2003高教社杯全国大学生数学建模竞赛-D题(抢渡长江)-论文

一个偏远村庄，牵挂着一个人40多年的记忆;一群质朴村民，见证着苦难交织着辉煌的青春岁月;一份厚重乡情，承载着不能忘却的赤子情怀，这个小村庄就是梁家河。抢渡长江摘要问题一，是渡河问题最简单的一种模型。由题意可知，渡河的合运动是一条直线，结合简单的几何关系运算，我们建立了一个简单的几何模型。对该几何模型适当变形即可得出问题一的模型，求解出参赛者的游泳速度，并且通过游泳速度确定出最佳的游泳路线。问题二，与问题一的方法一样，对原几何模型适当变形得到问题二的模型，代值即可解出游泳者始终以固定方向游时，游泳者可到达终点的速度要求。问题三，水流的速度分为了三段，每一段为一个固定的函数值，根据问题一的分析，该游泳路线应该是三条不同的直线组成的。所以此问采用分段计算求和的优化模型来解决，运用lingo软件编程求解出最佳的渡河角度。问题四，实质是对问题三模型的推广，在该问中，水流速度是分段函数，我们用微积分的方法分别解出每一个阶段上的水平位移，再采用分段计算求和的优化模型来解决，运用lingo软件编程求解出最佳的渡河角度。关键词：渡河问题运动的合成与分解微积分优化模型lingo软件一个偏远村庄，牵挂着一个人40多年的记忆;一群质朴村民，见证着苦难交织着辉煌的青春岁月;一份厚重乡情，承载着不能忘却的赤子情怀，这个小村庄就是梁家河。一、问题重述“渡江”是武汉城市的一张名片。1934年9月9日，武汉警备旅官兵与体育界人士联手，在武汉第一次举办横渡长江游泳竞赛活动，起点为武昌汉阳门码头，终点设在汉口三北码头，全程约5000米。有44人参加横渡，40人达到终点，张学良将军特意向冠军获得者赠送了一块银盾，上书“力挽狂澜”。2002年5月1日，抢渡的起点设在武昌汉阳门码头，终点设在汉阳南岸咀，江面宽约1160米。据报载，当日的平均水温16.8℃,江水的平均流速为1.89米/秒。参赛的国内外选手共186人（其中专业人员将近一半），仅34人到达终点，第一名的成绩为14分8秒。除了气象条件外，大部分选手由于路线选择错误，被滚滚的江水冲到下游，而未能准确到达终点。假设在竞渡区域两岸为平行直线,它们之间的垂直距离为1160米,从武昌汉阳门的正对岸到汉阳南岸咀的距离为1000米，见示意图。请你们通过数学建模来分析上述情况,并回答以下问题:1.假定在竞渡过程中游泳者的速度大小和方向不变，且竞渡区域每点的流速均为1.89米/秒。试说明2002年第一名是沿着1160m1000m长江水流方向终点:汉阳南岸咀起点:武昌汉阳门一个偏远村庄，牵挂着一个人40多年的记忆;一群质朴村民，见证着苦难交织着辉煌的青春岁月;一份厚重乡情，承载着不能忘却的赤子情怀，这个小村庄就是梁家河。怎样的路线前进的，求她游泳速度的大小和方向。如何根据游泳者自己的速度选择游泳方向，试为一个速度能保持在1.5米/秒的人选择游泳方向，并估计他的成绩。2.在（1）的假设下，如果游泳者始终以和岸边垂直的方向游,他(她)们能否到达终点？根据你们的数学模型说明为什么1934年和2002年能游到终点的人数的百分比有如此大的差别；给出能够成功到达终点的选手的条件。3.若流速沿离岸边距离的分布为(设从武昌汉阳门垂直向上为y轴正向)：米米秒，米米米秒，米米米秒，米1160960/47.1960200/11.22000/47.1)(yyyyv游泳者的速度大小（1.5米/秒）仍全程保持不变，试为他选择游泳方向和路线，估计他的成绩。4.若流速沿离岸边距离为连续分布,例如1160960)1160(20028.296020028.2200020028.2)(yyyyyyv，，，或你们认为合适的连续分布，如何处理这个问题。二、问题分析问题一，是渡河问题最简单的一种模型。首先，水流的速度不变，而人渡河的方向以及速度也不会变，这说明渡河的合运动是一条直线。