姜启源《数学模型》(第四版)第二章初等模型

第二章初等模型2.1光盘的数据容量2.2双层玻璃窗的功效2.3划艇比赛的成绩2.4实物交换2.5污水均流池的设计2.6交通流与道路通行能力2.7核军备竞赛2.8扬帆远航2.9天气预报的评价•研究对象的机理比较简单•用静态、线性、确定性模型即可达到建模目的可以利用初等数学方法来构造和求解模型尽量采用简单的数学工具来建模如果用初等和高等的方法建立的模型，其应用效果差不多，那么初等模型更高明，也更受欢迎.初等模型2.1光盘的数据容量背景和问题•20世纪80年代出现激光唱片(CD)与激光视盘(LD),统称光盘，用于储存数字声频、视频信号和计算机数据等.•20世纪90年代出现数字视频光盘(DVD).•21世纪初光盘集计算机、光学记录和影视技术为一体,带动了出版、广播、通信、互联网等行业的发展.CD的数据容量:单层650MB(兆字节)DVD的数据容量:单层4.7GB(千兆字节)从数学建模的角度研究:光盘的数据容量是怎么确定的，在一定条件下怎样使其最大化.调查和分析45mm120mm2mm信道间距信道(螺旋线)经过编码的数字信息，以一定深度和宽度、不同长度的凹坑的形式，用烧蚀技术存储在光盘表面呈螺旋线形状的信道上.当盘片上环形区域面积一定时，数据容量的大小取决于信道的总长度与信道上存储数据的线密度.决定信道长度和线密度大小的主要因素是所用激光的波长，和驱动光盘的机械形式.调查和分析•当光盘运转时激光束要能识别出信道上的凹坑所携带的信息，必须精确地聚焦.数据容量•激光波长•驱动形式•信道长度•线密度激光波长•光的衍射使激光束在光盘上形成圆状的光斑.•为了提高存储数据的线密度，应该使光斑尽量小，而光斑的大小与激光波长成正比.激光器激光波长（μm）光斑直径（μm）信道间距（μm）数据线密度（字节/mm）红外(CD)0.7821.6121红色(DVD)0.640.9250.74387蓝色(DVD)0.410.40.32800调查和分析恒定角速度(CAV)驱动光盘的机械形式每一圈螺旋线上存储同等数量的数据信息容量取决于最内圈的长度、线密度以及总圈数各圈螺旋线上数据的线密度不变容量取决于固定的线密度和螺旋线总长度恒定线速度(CLV)从光盘的容量比较，CLV优于CAV.数据读取时间:CLV每圈转速不同，当读出磁头在内外圈移动时，需要等待光盘加速或减速，而CAV不需要.对音乐、影像、计算机文件等按顺序播放的信息，多用CLV;对词典、数据库、人机交互等常要随机查找的信息，多用CAV.模型建立CLV(恒定线速度)光盘R1~光盘环形区域内圆半径,R2~外圆半径,d~信道间距CLVCLVLCLCLV~信道总长度1CLV102()nkLRkd2121()()RRRRdd2221CLV()RRLd环形区域面积/信道间距同心圆平均周长*总圈数2121CLV22RRRRLd数据容量ρ~线密度,(n~总圈数)其他方法建模模型建立CAV(恒定角速度)光盘螺旋线最内圈的长度近似为2πR1,总圈数可视为dRR1221CAV12RRLRd数据容量LCLV~信道总长度ρ~线密度,CAVCAVLC当线密度ρ、信道间距d和外径R2给定后，可选择环形区域的内圆半径R1，使数据容量最大.模型求解CLV(恒定线速度)光盘激光器激光波长(μm)信道长度(mm)信息容量,(MB)影像时间(min)红外(CD)0.785,611,17967918红色(DVD)0.6412,132,2794,695126蓝色(DVD)0.4128,055,89522,445603R2=58mm,R1=22.5mm2221CLV()RRLdCD信道长度在5km以上，容量约680MB;DVD容量在GB量级.影像时间按照每秒钟占用0.62MB计算.模型求解激光器激光波长(μm)信道长度(mm)信息容量,(MB)影像时间(min)红外(CD)0.783,302,59940011红色(DVD)0.647,140,7552,76474蓝色(DVD)0.4116,512,99613,210355CAV(恒定角速度)光盘21CAV12RRLRdCAVCAVLC222Rd即使在内圆半径的最佳选择下，CAV光盘的信息容量也小于CLV光盘.R1=R2/2时LCAV最大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dTkQ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2.2双层玻璃窗的功效双层单层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dTTkQa111dlhkkhssdTTkQ,,)2(212111建模lTTkba2dTTkb21记单层玻璃窗传导的热量Q2dTTkQ221122d墙室内T1室外T2Q2双层与单层窗传导的热量之比dlhkkhssQQ,,22212121QQk1=4~810-3(J/cm·s·kw·h),k2=2.510-4,k1/k2=16~32对Q1比Q2的减少量作最保守的估计，取k1/k2=16dlhhQQ,18121)2(2111sdTTkQ建模hQ1/Q242O0.060.030.026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，是由于层间空气的热传导系数k2极低,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.dlhhQQ,18121实际上双层窗的功效不会如此之大!2.3划艇比赛的成绩赛艇2000m成绩t(min)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空艇重w0(kg)桨手数n16.313.618.114.7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，发现与桨手数有某种关系.