数学建模中的初等模型

数学建模中的初等模型第1页，课件共28页，创作于2023年2月实例一公平的席位分配系别学生比例20席的分配人数（%）比例结果甲10351.5乙6331.5丙3417.0总和200100.020.02021席的分配比例结果10.8156.6153.57021.00021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系别学生比例20席的分配人数（%）比例结果甲10351.510.3乙6331.56.3丙3417.03.4总和200100.020.020系别学生比例20席的分配人数（%）比例结果甲10351.510.310乙6331.56.36丙3417.03.44总和200100.020.02021席的分配比例结果10.815116.61573.570321.00021第2页，课件共28页，创作于2023年2月“公平”分配方法衡量公平分配的数量指标人数席位A方p1

n1B方p2n2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=10p1=1050,n1=10,p1/n1=105p2=1000,n2=10,p2/n2=100p1/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第3页，课件共28页，创作于2023年2月公平分配方案应使rA

,rB

尽量小不妨设分配开始时p1/n1>p2/n2

，即对A不公平~对A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)问题1：设A,B已分别有n1,n2席，若增加1席，问应分给A,还是B？“公平”分配方法若p1/n1>p2/n2

，定义第4页，课件共28页，创作于2023年2月1）若p1/(n1+1)>p2/n2

，则这席应给A2）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/n1<p2/(n2+1)

是否会出现？A否!若rB(n1+1,n2)>rA(n1,n2+1),则这席应给B第5页，课件共28页，创作于2023年2月当rB(n1+1,n2)<rA(n1,n2+1),该席给ArA,rB的定义该席给A否则,该席给B定义该席给Q值较大的一方推广到m方分配席位该席给Q值最大的一方Q

值方法计算，第6页，课件共28页，创作于2023年2月三系用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值方法分配结果公平吗？Q1最大，第20席给甲系第7页，课件共28页，创作于2023年2月进一步的讨论Q值方法比“比例加惯例”方法更公平吗？席位分配的理想化准则已知:m方人数分别为

p1,p2,…,pm,记总人数为P=p1+p2+…+pm,待分配的总席位为N。设理想情况下m方分配的席位分别为n1,n2,…,nm(自然应有n1+n2+…+nm=N)，记qi=Npi/P,i=1,2,…,m,ni应是N和p1,…,pm

的函数，即ni

=ni(N,p1,…,pm)若qi

均为整数，显然应ni=qi第8页，课件共28页，创作于2023年2月

qi=Npi/P不全为整数时，ni

应满足的准则：记[qi]–=floor(qi)~向qi方向取整；[qi]+=ceil(qi)~向

qi方向取整.1)[qi]–ni

[qi]+(i=1,2,…,m),2)ni

(N,p1,…,pm)ni

(N+1,p1,…,pm)(i=1,2,…,m)

即ni必取[qi]–,[qi]+之一即当总席位增加时，ni不应减少“比例加惯例”方法满足1），但不满足2）Q值方法满足2）,但不满足1）。令人遗憾！能不能找到一个分配方法既满足1）又满足2）呢？第9页，课件共28页，创作于2023年2月2d墙室内T1室外T2dd墙l室内T1室外T2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材料均匀，热传导系数为常数建模热传导定律Q1Q2Q~单位时间单位面积传导的热量T~温差,d~材料厚度,k~热传导系数实例二双层玻璃窗的功效第10页，课件共28页，创作于2023年2月dd墙l室内T1室外T2Q1TaTb记双层玻璃窗传导的热量Q1Ta~内层玻璃的外侧温度Tb~外层玻璃的内侧温度k1~玻璃的热传导系数k2~空气的热传导系数建模第11页，课件共28页，创作于2023年2月记单层玻璃窗传导的热量Q22d墙室内T1室外T2Q2双层与单层窗传导的热量之比k1=410-3~810-3,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建模第12页，课件共28页，创作于2023年2月hQ1/Q24200.060.030.026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第13页，课件共28页，创作于2023年2月2.3

