数学建模案例分析--线性代数建模案例(20例).doc

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1、精品文档，仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除线性代数建模案例汇编张小向东南大学数学系2012年6月【精品文档】第 39 页目 录案例一. 交通网络流量分析问题1案例二. 配方问题4案例三. 投入产出问题6案例四. 平板的稳态温度分布问题8案例五. CT图像的代数重建问题10案例六. 平衡结构的梁受力计算12案例七. 化学方程式配平问题14案例八. 互付工资问题16案例九. 平衡价格问题18案例十. 电路设计问题20案例十一. 平面图形的几何变换22案例十二. 太空探测器轨道数据问题24案例十三. 应用矩阵编制Hill密码25案例十四. 显示器色彩制式转换问题27案例十五. 人员流动问题29

2、案例十六. 金融公司支付基金的流动31案例十七. 选举问题33案例十八. 简单的种群增长问题34案例十九. 一阶常系数线性齐次微分方程组的求解36案例二十. 最值问题38附录 数学实验报告模板39这里收集了二十个容易理解的案例. 和各类数学建模竞赛的题目相比, 这些案例确实显得过于简单. 但如果学生能通过这些案例加深对线性代数基本概念、理论和方法的理解, 培养数学建模的意识, 那么我们初步的目的也就达到了. 案例一. 交通网络流量分析问题城市道路网中每条道路、每个交叉路口的车流量调查，是分析、评价及改善城市交通状况的基础。根据实际车流量信息可以设计流量控制方案，必要时设置单行线，以免大量车辆长

3、时间拥堵。图1 某地交通实况图2 某城市单行线示意图【模型准备】 某城市单行线如下图所示, 其中的数字表示该路段每小时按箭头方向行驶的车流量(单位: 辆). 5001234400300100200300x1x2x3x4图3 某城市单行线车流量(1) 建立确定每条道路流量的线性方程组.(2) 为了唯一确定未知流量, 还需要增添哪几条道路的流量统计? (3) 当x4 = 350时, 确定x1, x2, x3的值.(4) 若x4 = 200, 则单行线应该如何改动才合理? 【模型假设】 (1) 每条道路都是单行线. (2) 每个交叉路口进入和离开的车辆数目相等. 【模型建立】 根据图3和上述假设,

4、在, , , 四个路口进出车辆数目分别满足500 = x1 + x2 400 + x1 = x4 + 300 x2 + x3 = 100 + 200 x4 = x3 + 300 【模型求解】根据上述等式可得如下线性方程组其增广矩阵(A, b) =由此可得即为了唯一确定未知流量, 只要增添x4统计的值即可. 当x4 = 350时, 确定x1 = 250, x2 = 250, x3 = 50.若x4 = 200, 则x1 = 100, x2 = 400, x3 = -100 A = 1,-0.6,-0.5;-0.3,0.9,-0.1;-0.2,-0.1,1; b = 60000;100000;0;

5、 x = Ab Matlab执行后得x = 1.0e+005 * 1.9966 1.8415 0.5835可见煤矿要生产1.9966105元的煤, 电厂要生产1.8415105元的电恰好满足需求. 【模型分析】令x =, A =, b =, 其中x称为总产值列向量, A称为消耗系数矩阵, b称为最终产品向量, 则Ax =根据需求, 应该有x - Ax = b, 即(E - A)x = b. 故x = (E - A)-1b. Matlab实验题某乡镇有甲、乙、丙三个企业. 甲企业每生产1元的产品要消耗0.25元乙企业的产品和0.25元丙企业的产品. 乙企业每生产1元的产品要消耗0.65元甲企业的

6、产品, 0.05元自产的产品和0.05元丙企业的产品. 丙企业每生产1元的产品要消耗0.5元甲企业的产品和0.1元乙企业的产品. 在一个生产周期内, 甲、乙、丙三个企业生产的产品价值分别为100万元, 120万元, 60万元, 同时各自的固定资产折旧分别为20万元, 5万元和5万元. (1) 求一个生产周期内这三个企业扣除消耗和折旧后的新创价值. (2) 如果这三个企业接到外来订单分别为50万元, 60万元, 40万元, 那么他们各生产多少才能满足需求? 案例四. 平板的稳态温度分布问题在热传导的研究中, 一个重要的问题是确定一块平板的稳态温度分布. 根据定律, 只要测定一块矩形平板四周的温度

