数学模型论文.docx

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1、数学模型论文数学建模习题 影 院 座 位 设 计 摘 要 本文研究了电影院的座位设计问题，根据观众对座位的满意程度主要取决于视角a与仰角b这一前提条件，建立了满意程度最大的相关模型，并进行求解。 问题一，首先建立在满足仰角条件情况下的优化模型，接着通过主观臆断分别对视角和仰角赋权重，对座位进行离散分析，并引入满意度函数建立了离散加权模型，最后运用Matlab软件求解出当地板线的倾角为10o时，最佳位置距屏幕的水平距离为6.8635米。 问题二，根据问题一中的离散加权模型，将座位看作离散的点，建立满意度函数平均值模型，再利用Matlab软件解得当地板线的倾角为15.0543o时，所有观众的平均满

2、意程度最大。 问题三，在问题二的基础上，为进一步提高观众的满意程度，将地板线设计成折线形状，即相邻两排座位所在的点构成一条直线，且每排座位所在地板线的倾角以2.5o变化，增加到20o后保持不变，第一排抬高1.2米。 本文所建立的模型通俗易懂，求解简单明了，对模型进行验证发现与现实生活中的实际情况十分吻合，因此具有很强的实用性和推广意义。 关键词： 离散加权 平均满意度 优化模型 一、问题重述 影院座位的满意程度主要取决于视角a和仰角b，视角是观众眼睛到屏幕上下边缘的视线的夹角，越大越好；仰角是观众眼睛到屏幕上边缘视线与水平线的夹角，太大使人的头部过分上仰，引起不适，一般要求仰角b不超过300；

3、记影院的屏幕高为h，上边缘距离地面高为H,影院的地板线通常与水平线有一个倾角q，第一排和最后一排与屏幕水平距离分别为d,D，观众的平均座高为c，已知参数h=1.8. H=5，d=4.5,D=19，c=1.1(单位m)。 求解以下问题： (1) 地板线的倾角q=100时，求最佳座位的所在位置。 (2) 地板线的倾角q一般不超过200，求使所有观众的平均满意程度最大时的地板线倾角。 (3) 地板线设计成什么形状，可以进一步提高观众的满意程度。 二、问题的分析 电影院座位的设计应满足什么要求，是一个非常现实的问题。根据题意观众对座位的满意程度主要取决于观看时的视角a和仰角b，a越大越好，而b越小越好

4、，最佳位置就是要在这两者之间找到一个契合点，使观众对两者的综合满意程度达到最大。 本文通过对水平视角a和仰角b取权重，建立适当的坐标系，从而建立一个线形型满意度函数。 针对问题一，已知地板线倾角，求最佳座位所在，即将问题转化求综合满意度函数的最大值，建立离散加权的函数模型并利用Matlab数学软件运算求解； 针对问题二，将所有观众视为离散的点，要使所有观众的平均满意程度达到最大，即将问题转化求满意度函数平均值的最大值。对此利用问题一所建立的满意度函数，将自变量转化为地板线倾角； 针对问题三，即在问题二的基础上对地板线形状进行优化设计，使观众的平均满意程度可以进一步提高。 本文在满意度呈线性的基

5、础上来建立模型的，为使模型简化，更好地说明问题，文中将作以下假设。 三、模型假设1.忽略因视力或其他方面因素影响观众的满意度； 2.观众对座位的仰角的满意程度呈线性； 3.观众对座位的水平视角的满意程度呈线性； 4.最后排座位的最高点不超过屏幕的上边缘； 5.相邻两排座位间的间距相等，取为0.8m； 6.对于同一排座位，观众的满意程度相同； 7.所有观众的座位等高为平均座高； 8.影院的的地板成阶梯状。 1 四、符号说明a 水平视角 b 仰角 q 地板线与水平线的倾角 d 第一排离屏幕水平距离 D 最后一排离屏幕水平距离 d Sa 视高差，即从眼睛到头顶的竖直距离 观众对水平视角为a的满意程度

