数学建模习题答案.docx

数学建模部分课后习题解答 中国地质大学 能源学院 华文静 1.在稳定的椅子问题中，如设椅子的四脚连线呈长方形，结论如何？ 解： 模型假设 椅子四条腿一样长，椅脚与地面接触处视为一点，四脚的连线呈长方形 地面高度是连续变化的，沿任何方向都不会出现间断（没有像台阶那样的情况），即从数学角度来看，地面是连续曲面。这个假设相当于给出了椅子能放稳的必要条件 椅子在任何位置至少有三只脚同时着地。为了保证这一点，要求对于椅脚的间距和椅腿的长度而言，地面是相对平坦的。因为在地面上椅脚间距和椅腿长度的尺寸大小相当的范围内，如果出现深沟或凸峰（即使是连续变化的），此时三只脚是无法同时着地的。 模型建立 在上述假设下，解决问题的关键在于选择合适的变量，把椅子四只脚同时着地表示出来。首先，引入合适的变量来表示椅子位置的挪动。生活经验告诉我们，要把椅子通过挪动放稳，通常有拖动或转动椅子两种办法，也就是数学上所说的平移与旋转变换。然而，平移椅子后问题的条件没有发生本质变化，所以用平移的办法是不能解决问题的。于是可尝试将椅子就地旋转，并试图在旋转过程中找到一种椅子能放稳的情形。 注意到椅脚连线呈长方形，长方形是中心对称图形，绕它的对称中心旋转180度后，椅子仍在原地。把长方形绕它的对称中心旋转，这可以表示椅子位置的改变。于是，旋转角度这一变量就表示了椅子的位置。为此，在平面上建立直角坐标系来解决问题。 设椅脚连线为长方形ABCD,以对角线AC所在的直线为x轴，对称中心O为原点，建立平面直角坐标系。椅子绕O点沿逆时针方向旋转角度后，长方形ABCD转至A1B1C1D1的位置，这样就可以用旋转角表示出椅子绕点O旋转后的位置。 其次，把椅脚是否着地用数学形式表示出来。当椅脚与地面的竖直距离为零时，椅脚就着地了，而当这个距离大于零时，椅脚不着地。由于椅子在不同的位置是的函数，因此，椅脚与地面的竖直距离也是的函数。 由于椅子有四只脚，因而椅脚与地面的竖直距离有四个，它们都是的函数，而由假设（3）可知，椅子在任何位置至少有三只脚同时着地，即这四个函数对于任意的，其函数值至少有三个同时为0。因此，只需引入两个距离函数即可。考虑到长方形ABCD是对称中心图形，绕其对称中心O沿逆时针方向旋转180度后，长方形位置不变，但A,C和B,D对换了。因此，记A，B两脚与地面竖直距离之和为，C,D两脚之和为，其中，使得成立。 模型求解 如果，那么结论成立。 如果不同时为零，不妨设这时，将长方形ABCD绕点O逆时针旋转角度后，点A,B分别于与C，D互换，但长方形ABCD在地面上所处的位置不变，由此可知，f（π）＝g（0），g（π）＝f（0）.而由f（0）＞0，g（0）＝0，得g（π）＞0，f（π）＝0。令h（θ）＝f(θ)－g（θ），由f(θ)和g(θ)的连续性知h(θ)也是连续函数。 又，根据连续函数介值定理，必存在使得； 又因为。于是，椅子的四只脚同时着地，放稳了。 模型讨论 用函数的观点来解决问题，引入合适的函数是关键．本模型的巧妙之处就在于用变量θ表示椅子的位置，用θ的两个函数表示椅子四只脚与地面的竖直距离．运用这个模型，不但可以确信椅子能在不平的地面上放稳，而且可以指导我们如何通过旋转将地面上放不稳的椅子放稳． 2. 人、狗、鸡、米均要过河，船需要人划，另外至多还能载一物，而当人不在时，狗要吃鸡，鸡要吃米。问人、狗、鸡、米怎样过河？ 模型假设 人带着猫、鸡、米过河，从左岸到右岸，船除了需要人划之外，只能载猫、鸡、米三者之一，人不在场时猫要吃鸡，鸡要吃米。试设计一个安全过河方案，使渡河次数尽量地少。 符号说明 ：代表人的状态，人在该左岸或船上取值为1，否则为0; ：代表猫的状态，猫在该左岸或船上取值为1，否则为0； ：代表鸡的状态，鸡在该左岸或船上取值为1，否则为0； ：代表米的状态，米在该左岸或船上取值为1，否则为0:； :状态向量，代表时刻K左岸的状态； :决策向量，代表时刻K船上的状态； 模型建立 限制条件： 初始状态： 模型求解 根据乘法原理，四维向量共有种情况根据限制条件可以排除三种情况，其余13种情况可以归入两个集合进行分配，易知可行决策集仅有五个元素,状态集有8个元素，将其进行分配，共有两种运送方案： 方案一：人先带鸡过河，然和人再回左岸，把米带过右岸，人再把鸡运回左岸，人再把猫带过右岸，最后人回来把鸡带去右岸（状态见表1）； 方案二：人先带鸡过河，然后人再回左岸，把猫带过右岸，人再把鸡运回左岸，人再把米带过右岸，最后人回来把鸡带去右岸(状态见表2)； 目标：确定有效状态集合，使得在有限步内左岸状态由 表一： 时刻左岸状态船上K=0 K=1 K=2 K=3 K=4 K=5 K=6 K=7(1，1，1，1) (0，1，1，1） （1，1，0，1） （0，