数学建模培训初等模型教学课件

数学建模培训初等模型16、云无心以出岫，鸟倦飞而知还。17、童孺纵行歌，斑白欢游诣。18、福不虚至，祸不易来。19、久在樊笼里，复得返自然。20、羁鸟恋旧林，池鱼思故渊。战役役C情况（法情况（法军剩余兵力全部参加剩余兵力全部参加战斗）斗）n123414151617Bri19.018.317.617.013.213.012.812.7Fra14.013.112.111.33.83.12.41.8 最后英军战胜了法军，而且双方伤亡情况与历史事实也很最后英军战胜了法军，而且双方伤亡情况与历史事实也很 相近。当年，英军在战役相近。当年，英军在战役A和战役和战役B中战胜法军，但法军没有增中战胜法军，但法军没有增 援援C，而是选择了撤退，大约有，而是选择了撤退，大约有13艘战舰退回法国海港。艘战舰退回法国海港。点评：数学建模以解决某现实问题为目的，从问题中抽象点评：数学建模以解决某现实问题为目的，从问题中抽象 并归结出来的数学问题。从现象到模型，数学建模必须反映现并归结出来的数学问题。从现象到模型，数学建模必须反映现 实，既然是一种模型，它就不是现实问题的全部复制，常常会实，既然是一种模型，它就不是现实问题的全部复制，常常会 忽略一些次要因素，作一些必要的简化，但本质上必须反映现忽略一些次要因素，作一些必要的简化，但本质上必须反映现 实问题的数量规律。实问题的数量规律。模型模型2：动态系统中的平衡点：动态系统中的平衡点 模型模型2.1：出租车的调配问题：出租车的调配问题 一家出租车公司有出租车一家出租车公司有出租车7000辆，在甲地和乙地各有一家辆，在甲地和乙地各有一家 分支机构，专门负责为旅游公司提供出租车。由于甲地和乙地分支机构，专门负责为旅游公司提供出租车。由于甲地和乙地 距离不远，出租车每天可以往返两地。根据公司统计的历史数距离不远，出租车每天可以往返两地。根据公司统计的历史数 据，每一天甲地的车辆有据，每一天甲地的车辆有60%前往乙地后返回甲地，余下前往乙地后返回甲地，余下40%前往乙地并留在乙地分支机构；而每一天乙地的车辆有前往乙地并留在乙地分支机构；而每一天乙地的车辆有70%前前 往甲地后返回乙地，余下往甲地后返回乙地，余下30%前往甲地并留在甲地分支机构。前往甲地并留在甲地分支机构。现在公司担心出现甲、乙两地车辆分布越来越不平衡的情况，现在公司担心出现甲、乙两地车辆分布越来越不平衡的情况，如果出现，公司就必须考虑是否对甲乙两地车辆进行调配，这如果出现，公司就必须考虑是否对甲乙两地车辆进行调配，这 就需要支付一定的调度费用。就需要支付一定的调度费用。试对上述问题提出决策分析！试对上述问题提出决策分析！甲地甲地乙地乙地40%30%60%70%分析：设分析：设Jn为第为第n天在甲地的出租车数量，天在甲地的出租车数量，Yn为第为第n天在乙天在乙 地的出租车数量，由历史统计规律可知地的出租车数量，由历史统计规律可知 如果存在平衡状态，即如果存在平衡状态，即Jn=Jn1及及 Yn=Yn1，解得，解得 这就说明，甲地分配这就说明，甲地分配3000辆车，乙地分配辆车，乙地分配4000辆车，则此辆车，则此 后两地车辆数目不变，即达到平衡状态。（如表后两地车辆数目不变，即达到平衡状态。（如表1）n1234.n.甲地甲地3000300030003000.3000.乙地乙地4000400040004000.4000.表表1 进一步分析：如果甲地、乙地的车辆不是进一步分析：如果甲地、乙地的车辆不是3000和和4000时，时，甲地和乙地的车辆数量则每天都在变动，是否会出现不平衡，甲地和乙地的车辆数量则每天都在变动，是否会出现不平衡，是否需要进行调配？是否需要进行调配？n01234567甲地甲地70004200336031083032.43009.723002.916 3000.875乙地乙地02800364038923967.63990.283997.084 3999.125表表2 车辆数量模拟（一）车辆数量模拟（一）n01234567甲地甲地50003600318030543016.23004.863001.458 3000.437乙地乙地20003400382039463983.83995.143998.542 3999.563表表3 车辆数量模拟（二）车辆数量模拟（二）n01234567甲地甲地20002700291029732991.92997.572999.271 2999.781乙地乙地50004300409040274008.14002.434000.729 4000.219表表4 车辆数量模拟（三）车辆数量模拟（三）n01234567甲地甲地02100273029192975.72992.712997.813 2999.344乙地乙地70004900427040814024.34007.294002.187 4000.656表表5 车辆数量模拟（四）车辆数量模拟（四）经过模拟（表经过模拟（表2表表5），可以知道无论车辆如何分配，经），可以知道无论车辆如何分配，经 过有限天数后，最终都将达到平衡状态。过有限天数后，最终都将达到平衡状态。