6、 观众对仰角为b的满意程度 平均满意程度 Sb S ca,cb 视角a、仰角b在综合满意度Si中的权重 l h 屏幕的高度 H 相邻两排座位间沿地板线方向的间距 屏幕上边缘离地面的高度 五、模型的建立与求解 5.1 问题一 每一个到影院看电影的观众都想坐在最佳位置，而对座位的满意程度主要取决于两个因素：水平视角a和仰角b，且视角是观众眼睛到屏幕上下边缘的视线的夹角，越大越好，仰角是观众眼睛到屏幕上边缘视线与水平线的夹角，太大使人的头部过分上仰，引起不适，要求不超过300。 5.1.1 模型的建立：仰角在满足条件的范围内,观众满意度只取决于视角 以第一排观众的眼睛为原点，建立平面直角坐标系，如图

7、1所示：屏 A h 幕 B y E 视觉线 H-c-h-xtanq H-h bca P S c q xxtanq地板 O 地面 x N d M D-d 图1 影院座位设计的剖面图 其中，AB为屏幕，MS为地板线，OE为所有的观众的眼睛所在的直线。则由图可设视觉线OE上任意一点P的坐标为(x,xtanq)，屏幕上下点的坐标分别为A(-d,H-c)，2 B(-d,H-h-c)，AP的斜率记为kAP,BP的斜率记为kBP。 由斜率公式得： kAP=-tanb=xtanq-H+cxtanq-H+h+c，kBP=-tan(b-a)= (1.1) x-(-d)x-(-d)则直线AP和BP的斜率与夹角a满足

8、如下关系： tana=kBP-kAPh(x+d) (1.2) =21+kBPkAP(x+d)+(xtanq-H+c)(xtanq-H+h+c)仰角满足条件：b0o,30o 所以：0tanb330-xtanq-H+c33 x-(-d)H-c-33d33+tanqxH-c (1.3) tanq由公式(1.1) (1.2)得到模型为： h(x+d) maxa=arctan(x+d)2+(xtanq-H+c)(xtanq-H+h+c)0xD-ds.t.H-c-33dH-c x33+tanqtanq5.1.2 模型的求解 当q=10o时，用Matlab软件运算求解，得最大视角为a=13.9522o，,0

9、.3046)为最佳位置。离屏幕的仰角为b=30o，x=1.7274米。即P点的坐标为(1.7274米。 水平距离为4.5+1.7274=6.22745.1.3 模型的建立：离散加权模型 在地板线上的座位可视为是离散的点，设两排座位在地板线方向上的前后间距为l，则在水平方向的间距为lcosq，考虑仰角和视角对观众的满意度为主要因素。 对模型进行修正，将座位连续情况进行离散化可以得到： tanb=-xtanq-H+c(k-1)lcosqtanq-H+c=- (2.1) x-(-d)(k-1)lcosq-(-d)tana=h(k-1)lcosq+d)(k-1)lcosq+d)2+(k-1)lcosq

10、tanq-H+c)(k-1)lcosqtanq-H+h+c)(2.2) 14.5+1=19。 lcosq一般说来，人们的心理变化是一个模糊的概念。本文中观众对某个座位是否满意的其中，k=1,2,3,L,n，n为地板线上的座位的总排数，且n= 3 看法就是一个典型的模糊概念。由模糊数学隶属度的概念和心理学的相关知识，根据题意，在假设条件下，对于第k排座位，建立观众对视角a、仰角b的满意度函数1如下： Sak=tanak-tanamin (2.3) tanamax-tanaminSbk=1-tanbk-tanbmin (2.4) tanbmax-tanbmin式中ak,bk为第k排座位上观众视角和

11、仰角，amax,bmax表示在q给定的情况下最优满意度，amin,bmin表示在q给定的情况下最差满意度。 视角a、仰角b在综合满意度Sk中的权重分别为ca,cb，建立第k排座位综合满意度函数如下： Sk=caSak+cbSbkca+cb (2.5) 根据地板线倾角q=10，通过计算可以得出5.4210oa15.8975o， o 4.0451b40.9149o，主观给定权重Ca=0.6,Cb=0.4，根据模型的建立，可以得出：Sk=caSak+cbSbkca+cb=0.6Sak+0.4Sbk0.6+0.4=3.1596tanak-0.5025tanbk+0.1357 (2.6) 将式(2.1)