划艇比赛的成绩赛艇2000米成绩t(分)种类1234平均单人7.167.257.287.177.21双人6.876.926.956.776.88四人6.336.426.486.136.32八人5.875.925.825.735.84艇长l

艇宽b(米)(米)l/b7.930.29327.09.760.35627.411.750.57421.018.280.61030.0空艇重w0(kg)

浆手数n

16.313.618.114.7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l/b,w0/n

基本不变第14页，课件共28页，创作于2023年2月问题分析前进阻力~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划浆功率赛艇速度赛艇速度前进动力前进阻力浆手数量艇重浸没面积对浆手体重、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第15页，课件共28页，创作于2023年2月模型假设1）艇形状相同(l/b为常数),w0与n成正比2）v是常数，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

sv2p

wv

(n/s)1/3s1/2

A1/3A

W(=w0+nw)

ns

n2/3v

n1/9比赛成绩

t

n

–1/9npfv第16页，课件共28页，创作于2023年2月模型检验n

t17.2126.8846.3285.84最小二乘法利用4次国际大赛冠军的平均成绩对模型

t

n

–1/9进行检验tn12487.216.886.325.84••••与模型巧合！第17页，课件共28页，创作于2023年2月模型三：动物身长和体重问题提出自然界——动物——四足兽复杂？？？四足动物的躯干长度与其体重的关系模型假设躯干：柱体，长

L，直径d，面积s体重f，最大下垂度bldsb第18页，课件共28页，创作于2023年2月模型构造目标：f?l粗糙模型：类比法力学：弹性理论——〉弹性梁梁的最大弯曲动物身长比重ldsb进化论：自然选择→常数第19页，课件共28页，创作于2023年2月评注:

在前面的两个模型中都使用了比例法建模这种方法在一些不太精细的假设下,可以得出一些定性的结论,以后在问题要求不是很精确的时候可以想到利用这个方法。它最大的优点就是比较简单。类比法是建模中常用的一种方法，模型把动物的躯干类比为弹性梁就是类比法的一个应用。同学们以后在自己本学科中可以充分发挥自己的想象力和创造力，利用这种方法来解决一些实际问题。第20页，课件共28页，创作于2023年2月2.7

核军备竞赛冷战时期美苏声称为了保卫自己的安全，实行“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。在什么情况下双方的核军备竞赛不会无限扩张，而存在暂时的平衡状态。当一方采取加强防御、提高武器精度、发展多弹头导弹等措施时，平衡状态会发生什么变化。估计平衡状态下双方拥有的最少的核武器数量，这个数量受哪些因素影响。背景第21页，课件共28页，创作于2023年2月以双方(战略)核导弹数量描述核军备的大小。假定双方采取如下同样的核威慑战略：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；乙方在经受第一次核打击后，应保存足够的核导弹，给对方重要目标以毁灭性的打击。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。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决定。模型假设第22页，课件共28页，创作于2023年2月图的模型y=f(x)~甲方有x枚导弹，乙方所需的最少导弹数x=g(y)~乙方有y枚导弹，甲方所需的最少导弹数当x=0时y=y0，y0~乙方的威慑值xyy00y0~甲方实行第一次打击后已经没有导弹，乙方为毁灭甲方工业、交通中心等目标所需导弹数x1x0y1P(xm,ym)x=g(y)xy0y0y=f(x)y=f(x)乙安全区甲安全区双方安全区P~平衡点(双方最少导弹数)乙安全线第23页，课件共28页，创作于2023年2月精细模型乙方残存率

s~甲方一枚导弹攻击乙方一个基地，基地未被摧毁的概率。sx个基地未摧毁，y–x个基地未攻击。x<y甲方以x攻击乙方y个基地中的x个,y0=sx+y–xx=yy0=sy乙的x–y个被攻击2次，s2(x–y)个未摧毁；y–(x–y)=2y–x个被攻击1次，s(2y–x)个未摧毁y0=s2(x–y)+s(2y–x)x=2yy0=s2yy<x<2yy=y0+(1