.1.5)
这就是甲桶中盐含量的数学模型。
对(5.1.5)式分离变量并积分,可得
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