《数学建模与数据学实验》课件第2章.ppt

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现在丙系有6名学生转入甲、乙两系各3人(如表2.1第2列所示)。按照上面的执行方法分配席位时出现了小数,在将取得整数的19席位分配完毕后,三系同意将剩下的1名席位分配给比例中小数部分最大的丙系,于是三系仍分别占有10、6、4个席位(表2.1中第4列)。

因为有20个席位的代表会议在表决时可能出现10∶10对等的局面,会议决定下一届增加1席。按照上述方法重新分配席位,计算结果为三系分别占有11、7、3个席位(见表2.1第5、6列)。这个结果对丙系而言太不公平,因为总席位增加1个,而丙系的席位却由4席减为3席。要解决这个问题必须舍弃所谓惯例,找到一个公平分配席位的方法。为此以两个单位为例建立“相对不公平”指标。图2.3三城地理位置图第2章初等数学模型2.1量纲分析法2.2比例与函数建模法2.1量纲分析法

量纲分析法提出于20世纪初,是物理学中常用的一种定性分析方法,也是在物理领域中建立数学模型的一个有力工具。它是在经验和实验的基础上,利用物理定律的量纲齐次性原则,确定各物理量之间关系的一种方法。2.1.1量纲齐次性原则

许多物理量是有量纲的,有些物理量的量纲是基本的,另一些物理量的量纲则可以由基本量纲根据其定义或某些物理定律推导出来。例如在动力学中,把长度l、质量m和时间t的量纲作为基本量纲,记为

[l]=L,[m]=M,[t]=T

而速度v、力f的量纲可表示为

[v]=LT-1,[f]=MLT-2在国际单位制中,有7个基本量,即长度、质量、时间、电流、温度、光强度和物质的量,它们的量纲分别

为L、M、T、I、Θ、J和N,称为基本量纲。任一个物理量q的量纲都可以表示成基本量纲的幂次之积

量纲齐次性原则用数学公式表示一个物理定律时,等式两端必须保持量纲一致。量纲分析就是在保证量纲一致的原则下,分析和探求物理量之间的关系。2.1.2量纲分析的一般方法

【例2.1】(单摆运动)质量为m的小球系在长度为

l的线的一端,线的另一端固定,小球偏离平衡位置后,在重力mg作用下作往复摆动,忽略阻力,求摆动周期t的表达式。

解在这个问题中有关的物理量有t、m、l、g,设它们之间有关系式:

(2.1)

其中,α1、α2、α3为待定常数,λ为无量纲的比例系数,取式(2.1)的量纲表达式为整理得由量纲齐次原则,应有这与单摆的周期公式是一致的。图2.1四足动物躯干示意图(2)把圆柱体躯干看做一根支撑在四肢上的弹性梁,动物在体重f作用下的最大下垂,即梁的最大弯曲为δ,根据弹性力学弯曲度理论有2.2.2双重玻璃的功效

问题:房间居室的窗户有的是双层的,即在窗户上装两层玻璃,且中间留有一定的空隙,试比较双层玻璃窗与单层玻璃窗的热量流失。

模型假设:

(1)设双层玻璃窗的两玻璃的厚度都为d,两玻璃的间距为l,单层玻璃窗的玻璃厚度为2d,所用玻璃材料相同,如图2.2所示。图2.2双层玻璃窗与单层玻璃窗(2)假设窗户的封闭性能很好,两层玻璃之间的空气不流动,即忽略热量的对流,只考虑热量的传导。

(3)室内温度T1和室外温度T2保持不变,热传导过程处于稳定状态,即单位时间通过单位面积的热量为常数。(4)玻璃材料均匀,热传导系数为常数。

模型建立:

对于厚度为d的均匀介质,两侧温度差为ΔT,则单位时间由温度高的一侧向温度低的一侧通过单位面积的热量Q与ΔT成正比,与厚度d成反比,即

其中,k为热传导系数。

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