7、就可以确定平板上各点的温度. 图8 一块平板的温度分布图【模型准备】如图9所示的平板代表一条金属梁的截面. 已知四周8个节点处的温度(单位C), 求中间4个点处的温度T1, T2, T3, T4. T1T2T3T410080908060506050图9 一块平板的温度分布图【模型假设】假设忽略垂直于该截面方向上的热传导, 并且每个节点的温度等于与它相邻的四个节点温度的平均值. 【模型建立】根据已知条件和上述假设, 有如下线性方程组【模型求解】将上述线性方程组整理得在Matlab命令窗口输入以下命令 A = 4,-1,-1,0;-1,4,0,-1;-1,0,4,-1;0,-1,-1,4; b =

8、 190;140;140;100; x = Ab; xMatlab执行后得ans = 82.9167 70.8333 70.8333 60.4167可见T1 = 82.9167, T2 = 70.8333, T3 = 70.8333, T4 = 60.4167. 参考文献陈怀琛, 高淑萍, 杨威, 工程线性代数, 北京: 电子工业出版社, 2007. 页码: 15-16. Matlab实验题假定下图中的平板代表一条金属梁的截面, 并忽略垂直于该截面方向上的热传导. 已知平板内部有30个节点, 每个节点的温度近似等于与它相邻的四个节点温度的平均值. 设4条边界上的温度分别等于每位同学学号的后四位

9、的5倍, 例如学号为16308209的同学计算本题时, 选择Tl = 40, Tu = 10, Tr = 0, Td = 45. TuT1T5TlTlTdT2T6T7T10TrTrTuT26T30TdT27TuTrTdTl图10 一块平板的温度分布图(1) 建立可以确定平板内节点温度的线性方程组. (2) 用Matlab软件求解该线性方程组. (3) 用Matlab中的函数mesh绘制三维平板温度分布图. 案例五. CT图像的代数重建问题X射线透视可以得到3维对象在2维平面上的投影, CT则通过不同角度的X射线得到3维对象的多个2维投影, 并以此重建对象内部的3维图像. 代数重建方法就是从这些

10、2维投影出发, 通过求解超定线性方程组, 获得对象内部3维图像的方法.图11双层螺旋CT 图12 CT图像这里我们考虑一个更简单的模型, 从2维图像的1维投影重建原先的2维图像. 一个长方形图像可以用一个横竖均匀划分的离散网格来覆盖, 每个网格对应一个像素, 它是该网格上各点像素的均值. 这样一个图像就可以用一个矩阵表示,其元素就是图像在一点的灰度值(黑白图像). 下面我们以33图像为例来说明. 表4 消耗与产出情况33图像各点的灰度值水平方向上的叠加值x1 = 1x2 = 0x3 = 0x1 + x2 + x3 = 1x4 = 0x5 = 0.5x6 = 0.5x4 + x5 + x6 =

11、1x7 = 0.5x8 = 0x9 = 1x7 + x8 + x9 = 1.5竖直方向上的叠加值x1 + x4 + x7 = 1.5x2 + x5 + x8 = 0.5x3 + x6 + x9 = 1.5每个网格中的数字xi代表其灰度值, 范围在0, 1内. 0表示白色, 1表示黑色, 0.5表示灰色. 如果我们不知道网格中的数值, 只知道沿竖直方向和水平方向的叠加值, 为了确定网格中的灰度值, 可以建立线性方程组(含有6个方程, 9个未知数) 显然该方程组的解是不唯一的, 为了重建图像, 必须增加叠加值. 如我们增加从右上方到左下方的叠加值, 则方程组将增加5个方程x1 = 1,x2 + x