Jn的极限是的极限是3000，Yn的极限是的极限是4000。其中，（。其中，（J，Y）=（3000，4000）为该）为该 动态系统的平衡点，而且是稳定的平衡点（不动电）！动态系统的平衡点，而且是稳定的平衡点（不动电）！点评：上述问题，如果没有进一步分析就略显平庸！数学点评：上述问题，如果没有进一步分析就略显平庸！数学 建模是一个迭代的过程，是一个螺旋上升的过程，通过不断的建模是一个迭代的过程，是一个螺旋上升的过程，通过不断的 迭代、不断的修正，最终得到更好、更接近现实情况的结果！迭代、不断的修正，最终得到更好、更接近现实情况的结果！模型模型2.2：竞争的捕食者模型：竞争的捕食者模型 在非洲，有一个地方栖息着一种特别的斑点猫头鹰。它们在非洲，有一个地方栖息着一种特别的斑点猫头鹰。它们 在那儿跟老鹰同处于食物链的最高层，本应无忧无虑，但是由在那儿跟老鹰同处于食物链的最高层，本应无忧无虑，但是由 于它们的捕食对象相同、相互竞争，因此随时有种群灭绝的危于它们的捕食对象相同、相互竞争，因此随时有种群灭绝的危 险。险。试建立数学模型研究它们数量之间的关系！试建立数学模型研究它们数量之间的关系！分析：首先，假定一个种群的数量增加跟其自身数量成正分析：首先，假定一个种群的数量增加跟其自身数量成正 比，则在不考虑死亡的情况下。比，则在不考虑死亡的情况下。令令On代表斑点猫头鹰第代表斑点猫头鹰第n天的数量，天的数量，Tn代表老鹰第第代表老鹰第第n天的天的 数量，则有数量，则有 斑点猫头鹰的增加量为斑点猫头鹰的增加量为 老鹰的增加量为老鹰的增加量为 现在考虑种群的死亡问题，由于它们是那个地区的霸主，现在考虑种群的死亡问题，由于它们是那个地区的霸主，倒不担心被别的动物吞食。它们的死亡主要由于缺乏食物造倒不担心被别的动物吞食。它们的死亡主要由于缺乏食物造 成。这里假定一个种群数量的减少跟它的数量与其竞争对手数成。这里假定一个种群数量的减少跟它的数量与其竞争对手数 量的乘积成正比，则有量的乘积成正比，则有 斑点猫头鹰的变化量为斑点猫头鹰的变化量为 老鹰的变化量为老鹰的变化量为 则该动态系统的状态转移方程为则该动态系统的状态转移方程为 现在，取现在，取k1=0.2、k2=0.3、k3=0.001、k4=0.002，解得平衡，解得平衡 点（点（O，T）=（150，200）或（）或（0，0）【舍去】）【舍去】进一步分析：考查该动态系统平衡点的稳定性。进一步分析：考查该动态系统平衡点的稳定性。现在考虑以下四种初始情况下斑点猫头鹰和老鹰的变化。现在考虑以下四种初始情况下斑点猫头鹰和老鹰的变化。情况情况1情况情况2情况情况3情况情况4斑点猫头鹰斑点猫头鹰15015114910老鹰老鹰20019920110 下面四个图分别对应四种情况。下面四个图分别对应四种情况。情况情况1：两个种群数量始终：两个种群数量始终 保持不变，永远相互共存下去。保持不变，永远相互共存下去。但这仅仅是最理想化的情况。但这仅仅是最理想化的情况。天数天数数量数量200150老鹰老鹰斑点猫头鹰斑点猫头鹰 情况情况2：斑点猫头鹰成为胜利：斑点猫头鹰成为胜利 者，老鹰最后灭绝了。尽管斑点者，老鹰最后灭绝了。尽管斑点 猫头鹰的数量仅比情况猫头鹰的数量仅比情况1多一只，多一只，老鹰的数量比情况老鹰的数量比情况1少一只，老鹰少一只，老鹰 种群在争夺食物的大战中不敌对种群在争夺食物的大战中不敌对 手，甚至灭绝。手，甚至灭绝。天数天数数量数量199151老鹰老鹰斑点猫头鹰斑点猫头鹰 情况情况3：老鹰成为胜利者，斑：老鹰成为胜利者，斑 点猫头鹰最后灭绝了。尽管斑点点猫头鹰最后灭绝了。尽管斑点 猫头鹰的数量仅比情况猫头鹰的数量仅比情况1少一只，少一只，老鹰的数量比情况老鹰的数量比情况1多一只，老鹰多一只，老鹰 种群在争夺食物的大战中成为胜种群在争夺食物的大战中成为胜 利者，斑点猫头鹰惨遭灭绝。利者，斑点猫头鹰惨遭灭绝。天数天数数量数量201149老鹰老鹰斑点猫头鹰斑点猫头鹰 情况情况4：老鹰仍然成为胜利者，：老鹰仍然成为胜利者，斑点猫头鹰最后还是灭绝了。与斑点猫头鹰最后还是灭绝了。与 前面三种情况相比，两个种群的前面三种情况相比，两个种群的 初始数量相同，可以说是站在同初始数量相同，可以说是站在同 一条起跑线上。但是，老鹰种群一条起跑线上。但是，老鹰种群 以绝对的优势赢得胜利，而斑点以绝对的优势赢得胜利，而斑点 猫头鹰种群惨遭灭绝。猫头鹰种群惨遭灭绝。天数天数数量数量10老鹰老鹰斑点猫头鹰斑点猫头鹰 情况情况1是最理想化的情况。情况是最理想化的情况。情况2和情况和情况3表明，即使系统只表明，即使系统只 有细微偏差，但最后结果却截然不同。情况有细微偏差，但最后结果却截然不同。情况1、情况、情况2和情况和情况3尽尽 管在初始数量相差不多，但最终结果相差悬殊。管在初始数量相差不多，但最终结果相差悬殊。模型评价：综合上述讨论，可以看出竞争捕食者模型是一模型评价：综合上述讨论，可以看出竞争捕食者模型是一 个对初始值非常敏感的模型。平衡点（个对初始值非常敏感的模型。平衡点（150，200）是一个不稳）是一个不稳 定的平衡点，即使初值非常接近它，最后发展的结果始终不能定的平衡点，即使初值非常接近它，最后发展的结果始终不能 达到这个平衡点，甚至偏离很远。