结合简单的几何关系运算，我们建立了一个简单的几何模型求解一个偏远村庄，牵挂着一个人40多年的记忆;一群质朴村民，见证着苦难交织着辉煌的青春岁月;一份厚重乡情，承载着不能忘却的赤子情怀，这个小村庄就是梁家河。出参赛者的游泳速度，并且通过游泳速度确定出最佳的游泳路线。最后我们得出结论：2002年第一名参赛时的游泳速度是1.5416米每秒，游泳方向是沿着与水流方向夹角为117.4558度方向，当游泳者的速度为1.5米每秒时，游泳者的最佳游泳方向是沿着与水流方向夹角为121.8548度方向，其成绩为910.4595秒。问题二，则是运用问题一中的模型求解，解得游泳者始终以和岸边垂直的方向游时，游泳者的速度需要达到2.1924米每秒，才能在529.1005秒时到达终点。而游泳者的速度显然不可能达到2.1924米每秒，因此游泳者不能到达终点。同样的，运用问题一中的模型我们分别解得在1934年的比赛制度和2002年的比赛制度下，能够成功到达终点的选手的速度要求分别为0.4385米每秒和1.4315米每秒，同时确定出了造成差异的原因是两次比赛赛程所确定的水平距离不同。问题三，水流的速度分为了三段。每一段为一个固定的函数值，根据问题一的分析，该游泳路线应该是三条不同的直线组成的。所以，可以想到将第一问的模型分解为三段，然后求解出三段时间的最小和即为渡河的最佳成绩。所以此问采用分段计算求和的优化模型来解决，运用lingo软件求解出了最佳的渡河角度：1=3=126.0561度，2=118.0627度，最佳渡河时间为T=904.0228秒。问题四，在对问题三模型的推广。在该问中，水流速度是分段函数，我们很自然的想到了用微积分的方法分别解出每一个阶段上的水平位移，然后再求解出三段时间的最小和即为渡河的最佳成绩。所以一个偏远村庄，牵挂着一个人40多年的记忆;一群质朴村民，见证着苦难交织着辉煌的青春岁月;一份厚重乡情，承载着不能忘却的赤子情怀，这个小村庄就是梁家河。此问仍然采用分段计算求和的优化模型来解决，运用lingo软件求解出了最佳的渡河角度：1=3=127.3619度，2=114.5386度，最佳渡河时间为T=892.4776秒。三、模型假设1、假设在整个比赛过程中，江面都可以看作是一个平面，并且参赛者可以看作是一个质点。2、假设参赛选手的成绩除了受水的流速外不受其他气象条件的影响3、假设参赛者在比赛过程中游泳速度的大小和方向始终都保持不变，且为一个固定的常值。4、在比较1934年与2002年的比赛成功率时，假定外部条件包括气象条件、水温、流速等均相同。四、符号说明L起点站到终点站的位移，为常数1000米。H长江的固定水面宽度,为常数1160米。u参赛队员的游泳速度。v水流的流速，本文中为1.89m/s。T参赛队员的比赛成绩，即到达终点所用时间。参赛队员游泳方向与水流方向的夹角。iv各个不同区域水流的速度大小。iH不同时间段内参赛者的竖直位移。iL各时间段内参赛者的水平位移。五、模型的建立与求解1.问题一模型的建立与求解：一个偏远村庄，牵挂着一个人40多年的记忆;一群质朴村民，见证着苦难交织着辉煌的青春岁月;一份厚重乡情，承载着不能忘却的赤子情怀，这个小村庄就是梁家河。图1以水流方向为x轴正方向，武昌汉阳门垂直向上为y轴正方向，起点为坐标原点建立直角坐标系。根据题意和模型假设可知，如图1，水流速度为常数时，参赛者的运动轨迹应该是一条直线。则可根据几何关系，建立下面的关系式：cos,(0)0,()sin,(0)0,()dxuvxxTLdtdyuyyTHdt(1)要使(1)式有解，则有：cossinLHTuvu(2)由(2)式变形可得：cossinLuvTHuT31)将u和作为未知量求解(3)式得：22arccosLvTHuTTLvuT(4)一个偏远村庄，牵挂着一个人40多年的记忆;一群质朴村民，见证着苦难交织着辉煌的青春岁月;一份厚重乡情，承载着不能忘却的赤子情怀，这个小村庄就是梁家河。