12、4 = 0, x3 + x5 + x7 = 1, x6 + x8 = 0.5, x9 = 1, 和上面的6个方程放在一起构成一个含有11个方程, 9个未知数的线性方程组. 【模型准备】设33图像中第一行3个点的灰度值依次为x1, x2, x3, 第二行3个点的灰度值依次为x4, x5, x6, 第三行3个点的灰度值依次为x7, x8, x9. 沿竖直方向的叠加值依次为1.5, 0.5, 1.5, 沿水平方向的叠加值依次为1, 1, 1.5, 沿右上方到左下方的叠加值依次为1, 0, 1, 0.5, 1. 确定x1, x2, , x9的值. 【模型建立】由已知条件可得(含有11个方程, 9个未知

13、数的)线性方程组【模型求解】在Matlab命令窗口输入以下命令 A = 1,1,1,0,0,0,0,0,0;0,0,0,1,1,1,0,0,0;0,0,0,0,0,0,1,1,1;1,0,0,1,0,0,1,0,0;0,1,0,0,1,0,0,1,0;0,0,1,0,0,1,0,0,1;1,0,0,0,0,0,0,0,0;0,1,0,1,0,0,0,0,0;0,0,1,0,1,0,1,0,0;0,0,0,0,0,1,0,1,0;0,0,0,0,0,0,0,0,1; b = 1;1;1.5;1.5;0.5;1.5;1;0;1;0.5;1; x = Ab; xMatlab执行后得Warning:

14、Rank deficient, rank = 8 tol = 4.2305e-015.ans =1.0000 0.0000 0 -0.0000 0.5000 0.5000 0.5000 -0.0000 1.0000可见上述方程组的解不唯一. 其中的一个特解为x1 = 1, x2 = 0, x3 = 0, x4 = 0, x5 = 0.5, x6 = 0.5, x7 = 0.5, x8 = 0, x9 = 1.【模型分析】上述结果表明, 仅有三个方向上的叠加值还不够.可以再增加从左上方到右下方的叠加值. 在实际情况下, 由于测量误差, 上述线性方程组可能是超定的. 这时可以将超定方程组的近似解作

15、为重建的图像数据. Matlab实验题给定一个33图像的2个方向上的灰度叠加值: 沿左上方到右下方的灰度叠加值依次为0.8, 1.2, 1.7, 0.2, 0.3; 沿右上方到左下方的灰度叠加值依次为0.6, 0.2, 1.6, 1.2, 0.6. (1) 建立可以确定网格数据的线性方程组, 并用Matlab求解. (2) 将网格数据乘以256, 再取整, 用Matlab绘制该灰度图像. 案例六. 平衡结构的梁受力计算在桥梁、房顶、铁塔等建筑结构中, 涉及到各种各样的梁. 对这些梁进行受力分析是设计师、工程师经常做的事情. 图13埃菲尔铁塔全景 图14 埃菲尔铁塔局部下面以双杆系统的受力分析为

16、例, 说明如何研究梁上各铰接点处的受力情况. 【模型准备】在图15所示的双杆系统中, 已知杆1重G1 = 200牛顿, 长L1 = 2米, 与水平方向的夹角为q1 = p/6, 杆2重G2 = 100牛顿, 长L2 = 米, 与水平方向的夹角为q2 = p/4. 三个铰接点A, B, C所在平面垂直于水平面. 求杆1, 杆2在铰接点处所受到的力.ABC杆1杆2p/6p/4图15双杆系统【模型假设】假设两杆都是均匀的. 在铰接点处的受力情况如图16所示. 【模型建立】对于杆1:水平方向受到的合力为零, 故N1 = N3, 竖直方向受到的合力为零, 故N2 + N4 = G1, 以点A为支点的合力

17、矩为零, 故(L1sinq1)N3 + (L1cosq1)N4 = (L1cosq1)G1. ABC杆1杆2CN1N2N4N3N7N8N5N6G1G2图16 两杆受力情况对于杆2类似地有N5 = N7, N6 = N8 + G2, (L2sinq2)N7 = (L2cosq2)N8 + (L2cosq2)G2.此外还有N3 = N7, N4 = N8. 于是将上述8个等式联立起来得到关于N1, N2, , N8的线性方程组:【模型求解】在Matlab命令窗口输入以下命令 G1=200; L1=2; theta1=pi/6; G2=100; L2=sqrt(2); theta2=pi/4; A