要得到更好的分析结果，必达到这个平衡点，甚至偏离很远。要得到更好的分析结果，必 须修正原来的假设，添加更多的因素，考虑用更好的建模方法。须修正原来的假设，添加更多的因素，考虑用更好的建模方法。月份月份1 12 23 34 45 56 67 78 89 91010111112121313幼兔幼兔101123581321345589成年兔成年兔01123581321345589144兔子数（对）兔子数（对）1123581321345589144233幼兔比率幼兔比率1.0 0.0 0.5 0.33333 0.40000 0.37500 0.38462 0.38095 0.38235 0.38182 0.38202 0.38194 0.38197 成兔比率成兔比率0.0 1.0 0.5 0.66667 0.60000 0.62500 0.61538 0.61905 0.61765 0.61818 0.61798 0.61806 0.61803 练习：兔子的繁殖问题。练习：兔子的繁殖问题。由一对幼兔开始，一年后可以繁殖多少对兔子？假设兔子由一对幼兔开始，一年后可以繁殖多少对兔子？假设兔子 的生殖能力是这样的：每一对兔子每一个月可以生一对兔子，的生殖能力是这样的：每一对兔子每一个月可以生一对兔子，并且兔子在出生满一个月以后就具有生殖能力。并且兔子在出生满一个月以后就具有生殖能力。试用数学建模的方法来讨论上述问题，并分析兔群的增长试用数学建模的方法来讨论上述问题，并分析兔群的增长 规律。规律。二、图解法建模二、图解法建模 图象分析是一种十分直观的数学方法，在简单的定性分析图象分析是一种十分直观的数学方法，在简单的定性分析 中很实用。难以量化的研究对象，不容易用解析法处理，这时中很实用。难以量化的研究对象，不容易用解析法处理，这时 可以根据数与形的关系，利用图象中曲线的关系推断结论，借可以根据数与形的关系，利用图象中曲线的关系推断结论，借 助图象来描述研究对象。图解法可以取得一目了然的效果，但助图象来描述研究对象。图解法可以取得一目了然的效果，但 也有自身的缺点（例如，量化不彻底，不易表示三个以上变量也有自身的缺点（例如，量化不彻底，不易表示三个以上变量 之间的关系，要深入研究还要利用其他的数学工具，比如概率之间的关系，要深入研究还要利用其他的数学工具，比如概率 统计、线性规划等）。统计、线性规划等）。模型：核军备竞赛模型：核军备竞赛 【资料】二十世纪六七十年代的冷战时期，美苏实行所谓【资料】二十世纪六七十年代的冷战时期，美苏实行所谓 核威慑战略，核军备竞赛不断升级。随着前苏联的解体和冷战核威慑战略，核军备竞赛不断升级。随着前苏联的解体和冷战 的结束，双方通过了一系列的核裁军协议，的结束，双方通过了一系列的核裁军协议，2001年年7月美俄两月美俄两 国总统同意进行进一步裁减核武器，俄罗斯总统普京建议两国国总统同意进行进一步裁减核武器，俄罗斯总统普京建议两国 各自裁减各自裁减1500枚战略核武器。枚战略核武器。蘑菇云蘑菇云二战中美国投放日本长崎的原子弹二战中美国投放日本长崎的原子弹“胖子胖子”世界核武器分布图世界核武器分布图核武器核武器（nuclear weapon）利用能自持进行核裂变或聚变反应释放的能量，产生爆炸利用能自持进行核裂变或聚变反应释放的能量，产生爆炸 作用，并具有大规模杀伤破坏效应的武器的总称。其中主要利作用，并具有大规模杀伤破坏效应的武器的总称。其中主要利 用铀用铀235(U-235)或钚或钚239(239Pu)等重原子核的裂变链式反应原等重原子核的裂变链式反应原 理制成的裂变武器理制成的裂变武器,通常称为原子弹通常称为原子弹;主要利用重氢主要利用重氢(D，氘，氘 do)或超重氢或超重氢(T，氚，氚 chun)等轻原子核的热核反应原理制成的热等轻原子核的热核反应原理制成的热 核武器或聚变武器，通常称为氢弹。核武器或聚变武器，通常称为氢弹。在什么情况下双方的核军备精神才不会无限扩张而存在暂在什么情况下双方的核军备精神才不会无限扩张而存在暂 时的平衡状态，处于这种平衡状态下双方拥有最少的核武器数时的平衡状态，处于这种平衡状态下双方拥有最少的核武器数 量是多大，这个数量受哪些因素影响，当一方采取诸如加强防量是多大，这个数量受哪些因素影响，当一方采取诸如加强防 御、提高武器精度、发展多弹头导弹等措施时，平衡状态会发御、提高武器精度、发展多弹头导弹等措施时，平衡状态会发 生什么变化？生什么变化？试建立数学模型，在给核威慑战略做出一些合理、简化的试建立数学模型，在给核威慑战略做出一些合理、简化的 假设下，定性的分析、回答上述问题。假设下，定性的分析、回答上述问题。模型分析：核军备竞赛的基本想法是当自己在遭到对发的模型分析：核军备竞赛的基本想法是当自己在遭到对发的 突然袭击后能有足够的核武器幸存下来，以便给予对方突然袭击后能有足够的核武器幸存下来，以便给予对方“致命致命 打击打击”。核军备竞赛的方法有：核军备竞赛的方法有：（1）努力增加自己的核武器。从数量上压倒对方，但这）努力增加自己的核武器。从数量上压倒对方，但这 样作战下去双方都感到负担过重。