在问题一的第一小问中，2002年第一名的成绩是14分8秒，即T=848s。又已知河面宽H=1160m，水平位移L=1000m，水流速度v=1.89m/s，代入(4)式，通过matlab求解得：1.5416/ums，117.4558即2002年第一名参赛时的游泳速度是1.5416米每秒，游泳方向则是沿着与水流方向夹角为117.46度方向。2)将T和作为未知量求解(3)式得：22222222()arccosLvuHuLvHTvuLvuT(5)在问题一的第二小问中，游泳者的速度u=1.5m/s。又已知河面宽H=1160m，水平位移L=1000m，水流速度v=1.89m/s，代入(5)式，通过matlab求解得：910.4595Ts，121.8548即游泳者的速度为1.5米每秒时，游泳者的最佳游泳方向是沿着与水流方向夹角为121.8548度方向，其成绩为910.4595秒。2.问题二模型的建立与求解：1)将T和u作为未知量求解(2)式得：cossinLTuvHuT(6)根据问题二中的条件可知，游泳者始终以和岸边垂直的方向游，即90。又已知河面宽H=1160m，水平位移L=1000m，水流速度一个偏远村庄，牵挂着一个人40多年的记忆;一群质朴村民，见证着苦难交织着辉煌的青春岁月;一份厚重乡情，承载着不能忘却的赤子情怀，这个小村庄就是梁家河。v=1.89m/s，代入(6)式，通过matlab求解得：529.1005sT，2.1924/ums即游泳者始终以和岸边垂直的方向游时，游泳者的速度需要达到2.1924米每秒，才能在529.1005秒时到达终点。而游泳者的速度显然不可能达到2.1924米每秒，因此游泳者不能到达终点。2)在(5)式中，我们给出了关于T的表达式：22222222()LvuHuLvHTvu(7)显然，选手能到达终点的充要条件是T存在实根，故有：2222220uHuLvH(8)即能够成功到达终点的选手的条件是其速度u满足下式：22HuvHL(9)根据题目所给条件，1934年竞渡的直线距离为5000m，河面宽H=1160m，假设当时的水流速度1.89/vms,代入(9)式，通过matlab求解得：0.4385/ums即在此条件下，选手速度只要大于0.4385米每秒就能成功到达终点。而对于2002年，河面宽H=1160m，水平位移L=1000m，水流速度v=1.89m/s，代入(9)式，通过matlab求解得：1.4315/ums即在此条件下，选手速度要大于1.4315米每秒才能成功到达终点。一个偏远村庄，牵挂着一个人40多年的记忆;一群质朴村民，见证着苦难交织着辉煌的青春岁月;一份厚重乡情，承载着不能忘却的赤子情怀，这个小村庄就是梁家河。显然，1934年的比赛所确定的水平距离比2002年的比赛所确定的水平距离大得多，使得1934年的比赛对能够成功到达终点的选手的能力要求较低，而2002年的比赛对能够成功到达终点的选手的能力则要求较高，从而造成了1934年和2002年到达终点的人数的百分比有了如此大的差别。3.问题三模型的建立与求解图2根据题意和模型假设，我们可以依据水流的变化将游泳者竞渡的整个过程分为如图2所示的三段过程，则有以下关系：sin(cos)siniiiiiiiiiHTuHuvLuLL1,2,3.i(10)又由已知条件可知：一个偏远村庄，牵挂着一个人40多年的记忆;一群质朴村民，见证着苦难交织着辉煌的青春岁月;一份厚重乡情，承载着不能忘却的赤子情怀，这个小村庄就是梁家河。1231232000200960200760116096020010001.47/2.11/1.47/1.5/HmHmHmLmvmsvmsvmsums