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微分方程建模

我们这里提供一个分析
由物理定律:
这里代表空气阻力,有以下公式:
其中代表阻力系数,A代表跳远者和空气接触的 面积,是空气密度, 通常取0.375; A=0.75;
,单位:,于是 , 令,可以用降阶法解此方程:
代入初始条件,得: 即: 设跳远者跳过距离距离所用时间为,则(注意)
从而
为了计算,需要Bob Beamo的参数,,则
因为其值很小,所以
我们关心的是差 因为4.2远小于55,所以Bob Beamon的世界记录主要是个人能力获得。
例三、AMCM1996的A题。
这里,我们只是来看一下本题的微分方程讨论: 最优捕鱼策略
1、 假设 1、 所有的鱼在下一年初进入另一年龄组 2、 产卵在8月初 3、 4龄以上的鱼全部死亡 4、 孵化在每年的产卵之后,在下个年头进入一龄鱼。
其解为:
其中C为参数,将初始值代入,得:C= 若M=2500,A=1200,B=16,=100,则C=-300
考虑,。可见,确实可以通过减少摄入量或增加消耗量的方式减 肥。
思考题:有人用减少小肠的长度的方式减肥,可不可以?如果可 以,要注意什么?
例二 Bob Beamon的跳远记录 1968年的墨西哥奥 运会上,Bob Beamon创造了一个跳远记录:8.90 米,这个成绩远超以前的成绩55cm,有人认为这是 由于墨西哥城空气稀薄造成的(墨西哥城海拔2600 米),稀薄空气意味跳远者比较小的阻力。真是如 此吗?
总结一下,在一个典型的微分问题中,以下的步骤是必须的:
把用文字语言描述的情况转化为数
学语言
陈述所涉及的原则或物理定律
建立微分方程
给定条件
求微分方程的解
求出参数
问题的答案
对照实际问题检验你的答案,想想答案的合理性,不足之处怎么 解决。
如果以上步骤都完成了,问题也就解决了。
例子 例一:减肥问题 一个人怎样才能减肥呢?好象有许多方式,但归
前言:怎样做数模?或:怎样完成一个数模题目?
1、 读懂问题 1、读懂问题本身, 2、读懂相应的背景资料, 3、 就是添加假设,将问题可能的解析固定。
3、 建立模型 1、固定符号; 2、介绍原理; 3、数学模型;.
4、 求出答案 1、模型求解; 2、参数讨论
5、 还原实际问题 6、 适度的讨论:总结与发挥 7、 最后,写成文章 怎样写成文章呢?四个字:实话实说!或者:怎 么做的就怎么写。 8、 摘要 一篇数模文章的摘要和科技文章的摘要不同,它 要比较详细:应该包括:主要问题的主要模型, 主要的结果
第1节 建立微分方程模型
什么时候 这应该是两个问题:一是
需要建立微分方程
的模型?
二是怎样建立微分方程的模型.
在我看来,第一个问题是最关键的.
那么, 什么时候需要建立微分方程的模型呢?
这要从我们的问题入手,在实际问题中,有许多表示”导数”的词,如”速 率”、“增长”(在生物学及人口问题中)、“衰变”(在放射性问题 中)、“边际”(经济问题中)等等。“改变”、“变化”、“增加”、“减 少”这些词就是信号,要注意什么在变化,导数也许可以用上。
纳起来也就是物理或手术,而物理也不外乎两种: 一是减少摄入量,二是增加消耗量。
分析:若某人的食量是M卡/日,他每天的自动消 耗为A卡/日,他健身的消耗大约是B卡/公斤/日,假
设以脂肪形式存在的热量100%有效,而1公斤脂肪 含热量10000卡。看这个人的体重随时间变化情 况。
解:设这人时刻的体重为公斤 显然,体重每天的变化=吸收量/天-消耗量/天 取天 消耗量/天=AB 于是得到微分方程(注意单位):
变化=输入-输出
如果这个模式出现时你能理解它,可能微分方程就近在眼前了。
其次,要注意:微分方程是一个在任何时候都正确的瞬时表达式。这 是问题的核心。如果你找到了表示导数的关键词,就要想去找、及之间 的关系。这个关系往往就是你要找的微分方程。
建立微分方程,还有几个问题要注意:一是单位,要保持单位的一 致;二是给定的条件,就是关于系统在某一特定时刻的信息。它们独立 于微分方程而存在,可以用它们来确定有关的参数。、
另外,有些问题中没有明显地出现这些词,但在讨论中可能出现一些 变量,关于这些变量的讨论就可能要用到微分方程。
怎样建立微分方程的模型呢?
首先,想一想,问题是不是遵循什么原则或物理定律?是用已知的定 律呢?还是要去推导问题的合适结果?如果是你不熟悉的领域,就要去 找资料,或者请教专家。
许多问题都遵循下面的模式:
微分方程建模
微分方程已有悠久的历史,而且 继续保持着进一步发展的活力,其主 要原因是它的根源深扎在各种实际问 题之中。
NEWTON最早用数学方法研究二体问 题,其中需要求解的运动方程是微分 方程。他以非凡的积分技巧解决了 它,从而在理论上证实了地球绕太阳 的运动轨道是一个椭圆,澄清了当时 关于地球将坠毁于太阳的一种悲观论 点。
自上世纪二十年代(特别是第二次世 界大战)以来,微分方程的应用范围 不断扩大并深入到机械、电讯、化 工、生物、经济和其他社会学科的各 个领域,各种成功的例子不胜枚举。
在数学建模的活动中,微分方程也是 一个常用的而且必须掌握的工具。从
八十年代的数模活动以来,已有不少 的问题必须使用微分方程来处理。这 里,我们来简单谈谈微分方程的建模 问题。
2、 符号: ——时刻的产卵数 ——时刻年龄组鱼的大小, ——鱼的平均自然死亡率。 ——年龄组鱼的产卵力, ——年龄组鱼的的平均重量, ——年龄组鱼的捕捞强度系数,
——产卵时刻 3、 数据 =0.8 ,单位:克 ,E称为捕捞努力量 =
4、 模型 1、 无捕捞时鱼的增长
, 其中 其中
2、 固定努力量捕捞下鱼的增长 由假设:此时,捕捞期为: 故 ,-----------------------------------------------(1) ,,-------------------------(2) 其中 ------------------------------------------------------------------(3) -----------------------------------(4) 其中
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