样作战下去双方都感到负担过重。（2）引进多弹道导弹和多弹头导弹。）引进多弹道导弹和多弹头导弹。（3）加固导弹库或者建造核潜艇来保护导弹，使之不易）加固导弹库或者建造核潜艇来保护导弹，使之不易 受到攻击。受到攻击。模型假设：以双方的（战略）核导弹数量为对象，描述双模型假设：以双方的（战略）核导弹数量为对象，描述双 方核军备的大小，假定双方采取如下同样的核威慑战略。方核军备的大小，假定双方采取如下同样的核威慑战略。（1）认为对方可能发起所谓第一次核打击，即倾其全部）认为对方可能发起所谓第一次核打击，即倾其全部 核导弹攻击己方的核导弹基地。核导弹攻击己方的核导弹基地。（2）己方在经受第一次核打击后，应保存有足够的核导）己方在经受第一次核打击后，应保存有足够的核导 弹，给对方以毁灭性的打击（工业、交通中心等）。弹，给对方以毁灭性的打击（工业、交通中心等）。（3）在任一方实施第一次核打击时，假定一枚核导弹只）在任一方实施第一次核打击时，假定一枚核导弹只 能攻击对方的一个核导弹基地，且摧毁这个基地的可能性是常能攻击对方的一个核导弹基地，且摧毁这个基地的可能性是常 数，它由一方的攻击精度和另一方的防御能力说决定。数，它由一方的攻击精度和另一方的防御能力说决定。（4）假定双方拥有的核导弹相同，具备相同的攻击精度）假定双方拥有的核导弹相同，具备相同的攻击精度 和防御能力。和防御能力。模型建立：（图的模型）模型建立：（图的模型）记记y=f(x)为甲方拥有为甲方拥有x枚核导弹时，乙方采取核威慑战略所枚核导弹时，乙方采取核威慑战略所 需的最小核导弹数，需的最小核导弹数，x=g(y)为乙方拥有为乙方拥有y枚核导弹时，甲方采枚核导弹时，甲方采 取核威慑战略所需的最小核导弹数。取核威慑战略所需的最小核导弹数。对于对于y=f(x)，当，当x=0时时y=y0，y0是甲方在实施第一次核打击是甲方在实施第一次核打击 后已经没有核导弹时，乙方对甲方以毁灭性打击所需的核导弹后已经没有核导弹时，乙方对甲方以毁灭性打击所需的核导弹 数，简称乙方的数，简称乙方的威慑值威慑值；对于；对于x=g(y)，当，当y=0时时x=x0，x0是乙方是乙方 在实施第一次核打击后已经没有核导弹时，甲方对乙方以毁灭在实施第一次核打击后已经没有核导弹时，甲方对乙方以毁灭 性打击所需的核导弹数，简称甲方的性打击所需的核导弹数，简称甲方的威慑值威慑值。根据根据y=f(x)的定义，当的定义，当yf(x)时乙方是安全的（在核威慑战时乙方是安全的（在核威慑战 略意义下），不妨称该区域为乙安全区，曲线略意义下），不妨称该区域为乙安全区，曲线y=f(x)为乙安全为乙安全 线。类似的，线。类似的，xg(y)的区域为甲安全区，的区域为甲安全区，x=g(y)为甲安全线。为甲安全线。两个安全区的公共部分即为双方安全区，是核军备竞赛的稳定两个安全区的公共部分即为双方安全区，是核军备竞赛的稳定 区域。两条安全线的交点区域。两条安全线的交点P(xm，ym)是核军备竞赛的平衡点，是核军备竞赛的平衡点，xm 和和ym则为稳定状态下甲乙双方分别拥有的最小核导弹数。则为稳定状态下甲乙双方分别拥有的最小核导弹数。平衡点如何达到的呢？（如图平衡点如何达到的呢？（如图1-1、1-2）xyx0y0甲安全区甲安全区乙安全区乙安全区双方安全区双方安全区y=f(x)x=g(y)P(xm，ym)图图1-1xyx0y0甲安全区甲安全区乙安全区乙安全区双方安全区双方安全区y=f(x)x=g(y)P(xm，ym)图图1-2x1y1 不妨假设甲方最初只有不妨假设甲方最初只有x0枚核导弹（威慑值），乙方为了枚核导弹（威慑值），乙方为了 自己的安全至少要拥有自己的安全至少要拥有y1枚核导弹；而甲方为了安全需要将核枚核导弹；而甲方为了安全需要将核 导弹数量增加到导弹数量增加到x1，如此循环下去，双方的核导弹数量就会趋，如此循环下去，双方的核导弹数量就会趋 向向xm和和ym。模型的精细化：现实中，平衡点模型的精细化：现实中，平衡点P(xm，ym)并不是固定的，并不是固定的，如果一方使用加固导弹库、反弹道导弹或其它手段，两条安全如果一方使用加固导弹库、反弹道导弹或其它手段，两条安全 线和稳定点将发生变化。线和稳定点将发生变化。xyx0y0y=f(x)x=g(y)P(xm，ym)图图2-1 情况情况1：若甲方加强防御能：若甲方加强防御能 力，则乙方的威慑值力，则乙方的威慑值y0将变大，将变大，其它因素不变，那么乙安全线其它因素不变，那么乙安全线 y=f(x)的上移会使平衡点变为的上移会使平衡点变为 ，显然，显然 说明虽然甲方的防御是被动说明虽然甲方的防御是被动 的，但也会使双方的核军备竞赛的，但也会使双方的核军备竞赛 升级。（如图升级。（如图2-1）xyx0y0y=f(x)x=g(y)P(xm，ym)图图2-2 乙方仿效甲方做法，同样乙方仿效甲方做法，同样 加强防御能力，则甲方的威慑加强防御能力，则甲方的威慑 值值x0也将变大，那么甲安全线也将变大，那么甲安全线 y=f(x)的右移会使平衡点变为的右移会使平衡点变为 ，显然，显然 说明双方的被动防御，使说明双方的被动防御，使 双方的核军备竞赛进一步升级。