数学建模——微分方程模型

微分方程基础微分方程是含有函数及其导数的方程。如果方程(组)只含有一个自变量(通常是时间t)，则称为常微分方程。否则称为偏微分方程。例：下面的方程都是微分方程：sindumkumgdx2sinuuaxtx微分方程的解是函数，对应一个变化过程。常微分方程的解是随时间t变化的函数，比如一辆汽车在公路上飞驰，一个球从空中落下等。偏微分方程不但描述物体随时间变化发生位置的改变，而且物体各部分之间的位置的相对变化。如水的流动，烟雾的扩散，公路上车流的涌动等。微分方程解决的主要问题：(1)描述对象特征随时间(空间)的演变过程(2)分析对象特征的变化规律(3)预报对象特征的未来性态(4)研究控制对象特征的手段微分方程模型包括两个部分：方程和定解条件。由于微分方程的求解需要借助微分的逆运算—积分，而积分出现任意常数，因此方程的解不唯一，需要附加条件将所求的解唯一确定下来。这样的条件称为定解条件。常微分方程的定解条件：对一个m阶常微分方程，需要积分m次才能将解函数求出，因此需要m个定解条件。方程组的定解条件个数是每个方程定解条件个数之和。定解问题分为初值问题和边值问题。初值问题的定解条件在同一个点上，而边值问题的定解条件在不同点上。导数的意义：瞬时变化率在实际上我们遇到的描述变化的词有速率(物理)增长率(经济，生物，人口等)衰变(原子反应)边际的(经济)瞬时变化率的描述：绝对增加率：单位时间增加的量。相对增加率：单位时间增加的百分比。变化率=增加率-减少率由于是瞬时的，其量的关系只有在很短的时间间隔中才能够利用静态的方法分析。(微元法)微分方程的建模方法：(1)利用导数的意义，建立含有导数的方程(微分方程)。(2)微元法。微分方程的稳定性理论：对微分方程组若f(x0)=0，则称x0是方程组的平衡点。()ddtxfx如果在平衡点x0处，f(x)的Jacobi矩阵的所有特征值的实部都小于0，则x0是稳定的平衡点，如果存在某个特征值的实部大于0，则x0是不稳定的平衡点。1111222212121212(,,,)(,,,)nnnnnnnnfffxxxfffDfffDfxxxDxDxxxfffxxxLLLLLL稳定的平衡点的实际意义：如果微分方程存在稳定的平衡点，设x(t)是微分方程的解，则当t时，x(t)趋向于某个稳定的平衡点。例：对Logistic方程，它有两个平衡点x=0和x=N。其中x=0是不稳定的平衡点，x=N是稳定的平衡点。(1)dxxrxdtN例1：某人的食量是2500卡/天。其中1200卡用于基本的新陈代谢。在健身训练中，他每公斤体重所消耗的热量大约是16卡/天。设以脂肪形式贮存的热量100%有效，且1公斤脂肪含热量10000卡，分析这个人体重的变化。分析：问题研究人体重量随时间的变化w(t)。条件给出的是热量单位时间的变化2500-1200-16w(t)转换成体重为(2500-1200-16w(t))/10000因此得到变化关系100001612002500wdtdw常微分方程建模的物理方法热传导：牛顿冷却定律(加热定律)：例：将一只读数为25度的温度计放在室外，10分钟后度数为30度，又过了10分钟，读数变为33度，问室外温度是多少？如果遇到我们不熟悉的问题时，应该怎么办？答案：不要回避，到网上查一下相关的概念你就会发现：这个不熟悉的问题可能是比较简单的!分析：上网查一下热传导，我们可以了解到：热的传导从温度高的地方向温度低的地方传导，单位时间传送的热量与温差T成正比，与两个热源的距离成反比。即对于两个固定热源，距离d是常数，则TQkd1QkT在我们的问题中，室外温度可以看做常数T0，大于室内温度，而热量正比于温差，从而变化规律为(0)dTkTTdt问题：现有4000毫升温度为10度的化学溶液，将一个体积40毫升温度为90度的玻璃球放在溶液中。求溶液温度的变化规律。(平均温度)模型的解为这里有三个参数，其中T0=25。