18、= 1,0,-1,0,0,0,0,0;0,1,0,1,0,0,0,0;0,0,L1*sin(theta1),L1*cos(theta1),0,0,0,0;0,0,0,0,1,0,-1,0;0,0,0,0,0,1,0,-1;0,0,0,0,0,0,L2*sin(theta2),-L2*cos(theta2);0,0,1,0,0,0,-1,0;0,0,0,1,0,0,0,-1; b = 0;G1;0.5*L1*cos(theta1)*G1;0;G2;0.5*L2*cos(theta2)*G2;0;0; x = Ab; xMatlab执行后得ans =95.0962 154.9038 95.0962

19、 45.0962 95.0962 145.0962 95.0962 45.0962 【模型分析】最后的结果没有出现负值, 说明图16中假设的各个力的方向与事实一致. 如果结果中出现负值, 则说明该力的方向与假设的方向相反. 参考文献陈怀琛, 高淑萍, 杨威, 工程线性代数, 北京: 电子工业出版社, 2007. 页码: 157- 158. Matlab实验题有一个平面结构如下所示, 有13条梁(图中标号的线段)和8个铰接点(图中标号的圈)联结在一起. 其中1号铰接点完全固定, 8号铰接点竖直方向固定, 并在2号, 5号和6号铰接点上, 分别有图示的10吨, 15吨和20吨的负载. 在静平衡的条

20、件下,任何一个铰接点上水平和竖直方向受力都是平衡的. 已知每条斜梁的角度都是45.(1) 列出由各铰接点处受力平衡方程构成的线性方程组. (2) 用Matlab软件求解该线性方程组, 确定每条梁受力情况. 图17 一个平面结构的梁案例七. 化学方程式配平问题在用化学方法处理污水过程中, 有时会涉及到复杂的化学反应. 这些反应的化学方程式是分析计算和工艺设计的重要依据. 在定性地检测出反应物和生成物之后,可以通过求解线性方程组配平化学方程式. 图18 污水处理【模型准备】某厂废水中含KCN, 其浓度为650mg/L. 现用氯氧化法处理, 发生如下反应: KCN + 2KOH + Cl2 = KO

21、CN + 2KCl + H2O.投入过量液氯, 可将氰酸盐进一步氧化为氮气. 请配平下列化学方程式: KOCN + KOH + Cl2 = CO2 + N2 + KCl + H2O. (注: 题目摘自福建省厦门外国语学校2008-2009学年高三第三次月考化学试卷)【模型建立】设x1KOCN x2KOH x3Cl2 = x4CO2 x5N2 x6KCl x7H2O,则, 即【模型求解】在Matlab命令窗口输入以下命令 A = 1,1,0,0,0,-1,0;1,1,0,-2,0,0,-1;1,0,0,-1,0,0,0;1,0,0,0,-2,0,0;0,1,0,0,0,0,-2;0,0,2,0,

22、0,-1,0; x = null(A,r); format rat, xMatlab执行后得ans = 1 2 3/2 1 1/2 3 1可见上述齐次线性方程组的通解为x = k(1, 2, 3/2, 1, 1/2, 3, 1)T. 取k = 2得x = (2, 4, 3, 2, 1, 6, 2)T. 可见配平后的化学方程式如下2KOCN + 4KOH + 3Cl2 = 2CO2 + N2 + 6KCl + 2H2O. 【模型分析】利用线性方程组配平化学方程式是一种待定系数法. 关键是根据化学方程式两边所涉及到的各种元素的量相等的原则列出方程. 所得到的齐次线性方程组Ax = q中所含方程的个