双方的核军备竞赛进一步升级。（如图（如图2-2）情况情况2：若甲方改进核导弹机动性（固定发射改进为移动发：若甲方改进核导弹机动性（固定发射改进为移动发 射），则甲方的残存率增大，于是射），则甲方的残存率增大，于是x减少，甲安全线减少，甲安全线x=g(y)向向y 轴靠近（如图轴靠近（如图3-1、3-2），平衡点变为），平衡点变为 ，显然，显然 说明甲方的这种单独行为，使双方的核导弹数量有所减少。说明甲方的这种单独行为，使双方的核导弹数量有所减少。xyx0y0y=f(x)x=g(y)P(xm，ym)图图3-1xyx0y0y=f(x)x=g(y)P(xm，ym)图图3-2 同时，乙方也改进核导弹机动性，则乙方的残存率也增大，同时，乙方也改进核导弹机动性，则乙方的残存率也增大，于是于是y减少，乙安全线减少，乙安全线y=f(x)向向x轴靠近（如图轴靠近（如图3-3、3-4），平衡），平衡 点变为点变为 ，显然，显然 说明双方的这种行为，使双方的核导弹数量进一步减少。说明双方的这种行为，使双方的核导弹数量进一步减少。xyx0y0y=f(x)x=g(y)P(xm，ym)图图3-3xyx0y0y=f(x)x=g(y)P(xm，ym)图图3-4 情况情况3：若双方都发展多弹：若双方都发展多弹 头导弹，每个弹头可以独立的头导弹，每个弹头可以独立的 摧毁目标，则双方的威慑值摧毁目标，则双方的威慑值x0、y0均减少，双方安全线有类似变均减少，双方安全线有类似变 化，二者的综合影响则可能使平化，二者的综合影响则可能使平 衡点变为衡点变为 或或 ，究竟会使双方的核导弹增加还是究竟会使双方的核导弹增加还是 减少，需要更多信息及更详细的减少，需要更多信息及更详细的 分析。（如图分析。（如图4）xyx0y0y=f(x)x=g(y)P(xm，ym)图图4 点评：核军备竞赛问题初看起来似乎与数学无缘，但是如果点评：核军备竞赛问题初看起来似乎与数学无缘，但是如果把所谓核威慑战略作一些合理、简化的假设，就能够用一个简单的把所谓核威慑战略作一些合理、简化的假设，就能够用一个简单的图的模型，来描述双方核武器数量相互制约、达到平衡的过程，并图的模型，来描述双方核武器数量相互制约、达到平衡的过程，并由此对核军备竞赛中的一些现象作出解释，这种定性分析的建模方由此对核军备竞赛中的一些现象作出解释，这种定性分析的建模方法是值得借鉴的。法是值得借鉴的。练习：核军备竞赛模型中，讨论以下因素引起的平衡点变练习：核军备竞赛模型中，讨论以下因素引起的平衡点变 化。化。（1）甲方提高导弹导航系统的性能。）甲方提高导弹导航系统的性能。（2）甲方增加导弹爆破的威力。）甲方增加导弹爆破的威力。（3）甲方发展电子干扰系统。）甲方发展电子干扰系统。（4）双方建立反导弹系统。）双方建立反导弹系统。三、比例、类比关系建模三、比例、类比关系建模 比例是最基本、最初等的数学概念之一，很多实际对象蕴比例是最基本、最初等的数学概念之一，很多实际对象蕴 含着比例关系。含着比例关系。通常，如果通常，如果y与与x成正比，可以记为成正比，可以记为yx或者或者y=kx（其中（其中k称称 为比例因子）等等。为比例因子）等等。例如，一个均匀物体的重量例如，一个均匀物体的重量M和它的体积和它的体积V成正比，成正比，M V；对于形状相似的物体，它的表面积；对于形状相似的物体，它的表面积S和它的特征长度和它的特征长度L2 成正比，成正比，S L2，它的体积，它的体积V和特征长度和特征长度L3成正比，成正比，V L3，则它的体积则它的体积V和表面积和表面积S的比例关系为的比例关系为 利用这种关系转换，可以简单的构造有关问题的轮廓模型。利用这种关系转换，可以简单的构造有关问题的轮廓模型。类比分析建模方法就是根据两个（或者两类）系统某些属性或类比分析建模方法就是根据两个（或者两类）系统某些属性或 关系的相似性去猜测两者的其它属性或关系。其中，物理系统关系的相似性去猜测两者的其它属性或关系。其中，物理系统 的类比分析使用已经很广泛，例如人的肌肉跟弹簧的类比等。的类比分析使用已经很广泛，例如人的肌肉跟弹簧的类比等。模型一：如何估计动物的体重模型一：如何估计动物的体重 问题的提出：生猪收购站或屠宰场的工作人员都希望能从问题的提出：生猪收购站或屠宰场的工作人员都希望能从 生猪的身长估计出它的体重，以便提高工作效率。因此研究四生猪的身长估计出它的体重，以便提高工作效率。因此研究四 足动物躯干（不含头尾）的长度与它的体重的关系有着现实的足动物躯干（不含头尾）的长度与它的体重的关系有着现实的 意义。意义。分析：动物的生理构造因种类不同而异，如果陷入生物学分析：动物的生理构造因种类不同而异，如果陷入生物学 复杂生理结构的研究，将很难得到满足上述目的的有使用价值复杂生理结构的研究，将很难得到满足上述目的的有使用价值 的模型。因此为简化起见，我们仅在十分粗略的假设基础上，的模型。因此为简化起见，我们仅在十分粗略的假设基础上，利用类比的方法，借助力学弹性梁理论的某些结果，建立四足利用类比的方法，借助力学弹性梁理论的某些结果，建立四足 动物身长和体重的比例关系，从而可以根据猪的长度大约估计动物身长和体重的比例关系，从而可以根据猪的长度大约估计 出猪的体重。