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质量l/b,w0/n基本不变艇长l艇宽bl/b(m)(m)7.930.29327.09.760.35627.411.750.57421.018.280.61030.0问题分析•前进阻力~浸没部分与水的摩擦力•前进动力~桨手的划桨功率分析赛艇速度与桨手数量之间的关系赛艇速度由前进动力和前进阻力决定:划桨功率赛艇速度赛艇速度前进动力前进阻力桨手数量艇重浸没面积•对桨手体重、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.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,桨手数n,桨手功率p,桨手体重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成正比桨手的特征模型建立fsv2,pwv(n/s)1/3s1/2A1/3,AW(=w0+nw)nsn2/3vn1/9比赛成绩tn–1/9npfv,模型检验nt17.2126.8846.3285.84bant11.021.7ntnbatloglog线性最小二乘法利用4次国际大赛冠军的平均成绩对模型tn–1/9进行检验.与模型吻合！tn12487.216.886.325.84••••O划艇比赛的成绩•对实际数据做比较、分析，发现并提出问题.•利用物理基本知识分析问题.•模型假设比较粗糙.•利用合适的物理定律及简单的比例方法建模(只考虑各种艇的相对速度).•模型结果与实际数据十分吻合(巧合！)问题甲有物品X,乙有物品Y,双方为满足更高的需要，商定相互交换一部分.研究实物交换方案.yxp.用x,y分别表示甲(乙)占有X,Y的数量.设交换前甲占有X的数量为x0,乙占有Y的数量为y0,作图：若不考虑双方对X,Y的偏爱，则矩形内任一点p(x,y)都是一种交换方案：甲占有(x,y)，乙占有(x0-x,y0-y).xyy0Ox0••2.4实物交换xyy0y1y2Ox1x2x0p1p2..甲的无差别曲线分析与建模如果甲占有(x1,y1)与占有(x2,y2)具有同样的满意程度,即p1,p2对甲是无差别的.MN将所有与p1,p2无差别的点连接起来,得到一条无差别曲线MN.线上各点的满意度相同,线的形状反映对X,Y的偏爱程度.N1M1p3(x3,y3).比MN各点满意度更高的点如p3，在另一条无差别曲线M1N1上,于是形成一族无差别曲线（无数条）.yxp1.yxp2.c1yOxf(x,y)=c1无差别曲线族的性质：•单调减(x增加,y减小)•下凸(凸向原点)•互不相交在p1点占有x少、y多，宁愿以较多的y换取较少的x;在p2点占有y少、x多，就要以较多的x换取较少的y.甲的无差别曲线族记作f(x,y)=c1c1~满意度（f~等满意度曲线）甲的无差别曲线xyOg(x,y)=c2c2乙的无差别曲线族g(x,y)=c2具有相同性质（形状可以不同）.双方的交换路径xyy0Ox0f=c1O'x'y'g=c2乙的无差别曲线族g=c2(坐标系x'O'y',且反向）甲的无差别曲线族f=c1ABp•P'•双方满意的交换方案必在AB（交换路径）上!因为在AB外的任一点p',(双方)满意度低于AB上的点p.两族曲线切点连线记作AB分析与建模AB交换方案的进一步确定交换方案~交换后甲的占有量(x,y)0xx0,0yy0矩形内任一点交换路径AB双方的无差别曲线族X,Y用货币衡量其价值，设交换前x0,y0价值相同，则等价交换原则下交换路径为CD(x0,0),(0,y0)两点的连线CD.AB与CD的交点p设X单价a,Y单价b,则等价交换下ax+by=s(s=ax0=by0)等价交换原则x0yy0O..xp.2.5污水均流池的设计城市生活污水的流量是时刻变化的,在净化处理前需要先进入一个集中、储存的大池子，再通过水泵和输水管以恒定的流量流向净化设备.背景和问题集中、储存、均衡调节流量的池子称为均流池.根据污水的流量设计均流池的容积及水泵和输水管的规格；在一定条件下按照施工成本最小的原则确定均流池的具体尺寸.调查和分析除了节假日等特殊情况以外，生活污水进入均流池的流量是以天为周期变化的.典型调查得到以小时为单位间隔、一天的污水流量(m3/s)时间(h)01234567流量0.04170.03210.02360.01850.01890.01990.02280.0369时间(h)89101112131415流量0.05140.06300.06850.06970.07250.07540.07610.0775时间(h)1617181920212223流量0.08100.08390.08630.08070.07810.06900.05840.0519污水一天进入均流池的平均流量（忽略蒸发等损失）=从均流池用水泵打入净化设备的恒定流量•由以小时为单位间隔的污水流入量和从均流池到净化设备的恒定流出量，可得均流池中污水随时间变化的容量.调查和分析•均流池的容积应该按照污水的最大容量，并考虑留有一定裕量来设计.•均流池的面积可以由它的容积和深度得到.•均流池的施工成本：底部单位面积的成本，四条边上单位长度的施工成本.•均流池的形状一般为矩形，其深度通常按照工程需要（底部需安装设备、进行清理等）确定.模型假设与建立•以调查得到的一天的污水流量为依据，并留有25%的裕量进行均流池的设计.•均流池的深度为3m，施工成本：底部面积340元/m2，两条长边及一条短边250元/m，另一条短边450元