12、和式(2.2)带入公式(2.6)得到优化模型为： 3.1596*h(k-1)lcosq+d)(k-1)lcosq+d)2+(k-1)lcosqtanq-H+c)(k-1)lcosqtanq-H+h+c)(k-1)lcosqtanq-H+c+0.5025+0.1357(k-1)lcosq-(-d)maxSk=0xD-dH-cH-c-33d s.t.x,k=1,2,3,L,19 tanq33+tanqx=(k-1)lcosq5.1.4 模型的求解 用Matlab软件运算求解可得：x=2.3635米，k=4排，最大满意度为S4=0.6176,最大视角为a=13.1282o，仰角为b=26.9084o

13、,最佳位置离屏幕的水平米。 距离为4.5+2.3635=6.86355.2 问题二 5.2.1 模型的建立 k要使所有观众的平均满意程度达到最大，即需求S的最大值。由模型可知，第nSkn，平均满意度S的大排观众的满意度为S,则观众平均满意程度函数为：S=k=1小由每一排的满意度所决定，而又是由仰角b和视角a所决定。所以，要使观众的满意程度达到最大，取决于两个方面：(1) 仰角不超过条件的座位所占的比例越大，观众的平均满意程度就越大；(2) 所有座位的视角的均值越大，观众的平均满意程度就越大。 由式(1.1)可知，地板线倾角q的改变将同时使所有座位的仰角和视角的大小发生 4 改变，且在某一座位(

14、即x取某一定值)，在q逐渐增大的过程中仰角逐渐减小，视角逐渐增大，见图2所示。仰角不超过条件的区域扩大，即地板线倾角q越大,仰角不超过条件的座位所占的比例越大。 7.15随的变化曲线16随的变化曲线7.114127.050246810121416182010786.9566.946.8526.8002468101214161820角变化角变化 图2 视角a和仰角b随q变化的变化曲线 o第一排观众的仰角为b=40.9149，不满足仰角的条件，由模型可知第k排座位所对应的仰角的正切值： tanbk=-(k-1)lcosqtanq-H+c,k=1,2,3,L,n (k-1)lcosq-(-d)14.

15、5+1，随着地板线倾角q的变化，相lcosq邻两排座位间的间距l不变，但相邻两排座位间的水平间距会发生改变。由于地板线倾其中n为地板线上的座位的总排数：n=角q不超过20o，所以19n20，并限制最后一排观众的视高不要超过屏幕的上边缘，o即q15.0543。 由模型可求出第k排座位所对应的水平视角的正切值为： tana=h(k-1)lcosq+d) 2(k-1)lcosq+d)+(k-1)lcosqtanq-H+c)(k-1)lcosqtanq-H+h+c)5.2.2 模型的求解 让地板线倾角q在0o,20o内逐一取值,步长为0.01o；让x在0,14.5内逐一取值,步长为0.01。 对一个取

16、定的q，判断x所在的位置仰角是否超过30o，若超过，则该座位的综合满意度必须同时考虑仰角b和视角a的取值；否则，只需要考虑视角a的取值，把所有座位的综合满意度相加，并求出观众的平均综合满意度，判断此时的平均满意度是否最大，最后一排的高度是否超过屏幕的上边缘，并记下最大值时q的取值。 oa15.8975o，当取地板线倾角为q变化时，通过计算可以得出5.11430ob40.9149o。 5 由模型的(2.5)式得：Sk=caSak+cbSbkca+cb=0.6Sak+0.4Sbk0.6+0.4 = 所以，将式(2.1)和式(2.2)带入公式(3.1)得到平均满意度的优化模型为： maxS=Sk=1

17、nkn19n20oo0q15.0543s.t,k=1,2,L,n其中n取整数 0xD-dx=(k-1)lcosq用Matlab软件计算可得：最大平均满意度为S=0.6572，对应地o板线的倾角为q=15.0543。 5.3 问题三 5.3.1 模型的建立与求解 由上两问可知,观众的满意程度与仰角,视角和地板线倾角q都有关,而每一座位到屏幕的水平距离基本固定不变，考虑观众的满意度，就要考虑仰角，视角随着q的变化情况。 引理 地板线不管设计成什么形状,各排的间距不变，区别在于各排的高度差如何变化，若竖直方向上的两定点，在与它们相距一定水平距离的竖直方向上有一动点，当该动点位于两定点的垂直平分线上时