23、数等于化学方程式中元素的种数s, 未知数的个数就是化学方程式中的项数n. 当r(A) = n -1时, Ax = q的基础解系中含有1个(线性无关的)解向量. 这时在通解中取常数k为各分量分母的最小公倍数即可. 例如本例中1, 2, 3/2, 1, 1/2, 3, 1分母的最小公倍数为2, 故取k = 2. 当r(A) n -2时, Ax = q的基础解系中含有2个以上的线性无关的解向量. 这时可以根据化学方程式中元素的化合价的上升与下降的情况, 在原线性方程组中添加新的方程.参考文献陈怀琛, 高淑萍, 杨威, 工程线性代数, 北京: 电子工业出版社, 2007. 页码: 84-85. Mat

24、lab实验题配平下列反应式(1) FeS + KMnO4 + H2SO4 K2SO4 + MnSO4 + Fe2(SO4)3 + H2O + S(2) Al2(SO4)3 + Na2CO3 + H2O Al(OH)3+ CO2+ Na2SO4 案例八. 互付工资问题互付工资问题是多方合作相互提供劳动过程中产生的. 比如农忙季节, 多户农民组成互助组, 共同完成各户的耕、种、收等农活. 又如木工, 电工, 油漆工等组成互助组, 共同完成各家的装潢工作. 由于不同工种的劳动量有所不同, 为了均衡各方的利益, 就要计算互付工资的标准. 图19 农忙互助 图20 装修互助【模型准备】现有一个木工, 电

25、工, 油漆工. 相互装修他们的房子, 他们有如下协议:(1) 每人工作10天(包括在自己家的日子), (2) 每人的日工资一般的市价在6080元之间, (3) 日工资数应使每人的总收入和总支出相等. 表5 工作天数在谁家 工人木工电工油漆工木工家216电工家451油漆工家443求每人的日工资. 【模型假设】假设每人每天工作时间长度相同. 无论谁在谁家干活都按正常情况工作, 既不偷懒, 也不加班. 【模型建立】设木工, 电工, 油漆工的日工资分别为x, y, z元, 则由下表表6 各家应付工资和各人应得收入在谁家 工人木工电工油漆工各家应付工资木工家2x1y6z2x + y + 6z 电工家4x

26、5y1z4x + 5y + z油漆工家4x4y3z4x + 4y + 3z各人应得收入10x10y10z可得, 即【模型求解】在Matlab命令窗口输入以下命令 A = -8,1,6;4,-5,1;4,4,-7; x = null(A,r); format rat, xMatlab执行后得ans = 31/36 8/9 1可见上述齐次线性方程组的通解为x = k(31/36, 8/9, 1)T. 因而根据“每人的日工资一般的市价在6080元之间”可知60 k k A = 1,-0.4,-0.6;-0.6,0.9,-0.2;-0.4,-0.5,0.8; x = null(A,r); format

27、 short, xMatlab执行后得ans = 0.9394 0.8485 1.0000可见上述齐次线性方程组的通解为x = k(0.9394, 0.8485, 1)T. 这就是说, 如果煤炭、电力、钢铁行业每年总产出的价格分别0.9394亿元, 0.8485亿元, 1亿元, 那么每个行业的投入与产出都相等. 【模型分析】实际上, 一个比较完整的经济系统不可能只涉及三个行业, 因此需要统计更多的行业间的分配数据. Matlab实验题假设一个经济系统由煤炭、石油、电力、钢铁、机械制造、运输行业组成, 每个行业的产出在各个行业中的分配如下表所示: 表8 行业产出分配表产出分配购买者煤炭石油电力钢

28、铁制造运输000.20.10.20.2煤炭000.10.10.20.1石油0.50.10.10.20.10.1电力0.40.10.200.10.4钢铁00.10.30.600.2制造0.10.70.100.40运输每一列中的元素表示占该行业总产出的比例. 求使得每个行业的投入与产出都相等的平衡价格. 参考文献David C. Lay, 线性代数及其应用, 沈复兴, 傅莺莺等译, 北京: 人民邮电出版社, 2009. 页码: 49-50. 案例十. 电路设计问题电路是电子元件的神经系统. 参数的计算是电路设计的重要环节. 其依据来自两个方面: 一是客观需要, 二是物理学定律. 图22 USB扩展

