数学建模习题及答案课后习题.pdf
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1、百川东到海,何时复西归?少壮不尽力,老大徒伤悲。汉乐府长歌行百川东到海,何时复西归?少壮不尽力,老大徒伤悲。汉乐府长歌行 第一部分 课后习题 1.学校共 1000 名学生,235 人住在 A 宿舍,333 人住在 B 宿舍,432 人住在 C 宿舍。学生们要组织一个 10 人的委员会,试用下列办法分配各宿舍的委员数:(1)按比例分配取整数的名额后,剩下的名额按惯例分给小数部分较大者。(2)节中的 Q 值方法。(3)dHondt 方法:将 A,B,C 各宿舍的人数用正整数 n=1,2,3,相除,其商数如下表:1 2 3 4 5 A 235 B 333 111 C 432 216 144 108
2、将所得商数从大到小取前 10 个(10 为席位数),在数字下标以横线,表中 A,B,C 行有横线的数分别为 2,3,5,这就是 3 个宿舍分配的席位。你能解释这种方法的道理吗。如果委员会从 10 人增至 15 人,用以上 3 种方法再分配名额。将 3 种方法两次分配的结果列表比较。(4)你能提出其他的方法吗。用你的方法分配上面的名额。2.在超市购物时你注意到大包装商品比小包装商品便宜这种现象了吗。比如洁银牙膏 50g装的每支元,120g 装的元,二者单位重量的价格比是:1。试用比例方法构造模型解释这个现象。(1)分析商品价格 C 与商品重量 w 的关系。价格由生产成本、包装成本和其他成本等决定
3、,这些成本中有的与重量 w 成正比,有的与表面积成正比,还有与 w 无关的因素。(2)给出单位重量价格 c 与 w 的关系,画出它的简图,说明 w 越大 c 越小,但是随着 w的增加 c 减少的程度变小。解释实际意义是什么。3.一垂钓俱乐部鼓励垂钓者将调上的鱼放生,打算按照放生的鱼的重量给予奖励,俱乐部只准备了一把软尺用于测量,请你设计按照测量的长度估计鱼的重量的方法。假定鱼池中只有一种鲈鱼,并且得到 8 条鱼的如下数据(胸围指鱼身的最大周长):身长(cm)重量(g)765 482 1162 737 482 1389 652 454 胸围(cm)先用机理分析建立模型,再用数据确定参数 4.用宽
4、 w 的布条缠绕直径 d 的圆形管道,要求布条不重叠,问布条与管道轴线的夹角应多大(如图)。若知道管道长度,需用多长布条(可考虑两端的影响)。如果管道是其他形状呢。云路鹏程九万里,雪窗萤火二十年。王实甫海纳百川,有容乃大;壁立千仞,无欲则刚。林则徐 5.用已知尺寸的矩形板材加工半径一定的圆盘,给出几种简便、有效的排列方法,使加工出尽可能多的圆盘。6.动物园里的成年热血动物靠饲养的食物维持体温基本不变,在一些合理、简化的假设下建立动物的饲养食物量与动物的某个尺寸之间的关系。7.举重比赛按照运动员的体重分组,你能在一些合理、简化的假设下建立比赛成绩与体重之间的关系吗。下面是一届奥员会的竞赛成绩,可
5、供检验你的模型。组别 最大体重(kg)抓举(kg)挺举(kg)总成绩(kg)1 54 155 2 59 170 3 64 335 4 70 195 5 76 200 6 83 180 7 91 213 8 99 185 235 420 9 108 195 235 430 10 108 260 第一部分 课后习题答案 1.按照题目所给方法(1),(2),(3)的席位分配结果如下表:宿舍(1)(2)(3)(1)(2)(3)A 3 2 2 4 4 3 B 3 3 3 5 5 5 C 4 5 5 6 6 7 总计 10 10 10 15 15 15 2.(1)生产成本主要与重量 w 成正比,包装成本主
6、要与表面积 s 成正比,其它成本也包含与 w 和 s 成正比的部分,上述三种成本中都含有与 w,s 均无关的成分。又因为形状一定时一般有3/2ws,故商品的价格可表为3/2wwC(,为非淡泊无以明志,非宁静无以致远。诸葛亮先天下之忧而忧,后天下之乐而乐。范仲淹大于 0 的常数)。(2)单位重量价格13/1wwwCc,其简图如下:显然 c 是 w 的减函数,说明大包装比小包装的商品便宜,;曲线是下凸的,说明单价的减少值随着包装的变大是逐渐降低的,不要追求太大包装的商品。3.对于同一种鱼不妨认为其整体形状是相似的,密度也大体上相同,所以重量 w 与身长l的立方成正比,即31lkw,1k为比例系数。
7、常钓得较肥的鱼的垂钓者不一定认可上述模型,因为它对肥鱼和瘦鱼同等看待。如果只假定鱼的横截面积是相似的,则横截面积与鱼身最大周长的平方成正比,于是ldkw22,2k为比例系数。利用数据估计模型中的系数可得1k=,2k=,将实际数据与模型结果比较如下表:实际重量(g)765 482 1162 737 482 1389 652 454 模型31lkw 727 469 1226 727 483 1339 675 483 模型ldkw22 730 465 1100 730 483 1471 607 483 基本上满意。4.将管道展开如图:可得cosdw,若 d 一定,w 趋于 0,趋于/2;w 趋于d,
