简单数学建模的应用例子.ppt

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数学建模 简单建模实例 建模实例 实例一:椅子能在不平的地面上放稳吗? 把椅子往不平的地面上放,通常只有三只脚着 地,放不稳,然而只需挪动几次,就可以使四 脚同时着地,放稳了。这看来似乎与数学无关 的现象能够用数学语言以表述,并用数学工具 来证实吗? 2020229 建模实例 模型假设:对椅子和地面应该作一些必要的假 设 1.椅子四条腿一样长,椅脚与地面接触处可 视为一个点,四脚的连线呈正方形。 2.地面高度是连续变化的,沿任何方向都不 会出现间断,即地面可视为数学上的连续曲面。 3.对椅脚的间距和椅脚的长度而言,地面是 相对平坦的,使椅子在任何位置至少三只脚着 地。 建模实例 这里假设1显然是合理的,假设2相应于 给出了椅子能放稳的条件,因为如果地面 高度不连续,譬如在有台阶的地方是无法 使椅子四脚同时着地的,至于假设3是要 排除这样的情况:地面上与椅脚间距和椅 腿长度的尺寸大小相应的范围内,出现深 沟或凸峰,致使三只脚无法同时着地 2020229 建模实例 模型构成 这里首先要解决的中心问题是用数学语言把椅 子四脚同时着地的条件和结论表示出来。 首先要用变量表示椅子的位置,注意到椅脚连 线呈正方形,以中心为对称点,正方形绕中心 的旋转正好代表了椅子位置的改变,于是可以 用旋转角度这一变量表示椅子的位置。 2020229 建模实例 图中椅脚连线为正 方形ABCD,对角线 AC与轴重合椅子 绕中心点旋转角度 后,正方形ABCD转 至A`BCD的位置 所以对角线AC与x 建模实例 轴的夹角θ表示了椅子的位置。 其次要把椅子脚着地,用数学符号表示出 来,如果用某个变量表示椅脚与地面的竖 直距离,那么当这个距离为零时就是椅脚 着地了,椅子在不同的位置椅脚与地面的 距离不同,所以这个距离就是位置变量 的函数。 2020229 建模实例 虽然椅子只有四个距离,但是由于正方形的中 心对称性,只要设两个距离函数就行了,记A C两脚与地面的距离之和为f(),,D两脚与 地面的距离之和为g()f(),g(),由假设2 与g均是连续函数。由假设3,椅子在任何位 置至少有三只脚着地,所以对于任意的qf(), 9)中至少有一个为零,当=0时不妨设g()=0, f(沙0。6 2020229 建模实例 这样,改变椅子的位置,使四脚同时着地 就归结为证明如下数学命题 已知0)5()是0的连续函数,对任意 的,f0g(0=0g(0)=0,f0)0.则存在 使(=8(0)=0 2020229 建模实例 可以看到,引入了变量和函数f(0,g(6) 就把模型的假设条件和椅脚同时着地的结 论用简单、精确的数学语言表述出来,从 而构成了这个实际问题的数学模型。 模型求解 上述命题有多种证明方法,这里介绍其中 的一种,将椅子旋转900,对角线AC与 BD互换,由于g(0)=0,f()0,可知 g(90)0,f(90)=0

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