数学建模第二次课程.ppt

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1、数学建模第二次课程,目的:介绍一些简单的数学建模问题;介绍数学建模的一般思想和思路;介绍简单的初等数学模型;增加大家对数学建模的兴趣;为今后参加数学建模竞赛打下良好的基础;,初等模型介绍,2.1 公平的席位分配2.2 录像机计数器的用途2.3 双层玻璃窗的功效2.4 汽车刹车距离2.5 划艇比赛的成绩,2.1 公平的席位分配,问题,三个系学生共200名(甲系100,乙系60,丙系40),代表会议共20席,按比例分配,三个系分别为10,6,4席。,现因学生转系,三系人数为103,63,34,问20席如何分配。,若增加为21席,又如何分配。,比例加惯例,对丙系公平吗,“公平”分配方法,衡量公平分配

2、的数量指标,当p1/n1=p2/n2 时,分配公平,p1/n1 p2/n2 对A的绝对不公平度,p1=150,n1=10,p1/n1=15p2=100,n2=10,p2/n2=10,p1=1050,n1=10,p1/n1=105p2=1000,n2=10,p2/n2=100,p1/n1 p2/n2=5,但后者对A的不公平程度已大大降低!,虽二者的绝对不公平度相同,若 p1/n1 p2/n2,对 不公平,A,p1/n1 p2/n2=5,公平分配方案应使 rA,rB 尽量小,设A,B已分别有n1,n2 席,若增加1席,问应分给A,还是B,不妨设分配开始时 p1/n1 p2/n2,即对A不公平,对A

3、的相对不公平度,将绝对度量改为相对度量,类似地定义 rB(n1,n2),将一次性的席位分配转化为动态的席位分配,即,“公平”分配方法,若 p1/n1 p2/n2,定义,1)若 p1/(n1+1)p2/n2,,则这席应给 A,2)若 p1/(n1+1)p2/n2,,3)若 p1/n1 p2/(n2+1),,应计算rB(n1+1,n2),应计算rA(n1,n2+1),若rB(n1+1,n2)rA(n1,n2+1),则这席应给,应讨论以下几种情况,初始 p1/n1 p2/n2,问:,p1/n1p2/(n2+1)是否会出现?,A,否!,若rB(n1+1,n2)rA(n1,n2+1),则这席应给 B,当

4、 rB(n1+1,n2)rA(n1,n2+1),该席给A,该席给A,否则,该席给B,推广到m方分配席位,该席给Q值最大的一方,Q 值方法,三系用Q值方法重新分配 21个席位,按人数比例的整数部分已将19席分配完毕,甲系:p1=103,n1=10乙系:p2=63,n2=6丙系:p3=34,n3=3,用Q值方法分配第20席和第21席,第20席,第21席,同上,Q3最大,第21席给丙系,甲系11席,乙系6席,丙系4席,Q值方法分配结果,Q1最大,第20席给甲系,问题,在一次使用中录像带已经转过大半,计数器读数为4450,问剩下的一段还能否录下1小时的节目?,要求,不仅回答问题,而且建立计数器读数与录

5、像带转过时间的关系。,思考,计数器读数是均匀增长的吗?,2.2 录像机计数器的用途,经试验,一盘标明180分钟的录像带从头走到尾,时间用了184分,计数器读数从0000变到6061。,录像机计数器的工作原理,录像带运动,问题分析,观察,计数器读数增长越来越慢!,模型假设,录像带的运动速度是常数 v;,计数器读数 n与右轮转数 m成正比,记 m=kn;,录像带厚度(加两圈间空隙)为常数 w;,空右轮盘半径记作 r;,时间 t=0 时读数 n=0.,建模目的,建立时间t与读数n之间的关系,(设v,k,w,r为已知参数),模型建立,建立t与n的函数关系有多种方法,1.右轮盘转第 i 圈的半径为r+w

6、i,m圈的总长度等于录像带在时间t内移动的长度vt,所以,2.考察右轮盘面积的变化,等于录像带厚度乘以转过的长度,即,3.考察t到t+dt录像带在右轮盘缠绕的长度,有,模型建立,思 考,3种建模方法得到同一结果,但仔细推算会发现稍有差别,请解释。,模型中有待定参数,一种确定参数的办法是测量或调查,请设计测量方法。,思 考,参数估计,另一种确定参数的方法测试分析,将模型改记作,只需估计 a,b,理论上,已知t=184,n=6061,再有一组(t,n)数据即可,实际上,由于测试有误差,最好用足够多的数据作拟合,现有一批测试数据:,最小二乘法(大家编程序实现),程序,t=0 20 40 60 80