出猪的体重。模型的应用：利用这个结果，对于某一种四足动物，比如模型的应用：利用这个结果，对于某一种四足动物，比如 生猪、羊、牛等，就可根据大量试验，从统计数据中找出这个生猪、羊、牛等，就可根据大量试验，从统计数据中找出这个 比例常数，从它的躯体长度估算出它的体重。比例常数，从它的躯体长度估算出它的体重。模型二：划艇比赛的成绩模型二：划艇比赛的成绩 划艇是一种靠浆手划桨前进的小船，分单人艇、双人艇、划艇是一种靠浆手划桨前进的小船，分单人艇、双人艇、四人艇、八人艇四种。各种艇虽大小不同，但形状相似。现比四人艇、八人艇四种。各种艇虽大小不同，但形状相似。现比 较各种划艇较各种划艇1964-1970年年4次次2000m比赛的最好成绩（包括比赛的最好成绩（包括1964 年和年和1968年的两次奥运会和两次世锦赛），发现他们之间有相年的两次奥运会和两次世锦赛），发现他们之间有相 当一致的差别，似乎成绩与浆手数量之间存在某种联系，试建当一致的差别，似乎成绩与浆手数量之间存在某种联系，试建 立数学模型来解释这种关系。立数学模型来解释这种关系。艇种艇种2000m成绩成绩t（min）艇长艇长l（m）艇宽艇宽b（m）l/b艇重艇重/浆浆手数手数1234平均平均单人单人7.167.257.287.177.217.930.29327.016.3双人双人6.876.926.956.776.889.760.35627.413.6四人四人6.336.426.486.136.3211.750.57421.018.1八人八人5.875.925.825.735.8418.280.61030.014.7 模型分析：在这个问题中，由于划艇的速度、阻力、浆手模型分析：在这个问题中，由于划艇的速度、阻力、浆手 的输出功率等变量之间的精确关系不易找出，各时刻划艇的绝的输出功率等变量之间的精确关系不易找出，各时刻划艇的绝 对速度也很难得到，建立精确的模型来描述划艇的运动是困难对速度也很难得到，建立精确的模型来描述划艇的运动是困难 的，而我们现在关心的只是划完全程的时间，因此我们可以在的，而我们现在关心的只是划完全程的时间，因此我们可以在 不太精确的假设下用比例分析的方法组建模型来描述它。不太精确的假设下用比例分析的方法组建模型来描述它。根据表中数据，可以看出，浆手数根据表中数据，可以看出，浆手数n增加时，艇的尺寸增加时，艇的尺寸l、b 及艇重及艇重w0都随之增加，但比值都随之增加，但比值l/b和和w0/n变化不大。若假设变化不大。若假设l/b是是 常数，即各种艇的形状相同，则可得到艇浸没面积和排水体积常数，即各种艇的形状相同，则可得到艇浸没面积和排水体积 之间的关系。若假定之间的关系。若假定w0/n是常数，则可得到艇和浆手总重量与是常数，则可得到艇和浆手总重量与 浆手数之间的关系。此外还需对浆手体重、划桨功率、阻力与浆手数之间的关系。此外还需对浆手体重、划桨功率、阻力与 艇速的关系等方面作出简化且合理的假定，才能运用合适的物艇速的关系等方面作出简化且合理的假定，才能运用合适的物 理定律建立需要的模型。理定律建立需要的模型。模型假设：模型假设：（1）艇速）艇速v是常数，根据流体力学，所受阻力是常数，根据流体力学，所受阻力f与浸没部分与浸没部分 表面积表面积s成正比，与成正比，与v2成正比。成正比。（2）各种艇的规格相同，）各种艇的规格相同，l/b是常数；艇重是常数；艇重w0 与浆手数与浆手数n成成 正比。正比。（3）所有浆手的体重）所有浆手的体重w都相同；在比赛中每个浆手的输出都相同；在比赛中每个浆手的输出 功率功率p保持不变，且保持不变，且p 与与w成正比（成正比（p 与肌肉体积、肺体积成正与肌肉体积、肺体积成正 比，对于身材匀称的运动员，肌肉、肺的体积与比，对于身材匀称的运动员，肌肉、肺的体积与w成正比）。成正比）。符号说明：符号说明：v：艇速：艇速 f：艇在前进中受水的阻力：艇在前进中受水的阻力 s：艇浸没部分的表面积：艇浸没部分的表面积 l：艇长：艇长 b：艇宽：艇宽 w0：艇重：艇重 w：浆手的体重：浆手的体重 V：艇的排水体积：艇的排水体积 W：艇和浆手的总重量：艇和浆手的总重量 p：浆手的输出功率：浆手的输出功率 t：划艇的比赛时间：划艇的比赛时间 模型构成：有模型构成：有n名浆手的艇的总功率名浆手的艇的总功率np与阻力与阻力f和速度和速度v的乘的乘 积成正比，即积成正比，即 由假设（由假设（1）、（）、（3）因此因此 由假设（由假设（2），艇的排水体积），艇的排水体积V与浸没面积与浸没面积s的关系是的关系是 又根据艇重艇重又根据艇重艇重w0与浆手数与浆手数n成正比，所以艇和浆手的总重成正比，所以艇和浆手的总重 量量W=w0+nw也与也与n成正比，即成正比，即 而由阿基米德定律，艇的排水体积而由阿基米德定律，艇的排水体积V与总重量与总重量W成正比，即成正比，即 故故 所以，所以，因为比赛成绩因为比赛成绩t（时间）与艇速（时间）与艇速v成反比，于是成反比，于是 这就是根据模型假设和几条物理规律得到的划艇比赛成绩这就是根据模型假设和几条物理规律得到的划艇比赛成绩 与浆手数量之间的关系。