29、板【模型准备】假设图23中的方框代表某类具有输入和输出终端的电路. 用记录输入电压和输入电流(电压v以伏特为单位, 电流i以安培为单位), 用记录输出电压和输入电流. 若= A, 则称矩阵A为转移矩阵.输入终端v1输出终端v2i1i2电路图23 具有输入和输出终端的电子电路图图24给出了一个梯形网络, 左边的电路称为串联电路, 电阻为R1(单位: 欧姆). 右边的电路是并联电路, 电路R2. 利用欧姆定理和楚列斯基定律, 我们可以得到串联电路和并联电路的转移矩阵分别是和v1v2i1i2R1v3i2i3R2串联电路 并联电路图24 梯形网络设计一个梯形网络, 其转移矩阵是.【模型假设】假设导线的

30、电阻为零. 【模型建立】设A1和A2分别是串联电路和并联电路的转移矩阵, 则输入向量x先变换成A1x, 再变换到A2(A1x). 其中A2A1 = 就是图22中梯形网络的转移矩阵. 于是, 原问题转化为求R1, R2的值使得=. 【模型求解】由=可得. 根据其中的前两个方程可得R1 = 8, R2 = 2. 把R1 = 8, R2 = 2代入上面的第三个方程确实能使等式成立. 这就是说在图22中梯形网络中取R1 = 8, R2 = 2即为所求. 【模型分析】若要求的转移矩阵改为, 则上面的梯形网络无法实现. 因为这时对应的方程组是. 根据前两个方程依然得到R1 = 8, R2 = 2, 但把R

31、1 = 8, R2 = 2代入上第三个方程却不能使等式成立. 参考文献David C. Lay, 线性代数及其应用, 沈复兴, 傅莺莺等译, 北京: 人民邮电出版社, 2009. 页码: 129-130. 练习题根据基尔霍夫回路电路定律(各节点处流入和流出的电流强度的代数和为零, 各回路中各支路的电压降之和为零), 列出下图所示电路中电流i1, i2, i3所满足的线性方程组, 并用矩阵形式表示: E1E2R1R2R3R4R5i1i2i3 图25 简单的回路案例十一. 平面图形的几何变换随着计算机科学技术的发展, 计算机图形学的应用领域越来越广, 如仿真设计、效果图制作、动画片制作、电子游戏开

32、发等. 图26 计算机图形学的广泛应用图形的几何变换, 包括图形的平移、旋转、放缩等, 是计算机图形学中经常遇到的问题. 这里暂时只讨论平面图形的几何变换. 【模型准备】平面图形的旋转和放缩都很容易用矩阵乘法实现, 但是图形的平移并不是线性运算, 不能直接用矩阵乘法表示. 现在要求用一种方法使平移、旋转、放缩能统一用矩阵乘法来实现. 【模型假设】设平移变换为(x, y) (x+a, y+b)旋转变换(绕原点逆时针旋转q角度)为(x, y) (xcosq - ysinq, xsinq + ycosq)放缩变换(沿x轴方向放大s倍, 沿y轴方向放大t倍)为 (x, y) (sx, ty)【模型求解

33、】R2中的每个点(x, y)可以对应于R3中的(x, y, 1). 它在xOy平面上方1单位的平面上. 我们称(x, y, 1)是(x, y)的齐次坐标. 在齐次坐标下, 平移变换(x, y) (x+a, y+b)可以用齐次坐标写成(x, y, 1) (x+a, y+b, 1).于是可以用矩阵乘积=实现. 旋转变换(x, y) (xcosq - ysinq, xsinq + ycosq)可以用齐次坐标写成(x, y, 1) (xcosq - ysinq, xsinq + ycosq, 1).于是可以用矩阵乘积=实现. 放缩变换 (x, y) (sx, ty)可以用齐次坐标写成(x, y, 1) (sx, ty, 1). 于是可以用矩阵乘积=实现. 【模型分析】由上述求解可以看出, R2