7、100 120 140 160 184;n=0000 1141 2019 2760 3413 4004 4545 5051 5525 6061;R=(n.2)n;A=Rt,模 型 检 验,应该另外测试一批数据检验模型:,模 型 应 用,回答提出的问题:由模型算得 n=4450 时 t=116.4分,剩下的录像带能录 184-116.4=67.6分钟的节目。,揭示了“t 与 n 之间呈二次函数关系”这一普遍规律,当录像带的状态改变时,只需重新估计 a,b 即可。,问题,双层玻璃窗与同样多材料的单层玻璃窗相比,减少多少热量损失,假设,热量传播只有传导,没有对流,T1,T2不变,热传导过程处于稳态,

8、材料均匀,热传导系数为常数,建模,热传导定律,Q 单位时间单位面积传导的热量,T温差,d材料厚度,k热传导系数,2.3 双层玻璃窗的功效,Ta,Tb,记双层玻璃窗传导的热量Q1,Ta内层玻璃的外侧温度,Tb外层玻璃的内侧温度,建模,记单层玻璃窗传导的热量Q2,双层与单层窗传导的热量之比,k1=410-3 8 10-3,k2=2.510-4,k1/k2=16 32,对Q1比Q2的减少量作最保守的估计,,取k1/k2=16,建模,模型应用,取 h=l/d=4,则 Q1/Q2=0.03,即双层玻璃窗与同样多材料的单层玻璃窗相比,可减少97%的热量损失。,结果分析,Q1/Q2所以如此小,是由于层间空气

9、极低的热传导系数 k2,而这要求空气非常干燥、不流通。,房间通过天花板、墙壁 损失的热量更多。,双层窗的功效不会如此之大,大家画出图形,2.4 汽车刹车距离,美国的某些司机培训课程中的驾驶规则:,背景与问题,正常驾驶条件下,车速每增10英里/小时,后面与前车的距离应增一个车身的长度。,实现这个规则的简便办法是“2秒准则”:,后车司机从前车经过某一标志开始默数 2秒钟后到达同一标志,而不管车速如何,判断“2秒准则”与“车身”规则是否一样;,建立数学模型,寻求更好的驾驶规则。,问题分析,常识:刹车距离与车速有关,10英里/小时(16公里/小时)车速下2秒钟行驶29英尺(9米),车身的平均长度15英

10、尺(=4.6米),“2秒准则”与“10英里/小时加一车身”规则不同,刹车距离,反应时间,司机状况,制动系统灵活性,制动器作用力、车重、车速、道路、气候,最大制动力与车质量成正比,使汽车作匀减速运动。,车速,假 设 与 建 模,1.刹车距离 d 等于反应距离 d1 与制动距离 d2 之和,2.反应距离 d1与车速 v成正比,3.刹车时使用最大制动力F,F作功等于汽车动能的改变;,F d2=m v2/2,F m,t1为反应时间,且F与车的质量m成正比,反应时间 t1的经验估计值为0.75秒,参数估计,利用交通部门提供的一组实际数据拟合 k,模 型,最小二乘法 k=0.06,“2秒准则”应修正为“t

11、 秒准则”,模 型,2.5 划艇比赛的成绩,对四种赛艇(单人、双人、四人、八人)4次国际大赛冠军的成绩进行比较,发现与浆手数有某种关系。试建立数学模型揭示这种关系。,问题,准备,调查赛艇的尺寸和重量,问题分析,前进阻力 浸没部分与水的摩擦力,前进动力 浆手的划浆功率,分析赛艇速度与浆手数量之间的关系,赛艇速度由前进动力和前进阻力决定,对浆手体重、功率、阻力与艇速的关系等作出假定,运用合适的物理定律建立模型,模型假设,1)艇形状相同(l/b为常数),w0与n成正比,2)阻力 f与 sv2成正比,符号:艇速 v,浸没面积 s,浸没体积 A,空艇重 w0,阻力 f,浆手数 n,浆手功率 p,浆手体重 w,艇重 W,艇的静态特性,艇的动态特性,3)w相同,p不变,p与w成正比,浆手的特征,模型建立,f sv2,p w,s1/2 A1/3,A W(=w0+nw)n,np fv,模型检验,利用4次国际大赛冠军的平均成绩对模型 t n 1/9 进行检验,与模型巧合!,

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