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数学建模最佳选址类问题分析第一页,共十一页,2022年,8月28日
一、问题的提出 如图1,有一条河,两个工厂P 和Q位于河岸L(直线)的同一侧,工厂 P 和 Q 距离河岸L分别为8千米和10千米,两个工厂的距离为14千米,现要在河的工厂一侧选一点R,在R处建一个水泵站,向两工厂P、Q 输水,请你给出一个经济合理的设计方案。8l10Q14P河图1R即找一点 R ,使 R 到P、Q及直线 l 的距离之和为最小。第二页,共十一页,2022年,8月28日
二、提出方案8l10Q14P河图1第三页,共十一页,2022年,8月28日
水泵站R建立在河边(即L上),则问题转化为在L上找一点R,使|RP|+|RQ|为最小。方案一:8l10Q14P河图1水泵站R不建在河边,则问题转化为要在L的P、Q一侧找点R,使R到P、Q及L的距离之和最小。方案二:8l10Q14P河图2RR第四页,共十一页,2022年,8月28日
三、论证方案8l10Q14P河图1R8l10Q14P河图2R方案一:方案二:第五页,共十一页,2022年,8月28日
1、对于方案一:联想平几知识,用光学性质建模: 作点Q关于直线L的对 称点Q ,连 P Q 交 L于R,则R为所求(如图2). 这样所需直线输水管的总长度为:S(R )=| PQ | = 22.72千米。lPQRQS第六页,共十一页,2022年,8月28日
2、对于方案二PQRQ这里建立的是关于x、y的二元函数模型,但求解困难。yxO思路一: 图3 建立如图3的坐标系,则易得P(0,10)、Q( 8 ,8)设点R(x , y ) ,则S(R)=|PR| + |RQ| + |RM|= 。 第七页,共十一页,2022年,8月28日
用判别式法可得 S(R)≥21或S(R)≤ -3.因为S(R)≥0 故S(R)的最小值是21,代入(1)中得y =5,于是Q( , 2 )PQ的直线方程为y = ,把y =5代入得x=5,故|RP|= =10 (km), | RQ|= = 6(km) , R到河岸的距离为5(km)。yx如图4,过R作L‘//x 轴,则问题转化为在 L上找点R,使RP+RQ为最小。 作Q关于L的对称点 Q,则S(R)=| RP | +| RQ | +y≥ | PQ |+y ,取这样的 R,使 S(R)=| PQ |+y 则S(R)= (1)思路二PQRMl图4Q第八页,共十一页,2022年,8月28日
若把|PR|+ |RQ|看作定值,则R在以P、Q为焦点的椭圆上,故这需在椭圆找点R,作R到L的距离最小,因此可考虑运用椭圆的定义和直线与椭圆的关系建模。思路三: PQ图5o如图5所示,建立直角坐标系, P、Q为椭圆的焦点,L //L,且L切椭圆于R,根据题意,易求出直线L为:x-4 y-63=0 (1)设L为: x-4 y+n=0 (2)yxLLR第九页,共十一页,2022年,8月28日
椭圆方程为: (3)联立(2) (3),化简得 (4) 根据L为椭圆的切线,得△=0解得:n2 =4 9(a2-48)。由题意n 0 , 则n=-7 ,所以直线L 为:x-4 y-7 =0.所以L与L的距离为:故输水管的总长度:S(R) =2a +9- (5)用△法,可得S(R)≥21或S(R) ≤ -3,由于S(R)≥0, 则S(R)≥21,即S(R)的最小值为21, 代入(5),解得a=8,从而d=5,进一步可求出|PR|=10, |PQ|=6。第十页,共十一页,2022年,8月28日
四、论证结论R8l10Q14P河*****方案二更经济合理*****
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