18、，动点与两定点形成的视角最大。动点距两定点的垂直平分线越近，动点与两定点形成的视角越大。 要使每一个座位所对应的视角取最大值,对应的y值应在直线上.设计地板线应考虑以下几个方面：(1)第k排座位所在的位置应高于第k-1排座位所在的高度；(2)前一排的观众不会挡住后一排观众的视线；(3)视角尽可能大,即眼睛的位置应尽可能分布在垂直平分线的附近；(4)仰角的座位所占的比例尽可能大。 假设每排座位所在的点构成一条折线，任意相邻两排座位水平间距为l，第k排座位地板线倾角为qk，第k排座位与第k-1排座位地板线倾角变化为Dq。从而可得：qk=0+(k-1)Dq，故： tanbk=-k=1同理可得： ta

19、na=(k-1)ltanqnk-H+c=ltan(k-1)Dq-H+ck=1n(k-1)l-(-d)(k-1)l-(-d)h(k-1)lcosq+d)(k-1)lcosq+d)2+(k-1)lcosqtanq-H+c)(k-1)lcosqtanq-H+h+c)h(k-1)lcosq+d)2nnk=1k=1(k-1)lcosq+d)+(lcosqltan(k-1)Dq-H+c)(lcosqltan(k-1)Dq-H+h+c)6 观众平均满意程度函数为：S=Skn k=1n可算出地板线上的座位的总排数为：n=Smax=0.6692。 14.5+1，则可计算得当Dq=2.5时，lcosq但此时q=(

20、19-1)2.5=45，根据一般习惯，要求地板线倾角q20，但此时求得最后一排座位的地板线倾角为q=45，这大大超过观众的心理范围，因此文中将对此进一步的修改。当(i-1)Dq20时，令(i-1)Dq=20。当q=20时，即将问题转化为问题二中所建立的模型。由于Dq=2.5，则地板线倾角增加到第8排到达20，然后保持不变。 对于这两种情况，分别代入不同的函数，利用matlab数学软件求得：满意度函数的最大值Smax=0.66430.6572。 可以通过利用Matlab软件来描点，如图3所示： 2.521.510.50024681012141618图3 从上图可以看出，报告厅座位的前8排呈折线状

21、，以Dq=2.5递增,当倾角增加到q=20时保持不变，且第一排应抬高1.2米。 六、模型的评价与推广 6.1 模型的评价 6.1.1 模型的优点: 模型抓住影响观众满意程度的主要因素(仰角和视角),合理构造满意度函数,过程清晰明了,结果科学合理。 模型具有较好的通用性,实用性强,对现实有很强的指导意义。 6.1.2 模型的不足以及需要改进的地方: 模型主观假设同一排座位观众的满意程度相同,实际情况并非如此,这就使得我们的模型对解决实际问题时有一定的局限性。 模型建立的过程中,以观众眼睛所在的点为坐高点,没有考虑前排观众额部对后排观众的遮挡,需要进一步的考虑在内。 6.2 模型的推广 本文中所建

22、立模型的方法和思想对其他类似的问题也很适用,所建立的模型可用于大型场所的座位的设计与安排，以及彩民对中奖率的满意程度等问题上。同时对于已知剖面来分析物体的形状这一类型问题的处理有很好的参考价值.例如:运用该模型去解决会议厅、报告厅的布局,灯塔高度的设计等相关的问题。因此具有很强的实用性和推广性。 7 七、参考文献 1 金炜东，线性型满意度及其组合运算，铁道学报，第19卷第5期：50页到54页，XX年10月 2 李祖苑，影院座位设计，,中国科技论文在线， 3 刘学智，影院座位的安排，,中国科技论文在线， 4 龚坚，计算机视觉，北京：科学技术出版社，XX年，37页到76页 5 ,赛才网， 8 八、

23、附 录： 附录一 clear clc H=5; h=1.8; D=19; d=4.5; c=1.1; l=0.8; pi=3.1415926; f=10; for Q=0:0.1:20 for l=1:floor(14.5/cos(Q/180*pi)+1) x=(l-1)*cos(Q/180*pi); T=tan(Q/180*pi); A=(d+x)*h/(d+x)2+(H-c-T*x)*(H-h-c-T*x); if fA f=A; end end end for Q=0:0.1:20 for l=1:floor(14.5/cos(Q/180*pi)+1) x=(l-1)*cos(Q/180