还剩两个参数，利用剩下的两个条件可以确定。0ktTTCe动力学：牛顿第二定律能量守恒定律欧拉-拉格朗日方程空气和水的阻力例1：求单摆的运动：摆长L，摆锤质量m的单摆的运动方程(1)利用Newton定律f=ma得到即(2)利用能量方程建模。设=0的点为零势点则等式两边求导数则得到第一个方程。22sindmlmgdt22sindgdtl21(cos)()2mgllml&例2：一只装满水的圆柱形桶，底半径3m，高6m。底部有一个直径0.02米的孔。(1)水多长时间可以流光？(2)如果孔在侧面，而桶放在距地面3m的高度。求水流喷出距离的变化规律。解：直接利用Newton第二定律建模比较困难，我们利用能量的转换。在流水的过程中，桶的顶部减少的势能化为水的动能。(如图)hhdsdhhds设桶的水平面积为A，孔的面积为B，则由于质量守恒，则Adh=-Bds符号反映了此消彼长。设水的流速是v则(/)dsvdtdhBAvdt根据能量转换关系，水失去的势能转化为动能，即或212mghmv2vgh练习：如果例2中的桶是漏斗形的(倒圆锥)或球形的，计算水深的变化规律。综合得到2dhBghdtA问题1：给出定解条件。问题2：求出桶里的水流光所需时间。练习题：1、在一所大学，某个教师每天从图书馆借出一本书，而图书馆每周收回所借图书的10%。几年后，这个教师手中有大约多少本图书馆的书？2、某学院的教育基金，最初投资P元，以后按利率r的连续复利增长。另外，每年在基金开算的时间，都要投入新的资本A/年求7年的累计资金数量。另外，如果每年在基金开算的时间，把其中20%用于奖学金的发放，求7年后累计资金数量。3、一场降雪开始于中午前的某个时刻，降雪量稳定。某人从正午12点开始清扫人行道，他的铲雪速度(m3/小时)和路面宽度都不变，到下午2点他扫了1000米，到下午4点又清扫了500米。雪是什么时间开始下的？另外，如果他在下午4点开始回头清扫，什么时间回到开始清扫的地点？2004C题饮酒驾车据报载，2003年全国道路交通事故死亡人数为10.4372万，其中因饮酒驾车造成的占有相当的比例。针对这种严重的道路交通情况，国家质量监督检验检疫局2004年5月31日发布了新的《车辆驾驶人员血液、呼气酒精含量阈值与检验》国家标准，新标准规定，车辆驾驶人员血液中的酒精含量大于或等于20毫克／百毫升，小于80毫克／百毫升为饮酒驾车（原标准是小于100毫克／百毫升），血液中的酒精含量大于或等于80毫克／百毫升为醉酒驾车（原标准是大于或等于100毫克／百毫升）。大李在中午12点喝了一瓶啤酒，下午6点检查时符合新的驾车标准，紧接着他在吃晚饭时又喝了一瓶啤酒，为了保险起见他呆到凌晨2点才驾车回家，又一次遭遇检查时却被定为饮酒驾车，这让他既懊恼又困惑，为什么喝同样多的酒，两次检查结果会不一样呢？请你参考下面给出的数据（或自己收集资料）建立饮酒后血液中酒精含量的数学模型，并讨论以下问题：1.对大李碰到的情况做出解释；2.在喝了3瓶啤酒或者半斤低度白酒后多长时间内驾车就会违反上述标准，在以下情况下回答：酒是在很短时间内喝的；酒是在较长一段时间（比如2小时）内喝的。3.怎样估计血液中的酒精含量在什么时间最高。4.根据你的模型论证：如果天天喝酒，是否还能开车？5.根据你做的模型并结合新的国家标准写一篇短文，给想喝一点酒的司机如何驾车提出忠告。时间(小时)0.250.50.7511.522.533.544.55酒精含量306875828277686858515041时间(小时)678910111213141516酒精含量3835282518151210774参考数据1.人的体液占人的体重的65%至70%，其中血液只占体重的7%左右；而药物（包括酒精）在血液中的含量与在体液中的含量大体是一样的。2.