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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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