第2讲+初等模型

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1、第2讲初等模型2.1、船艇回合问题2.2、双层玻璃的功效2.3、崖高的估算2.4、经验模型2.5、量纲分析2.6、几个实例某航空母舰派其护卫舰去搜寻其跳伞的飞行员，护卫舰找到飞行员后，航母通知它尽快返回与其汇合并通报了航母当前的航速与方向，问护卫舰应怎样航行，才能与航母汇合。§2.1舰艇的会合令：则上式可简记成：A(0,b)XYB(0,-b)P(x,y)O航母护卫舰θ1θ2即：可化为：记v2/v1=a通常a>1则汇合点p必位于此圆上。（护卫舰的路线方程）（航母的路线方程）即可求出P点的坐标和θ2的值。本模型虽简单，但分析极清晰且易于实际应用§2.2双层玻璃的功效在寒冷的北方，许多住房的玻璃窗

2、都是双层玻璃的，现在我们来建立一个简单的数学模型，研究一下双层玻璃到底有多大的功效。比较两座其他条件完全相同的房屋，它们的差异仅仅在窗户不同。不妨可以提出以下假设：1、设室内热量的流失是热传导引起的，不存在户内外的空气对流。2、室内温度T1与户外温度T2均为常数。3、玻璃是均匀的，热传导系数为常数。设玻璃的热传导系数为k1，空气的热传导系数为k2，单位时间通过单位面积由温度高的一侧流向温度低的一侧的热量为Qddl室外T2室内T1TaTb由热传导公式Q=kΔT/d解得：此函数的图形为dd室外T2室内T1类似有一般故记h=l/d并令f(h)=01234567891000.10.20.30.40.

3、50.60.70.80.91hf(h)考虑到美观和使用上的方便，h不必取得过大，例如，可取h=3，即l=3d，此时房屋热量的损失不超过单层玻璃窗时的3%。§2.3崖高的估算假如你站在崖顶且身上带着一只具有跑表功能的计算器，你也许会出于好奇心想用扔下一块石头听回声的方法来估计山崖的高度，假定你能准确地测定时间，你又怎样来推算山崖的高度呢，请你分析一下这一问题。我有一只具有跑表功能的计算器。方法一假定空气阻力不计，可以直接利用自由落体运动的公式来计算。例如，设t=4秒，g=9.81米/秒2，则可求得h≈78.5米。我学过微积分，我可以做得更好，呵呵。除去地球吸引力外，对石块下落影响最大的当属空气

4、阻力。根据流体力学知识，此时可设空气阻力正比于石块下落的速度，阻力系数K为常数，因而，由牛顿第二定律可得：令k=K/m，解得代入初始条件v(0)=0，得c=－g/k，故有再积分一次，得：若设k=0.05并仍设t=4秒，则可求得h≈73.6米。听到回声再按跑表，计算得到的时间中包含了反应时间进一步深入考虑不妨设平均反应时间为0.1秒，假如仍设t=4秒，扣除反应时间后应为3.9秒，代入式①，求得h≈69.9米。①多测几次，取平均值再一步深入考虑代入初始条件h(0)=0，得到计算山崖高度的公式：将e-kt用泰勒公式展开并令k→0+，即可得出前面不考虑空气阻力时的结果。还应考虑回声传回来所需要的时间

5、。为此，令石块下落的真正时间为t1，声音传回来的时间记为t2，还得解一个方程组：这一方程组是非线性的，求解不太容易，为了估算崖高竟要去解一个非线性主程组似乎不合情理相对于石块速度，声音速度要快得多，我们可用方法二先求一次h，令t2=h/340，校正t，求石块下落时间t1≈t-t2将t1代入式①再算一次，得出崖高的近似值。例如，若h=69.9米，则t2≈0.21秒，故t1≈3.69秒，求得h≈62.3米。最小二乘法插值方法当问题的机理非常不清楚难以直接利用其他知识来建模时，一个较为自然的方法是利用数据进行曲线拟合，找出变量之间的近似依赖关系即函数关系。§2.4经验模型最小二乘法设经实际测量已得

6、到n组数据（xi,yi），i=1,…,n。将数据画在平面直角坐标系中，见图。如果建模者判断这n个点很象是分布在某条直线附近，令该直线方程为y=ax+b，进而利用数据来求参数a和b。由于该直线只是数据近似满足的关系式，故yi-(axi+b)=0一般不成立，但我们希望最小此式对a和b的偏导数均为0，解相应方程组，求得：y=ax+byO(xi,yi)x其中和分别为xi和yi的平均值如果建模者判断变量间的关系并非线性关系而是其他类型的函数，则可作变量替换使之转化为线性关系或用类似方法拟合。显然，运动员体重越大，他能举起的重量也越大，但举重成绩和运动员体重到底是怎样关系的，不同量级运动员的成绩又如何比

7、较优劣呢？运动成绩是包括生理条件、心理因素等等众多相关因素共同作用的结果，要建立精确的模型至少现在还无法办到。但我们拥有大量的比赛成绩纪录，根据这些数据不妨可以建立一些经验模型。为简单起见，我们不妨取表中的数据为例。例1（举重成绩的比较）举重是一种一般人都能看懂的运动，它共分九个重量级，有两种主要的比赛方法：抓举和挺举。表中给出了到1977年底为止九个重量级的世界纪录。255200110以上237.51851