与浆手数量之间的关系。模型检验：为了检验上述关系，令模型检验：为了检验上述关系，令 利用数据拟合（最小二乘法、计算机拟合），得到利用数据拟合（最小二乘法、计算机拟合），得到 模型评价：这个模型建立在一些不太精确的假设基础上，模型评价：这个模型建立在一些不太精确的假设基础上，因为我们只关心各种艇之间的相对速度，所以数学工具只用到因为我们只关心各种艇之间的相对速度，所以数学工具只用到 了比例方法。用这种方法建模虽然不能得到关于艇速的完整的了比例方法。用这种方法建模虽然不能得到关于艇速的完整的 表达式，但对于我们的建模目的来说已经足够了。最后结果与表达式，但对于我们的建模目的来说已经足够了。最后结果与 实际数据吻合的如此只好，恐怕有很大巧合的成分。实际数据吻合的如此只好，恐怕有很大巧合的成分。练习：毛毛细雨和倾盆大雨落在手上的感觉截然不同，即练习：毛毛细雨和倾盆大雨落在手上的感觉截然不同，即 速度不同。试利用类比的方法讨论雨点速度与质量的关系模型。速度不同。试利用类比的方法讨论雨点速度与质量的关系模型。模型三：商品包装的规律模型三：商品包装的规律 我们知道许多商品都是包装出售的，同一种商品的包装也我们知道许多商品都是包装出售的，同一种商品的包装也 有大小不同的规格。而且我们也注意到，同一种商品大包装的有大小不同的规格。而且我们也注意到，同一种商品大包装的 单位价格比小包装的单位价格低。单位价格比小包装的单位价格低。试建立数学模型，分析商品包装的内在规律。试建立数学模型，分析商品包装的内在规律。模型假设：面对错综复杂的生产过程和包装形式，为简化模型假设：面对错综复杂的生产过程和包装形式，为简化 问题的讨论，现给出如下假设问题的讨论，现给出如下假设 （1）商品的生产和包装的工作效率是固定不变的。）商品的生产和包装的工作效率是固定不变的。（2）商品包装的成本只由包装的劳动力投入和包装材料的）商品包装的成本只由包装的劳动力投入和包装材料的 成本构成。成本构成。（3）商品包装的形状是相似的，包装材料相似。）商品包装的形状是相似的，包装材料相似。符号说明：符号说明：a：生产一件商品的成本：生产一件商品的成本 b：包装一件商品的成本（：包装一件商品的成本（b1、b2分别表示劳动力和包装材分别表示劳动力和包装材 料的成本）料的成本）w：每件商品的重量：每件商品的重量 s：每件商品的表面积：每件商品的表面积 v：每件商品的体积：每件商品的体积 c：每件商品的单位成本：每件商品的单位成本 模型构成：由假设（模型构成：由假设（1），我们可以认为商品的生产成本），我们可以认为商品的生产成本a 正比于商品的货物量正比于商品的货物量w，即，即 显然，包装的劳动力成本显然，包装的劳动力成本b1正比于商品的货物量，即正比于商品的货物量，即 由假设（由假设（3）商品包装材料的成本）商品包装材料的成本b2正比于货物的表面积正比于货物的表面积s，而商品的表面积而商品的表面积s与体积有如下的比率关系与体积有如下的比率关系 商品的体积又正比于货物量，于是我们有商品的体积又正比于货物量，于是我们有 每件商品的单位成本每件商品的单位成本c为为 这就是包装货物量为这就是包装货物量为w时单位商品总成本时单位商品总成本c的数学模型！的数学模型！不难看出，不难看出，c是是w的减函数，表明当包装增大时每件商品的的减函数，表明当包装增大时每件商品的 单位成本将下降，这与我们平时的生活经验是一致的。单位成本将下降，这与我们平时的生活经验是一致的。如果这个模型只是告诉我们上面的事实，它就显得十分平庸，如果这个模型只是告诉我们上面的事实，它就显得十分平庸，因为它没有超出我们经验上的认识。仅这一点，这个模型的价值就因为它没有超出我们经验上的认识。仅这一点，这个模型的价值就很有限。我们看能否从模型得出其它更深入的结论？很有限。我们看能否从模型得出其它更深入的结论？我们从定性分析的角度进一步讨论模型的性质。我们从定性分析的角度进一步讨论模型的性质。我们看商品单位成本我们看商品单位成本c随货物量随货物量w增加的下降速率增加的下降速率 它也是货物量它也是货物量w的减函数，表明当包装比较大时商品单位的减函数，表明当包装比较大时商品单位 成本的降低越来越慢。成本的降低越来越慢。因此，当我们购买商品时，并不一定是越大的包装越合算。因此，当我们购买商品时，并不一定是越大的包装越合算。一般人不一定了解这一点！一般人不一定了解这一点！四、其它的初等模型四、其它的初等模型 模型一：模型一：双层玻璃的功效问题双层玻璃的功效问题 北方城镇的窗户玻璃是双层的北方城镇的窗户玻璃是双层的,这样做主要是为室内保温目这样做主要是为室内保温目 的的,试用数学建模的方法给出双层玻璃能减少热量损失的定量分试用数学建模的方法给出双层玻璃能减少热量损失的定量分 析结果。析结果。分析：本问题与热量的传播形式、温度有关。热量传播的分析：本问题与热量的传播形式、温度有关。热量传播的 途径有传导、对流、辐射。途径有传导、对流、辐射。