第2讲 生活中的数学模型.ppt

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第2讲 生活中的数学模型

建模示例一 椅子为什么能放稳 数学与计算机科学系 钱淑渠 一 问题背景 解释日常生活中一件普通的事实; 了解如何作出合理、简化的假设; 学会用数学的语言表述实际问题; 模型的结果解释实际想象。 二 预备知识 二 预备知识 零点定理 三 问题描述 我们在家吃饭,把椅子往不平的地面一放,通常只是三只脚着地,放不稳,然后只需稍挪动几下,就可以使四只脚同时着地,放稳了,如何用数学建模的思想解释这种现象? 四 问题分析 椅子的形状? 地面的状况? 椅子具备的基本条件? 五 模型假设 对椅子和地面作如下假设: 椅子四只脚相等,椅脚与地面接触处视为一点,四脚的连线呈正方形; 地面高度是连续变化的,沿任何方向都不出现间断。即地面视为数学上的连续曲面 椅子在任何位置有三只脚同时着地。 六 模型建立 中心问题—用数学的语言把椅子四只脚同时着地的条件和结论表示出来。 1.用变量表示椅子的位置,椅子脚呈正方形,中心对称,正方形绕椅子旋转正好代表椅子位置改变,于是可以用旋转角度这一变量表示椅子的位置。 六 模型建立 A C D同时着地;AC与AC′夹角为?;逆时针方向转; ?=π/2 六 模型建立 其次把椅脚着地用数学符号表示。若用某一变量表示椅脚与地面的距离,则当距离为零时椅子放稳,椅子在不同位置时椅脚与地面的距离不同,所以距离与椅子位置变量? 的函数。 六 模型建立 再次椅子有四只脚,因而有四个距离,但由于正方形呈中心对称,因而只要设置两个距离即可。(为什么?) 记:A,C 两脚与地面距离之和 ~ f(?) ≧0; B,D 两脚与地面距离之和 ~ g(?) ≧0; 由假设(2)知f(?) , g(?) 均是连续函数; 由假设(3)知f(?) 和 g(?) 中至少有一个为零。即 f(?) . g(?) =0; 如图假设,当?=0时,A,B,C四只脚着地, f(?) =0, g(?) 0 六 模型建立 这样改变椅子的位置使四只脚同时着地,就归结为证明如下数学命题: 已知f(?) , g(?) 是?的连续函数,对任意的?, f(?) . g(?) =0,且g(0)=0, f(0) 0 . 证明存在?0,使得f(?0) = g(?0) =0。 七 模型求解 将椅子旋转π/2,对角线AC与BD互换,即: 当?=π/2时,B,C,D四只脚着地,则有 f(?) 0, g(?) =0 于是得到: 当?=0时,A,B,C四只脚着地,则有 f(?) =0, g(?) 0 当?=π/2时,B,C,D四只脚着地,则有 f(?) 0, g(?) =0 那么如何找一个?0,使得f(?0) = g(?0) =0? 七 模型求解 令h(θ)= f(?) - g(?) ,则 h(0)= f(0) - g(0)0 (1) h(π/2)= f(π/2) - g(π/2)0 (2) 由(1)(2)及微分中值定理,得 存在θ0∈(0, π/2),使得 h(θ0)=0 即: f(?0) - g(?0)=0 f(?0) = g(?0) (3) 七 模型求解 又因为 f(?) . g(?) =0 所以 f(?0) . g(?0)=0 (4) 由(3)(4)可知 f(?0) = g(?0)=0 所以模型得证。 八 模型评价 巧妙之处: 用变量θ表示椅子的位置; 用θ的函数表示四脚与地面的距离; 用简单、精确的数学语言表示了椅子放稳的模型; 九 模型推广 考虑四脚呈长方形的情况? *Mathematical Models AnShun University 二 预备知识 f(x)=-x2+8x-15 b θ a f(x)=x2-6x+8 a b θ y=f(x) f(a)0 a b f(b)0 θ 存在θ∈(a,b),使得f(θ)=0 B A D C x O D C B A ? ? ? ? D C B A ? ? ? ? ? A B C D *Mathematical Models AnShun University

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