8、趋于 0。若管道长度为l,不考虑两端的影响时布条长度显然为dl/w,若考虑两端影响,则应加上dw/sin。对于其它形状管道,只需将d 改为相应的周长即可。5.设圆盘半径为单位 1,矩形板材长 a,宽 b;可以精确加工,即圆盘之间及圆盘与板吾日三省乎吾身。为人谋而不忠乎?与朋友交而不信乎?传不习乎?论语志不强者智不达,言不信者行不果。墨翟材之间均可相切。方案一:圆盘中心按正方形排列,如下图 1,圆盘总数为1N=a/2b/2 方案二:圆盘中心按六角形排列,如下图 2,行数 m 满足 2+(m-1)3a,于是m=132a 图 1 图 2 列数(按图 2 第 1 行计数)n 满足:若b为奇数,则各行圆
9、盘数相同为(b-1)/2;若b为偶数,则奇数行圆盘数为b/2,偶数行圆盘数为b/2-1。圆盘总数为)2(2/12/)1()1(2/)1(2bmbmN 其中(1)为:m 为偶数。(2)为:m 为奇数,b为偶数。两个方案的比较见下表(表中数字为1N/2N):3 5 8 10 14 20 4 2/2 4/4 8/7 10/9 14/13 20/19 7 3/3 6/6 12/11 15/14 21/20 30/29 10 5/5 10/10 20/18 25/23 35/33 50/48 15 7/8 14/16 28/28 35/36 49/52 70/76 20 10/11 20/22 40/3
10、9 50/50 70/72 100/105 当 a,b 较大时,方案二优于方案一。其它方案,方案一、二混合,若 a=b=20,3 行正方形加 8 行六角形,圆盘总数为 106。6.假设处于静止状态的动物的饲养食物量主要用于维持体温不变,且动物体内热量主要通过它的表面积散失,对于一种动物其表面积 S 与某特征尺寸l之间的关系是2lS,所以饲养食物量2lw。7.假设举重比赛成绩 y 与运动员肌肉的截面积 s 成正比,而截面积2ls(l是某特征尺寸),体重3lw,于是3/2wy。a b 丹青不知老将至,贫贱于我如浮云。杜甫志不强者智不达,言不信者行不果。墨翟用举重总成绩检验这个模型,结果如下图 3;
11、如果用举重总成绩拟合wy,可得=,结果如下图 4。图 3 图 4 第二部分 课后习题 1.Malthus 模型预测的优缺点。2.阻滞增长模型预测的优缺点。3.简述动态模型和微分方程建模。4.按照你的观点应从那几个方面来建立传染病模型。5.叙述 Leslie 人口模型的特点。并讨论稳定状况下种群的增长规律。6.试比较连续形式的阻滞增长模型(Logistic 模型)和离散形式阻滞增长模型,并讨论离散形式阻滞增长模型平衡点及其稳定性。第二部分 课后习题答案 1.优点:短期预报比较准确;缺点:不适合中长期预报;原因:预报时假设人口增长率为常数,没有考虑环境对人口增长的制约作用。2.优点:中期预报比较准
12、确;缺点:理论上很好,实用性不强;原因:预报时假设固有人口增长率以及最大人口容量为定值。实际上这两个参数很难确定,而且会随着社会发展情况变化而变化。3.动态模型:描述对象特征随时间(空间)的演变过程,分析对象特征的变化规律,预报对象特征的未来性态,研究控制对象特征的手段;微分方程建模:模根据函数及其变化率之间的关系确定函数,根据建模目的和问题分析作出简化假设,按照内在规律或用类比法建立微分方程。4.描述传染病的传播过程,分析受感染人数的变化规律,预报传染病高潮到来的时刻,预防传染病蔓延的手段,按照传播过程的一般规律,用机理分析方法建立模型。5.不同年龄组的繁殖率和死亡率不同,以雌性个体数量为对
13、象(假设性别比为 1:1),是一种差分方程模型。勿以恶小而为之,勿以善小而不为。刘备以铜为镜,可以正衣冠;以古为镜,可以知兴替;以人为镜,可以明得失。旧唐书魏征列传6.连续形式:()y t表示某种群t时刻的数量(人口)d(1)dmyyrytN 离散形式:ny表示某种群第n代的数量(人口)1(1),1,2,nnnnmyyyrynNL 若nmyN,则12,nnmyyNL,*myN是平衡点;1(1)nnnnmyyyryN的平衡点为*myN.1(1)1(1)nnnmryryyrN的平衡点为*111rxrb,其中1,/(1),()(1)nnmbr xryr Nf xbxx,此时的差分方程变为 1(1)(
14、)1,2,nnnnxbxxf xnL.由()(1)xf xbxx可得平衡点*11,0 xxb.在平衡点*0 x 处,由于(0)1fb,因此,*0 x 不稳定.在在平衡点*11xb 处,因*()(12)2fxbxb,所以(i)*()13fxb 当3b 时,平衡点*11xb 不稳定;(ii)*()1fx13b 当13b时,平衡点*11xb 不稳定.第三部分 课后习题 1.判断下列数学模型是否为线性规划模型。(a,b,c 为常数,x,y 为变量)万两黄金容易得,知心一个也难求。曹雪芹我尽一杯,与君发三愿:一愿世清平,二愿身强健,三愿临老头,数与君相见。白居易 0,12432085862.753max