体重约70kg的某人在短时间内喝下2瓶啤酒后，隔一定时间测量他的血液中酒精含量（毫克／百毫升），得到数据如下：在这个问题中，有两个问题：(1)酒精在身体中吸收和排除过程的描述。(2)利用所给出的数据，分析大李的具体例子。这是某人喝下两瓶啤酒后，测得的血液中酒精含量数据02468101214160102030405060708090time这个题目比较简单，但做法的差异有很好的警示作用。第一种：曲线拟合的方法。许多队给出了不同的曲线拟合方法。例如，有的参赛队给出分段拟合：对左边的数据采用多项式拟合，而右边的数据采用指数拟合，很好地拟合了数据，但没有从机理上对问题分析。在这个问题上，这种方法是不好的。第二种：机理分析方法：实际上，对这一类问题，有成熟的机理分析方法：房室模型。我们可以把喝酒后酒精的变化过程描述为喝酒酒精进入肠胃消化后进入血液排出。这里，血液循环系统可以看作中心室，肠胃可以看作吸收室。M1克酒精在很短时间进入吸收室，从吸收室逐渐进入中心室，最后逐渐排出。吸收室x中心室y排出k1k2m1吸收室x中心室y排出k1k2m1设从吸收室到中心室的酒精转移速率为k1，中心室中的酒精排出速率为k2，则1(0)1dxkxxmdt12(0)0dykxkyydt这个方程组可以解出血液中酒精的含量利用最小二乘法即可确定出模型中的各参数。1212()ktktytDeDe最小二乘法及其matlab函数：2011C题企业退休职工养老金制度的改革养老金也称退休金，是一种根据劳动者对社会所作贡献及其所具备享受养老保险的资格，以货币形式支付的保险待遇，用于保障职工退休后的基本生活需要。我国企业职工基本养老保险实行“社会统筹”与“个人账户”相结合的模式，即企业把职工工资总额按一定比例（20%）缴纳到社会统筹基金账户，再把职工个人工资按一定比例（8%）缴纳到个人账户。这两个账户我们合称为养老保险基金。退休后，按职工在职期间每月（或年）的缴费工资与社会平均工资之比（缴费指数），再考虑到退休前一年的社会平均工资等因素，从社会统筹账户中拨出资金（基础养老金），加上个人工资账户中一定比例的资金（个人账户养老金），作为退休后每个月的养老金。养老金会随着社会平均工资的调整而调整。如果职工死亡，社会统筹账户中的资金不退给职工，个人账户中的余额可继承。个人账户储存额以银行当时公布的一年期存款利率计息，为简单起见，利率统一设定为3%。养老金的发放与职工在职时的工资及社会平均工资有着密切关系；工资的增长又与经济增长相关。近30年来我国经济发展迅速，工资增长率也较高；而发达国家的经济和工资增长率都较低。我国经济发展的战略目标，是要在21世纪中叶使我国人均国民生产总值达到中等发达国家水平。现在我国养老保险改革正处于过渡期。养老保险管理的一个重要的目标是养老保险基金的收支平衡，它关系到社会稳定和老龄化社会的顺利过渡。影响养老保险基金收支平衡的一个重要因素是替代率。替代率是指职工刚退休时的养老金占退休前工资的比例。按照国家对基本养老保险制度的总体思路，未来基本养老保险的目标替代率确定为58.5%.替代率较低，退休职工的生活水准低，养老保险基金收支平衡容易维持；替代率较高，退休职工的生活水准就高，养老保险基金收支平衡较难维持，可能出现缺口。所谓缺口，是指当养老保险基金入不敷出时出现的收支之差。附件1是山东省职工历年平均工资数据；附件2是2009年山东省某企业各年龄段职工的工资分布情况，附件3是养老金的计算办法。请建立数学模型，解决如下问题：问题一：对未来中国经济发展和工资增长的形势做出你认为是简化、合理的假设，并参考附件1，预测从2011年至2035年的山东省职工的年平均工资。问题二：根据附件2计算2009年该企业各年龄段职工工资与该企业平均工资之比。如果把这些比值看作职工缴费指数的参考值，考虑该企业职工自2000年起分别从30岁、40岁开始缴养老保险，一直缴费到退休（55岁，60岁，65岁），计算各种情况下的养老金替代率。问题三：假设