24、*pi); T=tan(Q/180*pi); A=(d+x)*h/(d+x)2+(H-c-T*x)*(H-h-c-T*x); if f=A fprintf(Q is:%dn,Q); fprintf(k is:%dn,l); end end end f 附录二 clear clc H=5; h=1.8; 9 D=19; d=4.5; c=1.1; l=0.8; pi=3.1415926; t=10; for Q=0:0.1:20 for l=1:floor(14.5/cos(Q/180*pi)+1) x=(l-1)*cos(Q/180*pi); T=tan(Q/180*pi); B=(H-c-T

25、*x)/(d+x); if tB t=B; end end end for Q=0:0.1:20 for l=1:floor(14.5/cos(Q/180*pi)+1) x=(l-1)*cos(Q/180*pi); T=tan(Q/180*pi); B=(H-c-T*x)/(d+x); if t=B fprintf(Q is:%dn,Q); fprintf(k is:%dn,l); end end end t 附录三 clear; %clc; H=5; h=1.8; D=19; d=4.5; c=1.1; Q=0.1763; %tan(10/180*pi); s=0; for x=2.3635

26、 3.1514 3.9392 4.7271 5.5149 6.3028 7.0906 7.8785 8.6663 9.4542 10.2420 11.0298 11.8177 12.6055 13.3934 14.1812 t=3.1596*(h*(x+d)/(x+d)2+(x*Q-H+c)*(x*Q-H+h+c)-0.5025*(-(x*Q-H+c)/(x+d)+0.1357; 10 if st s=t; end end for x=2.3635 3.1514 3.9392 4.7271 5.5149 6.3028 7.0906 7.8785 8.6663 9.4542 10.2420 11

27、.0298 11.8177 12.6055 13.3934 14.1812 t=3.1596*(h*(x+d)/(x+d)2+(x*Q-H+c)*(x*Q-H+h+c)-0.5025*(-(x*Q-H+c)/(x+d)+0.1357; if s=t fprintf(nX is:%d,x); fprintf(nk is:%d,x/(0.8*cos(10/180*pi)+1); fprintf(na is:%d,(atan(h*(x+d)/(x+d)2+(x*Q-H+c)*(x*Q-H+h+c)/pi*180); fprintf(nb is:%dn,(atan(-(x*Q-H+c)/(x+d)/p

28、i*180); end end s 附录四 clear; clc; H=5; h=1.8; D=19; d=4.5; c=1.1; l=0.8; pi=3.1415926; t=0; for k=1:20 for Q=0:0.01:20 z=h*(k-1)*l*cos(Q/180*pi)+d)/(k-1)*l*cos(Q/180*pi)2+(k-1)*l*cos(Q/180*pi)*tan(Q*pi/180)-H+c)*(k-1)*l*cos(Q*pi/180)*tan(Q/180*pi)-H+h+c); if tz t=z; end end end for k=1:20 for Q=0:0.

29、01:20 z=h*(k-1)*l*cos(Q/180*pi)+d)/(k-1)*l*cos(Q/180*pi)2+(k-1)*l*cos(Q/18011 *pi)*tan(Q*pi/180)-H+c)*(k-1)*l*cos(Q*pi/180)*tan(Q/180*pi)-H+h+c); if t=z fprintf(Q 为：%dn,Q); fprintf(k 为：%dn,k); end end end t 附录五 clear; clc; H=5; h=1.8; D=19; d=4.5; c=1.1; l=0.8; pi=3.1415926; t=0; for k=1:20 for Q=0:

30、0.01:20 z=h*(k-1)*l*cos(Q/180*pi)+d)/(k-1)*l*cos(Q/180*pi)2+(k-1)*l*cos(Q/180*pi)*tan(Q*pi/180)-H+c)*(k-1)*l*cos(Q*pi/180)*tan(Q/180*pi)-H+h+c); if t=0 s=3.1579*a-0.4259*b+0.0724; %3.0722*a-0.4274*b+0.0955; %end sum=sum+s; end if ST=0 s=3.1579*a-0.4259*b+0.0724; %3.0722*a-0.4274*b+0.0955; %end sum=sum+s; end if ST=sum 13 fprintf(nQ is:%dn,Q); end end ST/20 14