检索有关的资料得到与热量传播有关的一个结果，它就是检索有关的资料得到与热量传播有关的一个结果，它就是 热传导物理定律：热传导物理定律：厚度为厚度为d的均匀介质，两侧温度差为的均匀介质，两侧温度差为T，则，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，与T成正比，与成正比，与d成反比，即成反比，即:Q=kT/d k为热传导系数。为热传导系数。模型二：公平席位的分配模型二：公平席位的分配 三个系学生共三个系学生共200名（甲系名（甲系100，乙系，乙系60，丙系，丙系40），代表），代表 会议共会议共20席，按比例分配，三个系分别为席，按比例分配，三个系分别为10、6、4席。现因学席。现因学 生转系，三系人数为生转系，三系人数为103、63、34，问，问20席如何分配？席如何分配？若增加为若增加为21席，又如何分配？席，又如何分配？系别系别学生人数学生人数学生人数的比例学生人数的比例2020系的分配系的分配2121席的分配席的分配比例分配的席位比例分配的席位参照惯例的结果参照惯例的结果比例分配的席位比例分配的席位参照惯例的结果参照惯例的结果甲甲10310351.5%51.5%10.310.3101010.815 10.815 1111乙乙636331.5%31.5%6.36.36 66.615 6.615 7 7丙丙343417.0%17.0%3.43.44 43.570 3.570 3 3总和总和200200100.0%100.0%2020202021212121 模型三：雨中行走的数学模型模型三：雨中行走的数学模型 一个雨天，你有急事需要从家中到学校去。学校离家仅一个雨天，你有急事需要从家中到学校去。学校离家仅 1000m，而且情况紧急，你不准备花时间去翻找雨具，决定碰，而且情况紧急，你不准备花时间去翻找雨具，决定碰 一下运气，顶着雨去学校。如果刚刚出发雨就下起来了，但你一下运气，顶着雨去学校。如果刚刚出发雨就下起来了，但你 也不再打算回去了。一路上，你将被雨水淋湿。一个似乎很简也不再打算回去了。一路上，你将被雨水淋湿。一个似乎很简 单的事实是你应该在雨中尽可能的快走，以减少淋雨的时间和单的事实是你应该在雨中尽可能的快走，以减少淋雨的时间和 淋雨量，事实是不是总是如此呢？淋雨量，事实是不是总是如此呢？试组建数学模型来探讨雨中行走的测略，以尽量减少淋雨试组建数学模型来探讨雨中行走的测略，以尽量减少淋雨 量。量。结论：结论：1、如果雨是迎着你前进的方向向你落下，这时的策略很简、如果雨是迎着你前进的方向向你落下，这时的策略很简 单，应该以最大的速度向前跑。单，应该以最大的速度向前跑。2、如果雨是从你的背后落下，这时你应该控制你在雨中的、如果雨是从你的背后落下，这时你应该控制你在雨中的 行走速度，让它刚好等于落雨速度的水平分速度。行走速度，让它刚好等于落雨速度的水平分速度。冬天的冬天的纷飞大雪，使公路上大雪，使公路上积起厚雪而影响交通。有起厚雪而影响交通。有1010公公里里长的公路，由一台除雪机的公路，由一台除雪机负责清清扫积雪。每当路面雪。每当路面积雪平均雪平均厚度达到厚度达到0.50.5米米时，除雪机就开始工作。但，除雪机就开始工作。但问题是开始除雪后，是开始除雪后，大雪仍下个不停，使路上大雪仍下个不停，使路上积雪越来越深，除雪机速度逐雪越来越深，除雪机速度逐渐降低降低直到无法工作。直到无法工作。降雪的大小直接影响除雪机的工作速度，降雪的大小直接影响除雪机的工作速度，现已了解部分情已了解部分情况和数据：况和数据：（1 1）除雪机开始工作后，降雪又持）除雪机开始工作后，降雪又持续了一个小了一个小时。（2 2）雪的厚度达到）雪的厚度达到1.51.5米米时，除雪机停止工作。，除雪机停止工作。（3 3）除雪机在无雪路面上的行）除雪机在无雪路面上的行驶速度速度为1010米米/秒。秒。问大雪下一小大雪下一小时，除雪机能否完成，除雪机能否完成1010公里的除雪工作？公里的除雪工作？模型四：除雪机除雪模型四：除雪机除雪问题考考虑下列降雪情形：（下列降雪情形：（A A）恒速）恒速0.10.1厘米厘米/秒；秒；（B B）恒速）恒速0.0250.025厘米厘米/秒秒 （C C）前）前3030分分钟由零均匀增加到由零均匀增加到0.10.1厘米厘米/秒，秒，后后3030分分钟又均匀减少到零。又均匀减少到零。练习：某航空公司为了发展新航线的航运业务，需要增加练习：某航空公司为了发展新航线的航运业务，需要增加 5驾波音驾波音747客机。如果购进一架客机，需要一次性支付客机。如果购进一架客机，需要一次性支付5000万万 美元，客机的使用寿命为美元，客机的使用寿命为15年；如果租用一架客机，每年需要年；如果租用一架客机，每年需要 支付支付600万美元，租金以均匀货币流的方式支付。若银行的年利万美元，租金以均匀货币流的方式支付。若银行的年利 率为率为12，问购买客机还是租用客机合算？如果年利率为，问购买客机还是租用客机合算？如果年利率为6 呢？呢？谢谢46、我们若已接受最坏的，就再没有什么损失。卡耐基47、书到用时方恨少、事非经过不知难。陆游48、书籍把我们引入最美好的社会，使我们认识各个时代的伟大智者。史美尔斯49、熟读唐诗三百首，不会作诗也会吟。孙洙50、谁和我一样用功，谁就会和我一样成功。莫扎特