15、12121321321321xxxxxxxxxxtsxxxf)(),2,1(0),2,1(.max)2(11njxmibxatsxcfjnjijijnjjj),2,1;,2,1(.,min321212mjmicyxtsybxafijiinjjjmiii)(2.将下述线性规划问题化为标准形式。取值无约束)(321321321321321,62,063244239232min1xxxxxxxxxxxxxxxZ 无约束)(yxxyxyxZ,32|max2 无约束)(321321321321,0,064.22min3xxxxxxxxxtsxxxf 常将有日思无日,莫待无时思有时。增广贤文丈夫志四方,有
16、事先悬弧,焉能钧三江,终年守菰蒲。顾炎武无约束)(423143132143214321,0,0,12285327.32max4xxxxxxxxxxxxxxtsxxxxf 3.用单纯形法求解线性规划问题。0,18231224.52max21212121xxxxxxtsxxf 4.检验函数212212)1()(100)(xxxxf在Tx)1,1(*处有*,0 Gg 正定,从而*x为极小点。证明 G 为奇异当且仅当005.0212 xx,从而证明对所有满足0025.0)(xf的 x,G 是正定的。5.求出函数4131212221222)(xxxxxxxf的所有平稳点;问哪些是极小点是否为全局极小点
17、6.应用梯度法于函数,10)(2221xxxf取.)1,1.0()1(Tx迭代求.)2(x 第三部分 课后习题答案 1.答案:(1)是 (2)不是 (3)是 2.答案:(1)式:,可得到如下的标准形及剩余变量引入松弛变量令5642233311,.2,xxxxxxxxxx 我尽一杯,与君发三愿:一愿世清平,二愿身强健,三愿临老头,数与君相见。白居易丹青不知老将至,贫贱于我如浮云。杜甫4 332min3321xxxxz 0,42 33242 2237 2.65433216233215332143321xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxts(2)令 0,0,0,.0,0;0,21xxxx
18、xxxx 0,0,0,.0,0;0,21yyyyyyyy 引入松弛变量.,ts可得到如下的标准形式:0,32.min21212121212121tsyyxxtxxsyyxxtsyyxxz(3)解:,33311xxxxx令:可得到如下的标准形式引入松弛变量,4x 222min3321xxxxz 0,6 4.43321433213321xxxxxxxxxxxxxxts(4)解:,44422xxxxx令:可得到如下的标准形式和剩余变量引入松弛变量,65xx 0,122285327.32min65443216443132154432144321xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxtsxxxxxf
19、f 万两黄金容易得,知心一个也难求。曹雪芹老当益壮,宁移白首之心;穷且益坚,不坠青云之志。唐王勃3.答案:在上述问题的约束条件中加入松弛变量543,xxx,将原问题化成标准形式如下:0,18231224.52min521521423121xxxxxxxxxxtsxxff 其现成可行基),(543对应的单纯形表如下:1x 2x 3x 4x 5x f 2 5 0 0 0 0 3x 1 0 1 0 0 4 4x 0 2 0 1 0 12 5x 3 2 0 0 1 18 换基迭代,得 换基迭代,得 故 最 优 解 为TX)0,0,2,6,2(*,目标函数的最优值为34*f.4.证明:)(2002240
20、0400)(21213121xxxxxxxg,20040040021200400)(11212xxxxxG,经检验,200400400802)(,0)(*xGxg正定,1x 2x 3x 4x 5x f 2 0 0 -5/2 0 -30 3x 1 0 1 0 0 4 2x 0 1 0 1/2 0 6 5x 3 0 0-1 1 6 1x 2x 3x 4x 5x f 0 0 0 -11/6 -2/3 -34 3x 0 0 1 1/3 -1/3 2 2x 0 1 0 1/2 0 6 1x 1 0 0-1/3 1/3 2 我尽一杯,与君发三愿:一愿世清平,二愿身强健,三愿临老头,数与君相见。白居易忍一句
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