解析數學模型(第五版)


摘要

就記錄了少部分題解,主要是太懶了(下次補坑可能就到明年建模了吧哈哈)

文章中一律以 BD 代替 Brief Description(題目簡述),SAT 代替 Solve and Thinking(解法和思路)

初等模型

一、雙層玻璃窗的功效

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BD:單層玻璃窗和雙層玻璃窗的熱量傳導進行對比,雙層玻璃窗能減少多少熱量損失?

SAT:簡單的熱傳導模型,不考慮熱對流和熱輻射,在室內外溫度恆定的假設下,用傅里葉熱傳導定律 \(Q=k\frac{\varDelta T}{d}\),玻璃和空氣厚度的比例 \(h=\frac{l}{d}\),再對兩者進行對比 \(\frac{Q_1}{Q_2}\),最后列一張比例圖
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二、划艇比賽的成績

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BD:探究划艇比賽成績和槳手數量的關系

SAT:(物理老師見了要吐血的假設和模型) ,首先有兩個假設:\(\frac{l}{b}\)\(\frac{w_0}{n}\) 設為常數,因為它們的變化不大。那么 \(\frac{l}{b}\) 不變可以得出艇的形狀是一樣的,推出 \(s\propto A^{\frac{2}{3}}\)【艇浸沒面積 \(s\) 和艇排水體積 \(A\) 成正比;\(\frac{w_0}{n}\) 不變得出 \(w_0\propto n\)【艇重 \(w_0\) 和槳手數 \(n\) 成正比】,又由於 \(w'=w_0+nw\)【總質量等於艇重加槳手數的總質量】,推出 \(w'\propto n\)【艇重 \(w_0\) 和 槳手數量 \(n\) 成正比】

SAT2:眾所周知,空氣阻力的公式 \(F=\frac{1}{2}C\rho SV^2\)\(C\) 為空氣阻力系數,即常數;\(\rho\) 是空氣密度,一般情況也取常數;\(S\) 為物體迎風面積;\(V\) 為物體與空氣的相對運動速度】,那么根據空氣阻力的公式,可以類似的推導出艇的阻力公式 \(f\propto sv^2\)\(f\) 是艇與水的摩擦阻力;\(s\) 是艇浸沒面積;\(v^2\) 是划艇速度的平方】

SAT3:假設所有槳手的體重相同,划艇的速度是勻速的,那么根據功率公式 \(P=FV\),推導出 \(np\propto fv\)\(np\) 是所有槳手的總功率;\(f\) 是艇與水的摩擦阻力;\(v\) 是划艇速度】,而 \(p\propto w\) 可以解釋為:槳手的功率 \(p\) 與肌肉體積、肺的提及成正比,對於身材均勻的運動員,肌肉、肺的體積與體重 \(w\) 成正比

STA4:比賽時間 \(t\) 與速度 \(v\) 成反比,把上述所有公式進行整合可得到 \(t\propto n^{-\frac{1}{9}}\),即划艇比賽成績和槳手數量的關系模型

三、實物交換

BD:甲只有一定量的物品 X,乙只有一定量的物品 Y,所以他們之間想進行交換,用作圖的方法對雙方交換實物建立一個模型

STA:無差別曲線用於描述甲或乙對物品X和Y的偏愛程度(但下圖為的),甲有無數條無差別曲線(乙也一樣),越靠近右上角,代表甲的滿意程度越高。針對每一條無差別曲線,甲都是可以接受的,只是滿意程度的不同罷了,每條曲線上面的點代表甲最終獲得的物品X和Y的數量
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STA2:而對於乙來說,假設他的無差別曲線的源點是 \(O'\),相當於把甲的無差別曲線逆轉180°,然后把他們合並在一起(如下圖)。越靠近 \(O'\)點,甲越滿足,乙越不滿足,而越靠近 \(O\)點,情況正好相反,所以找到一條符合兩者滿足程度的曲線 \(AB\)【驗證:假設交換在 \(AB\) 以外的某一點 \(p'\) 進行,若通過 \(p'\) 的甲的無差別曲線與AB的交點為 \(p\),甲對 \(p\)\(p'\) 的滿意度相同,而乙對 \(p\) 的滿意度高於 \(p'\),所以雙方滿意的交換不可能在 \(p'\) 進行】
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STA3:等價交換原則,即雙方在兩種物品交換前后,擁有的價值都相同。假設交換前甲占有的物品 X 和乙占有的物品 Y 具有相同的價值,那么只要在 x 軸和 y 軸(原物品的數量)間連一條線(如下圖),那么這條線上所以的點都滿足等價交換原則
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STA4:至於為何無差別曲線會向源點下凸,是因為物以稀為貴。當人們占有的 \(x\) 較小時,他們寧願以較多的 \(\varDelta y\) 換較少的 \(\varDelta x\)

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四、汽車剎車距離與道路通行能力

BD:介紹交通流的主要參數及基本規律、汽車剎車距離模型、道路通行能力模型

PS:這一節內容的推導我覺得很簡略,比賽時肯定要另查文獻,所以我就干脆只放公式結論出來

STA:交通流的主要參數及基本規律。流量 \(q\)、速度 \(v\)、密度 \(k\) 顯然滿足 \(q=vk\)。車速與密度之間的一個線性模型 \(v=v_f\left( 1-k/k_j \right)\)\(v_f\) 是密度 \(k=0\) 時的車速;\(k_j\) 是速度 \(v=0\) 時的密度】,兩個公式合並可以發現當 \(k=k_j/2\) 時流量最大,同理,當 \(v=v_j/2\) 時流量最大

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STA2:汽車剎車距離模型。剎車距離與車速之間的模型 \(d=c_1v+c_2v^2\)\(c_1、c_2\) 皆為比例系數】

STA3:道路通行能力模型。道路通行能力模型 \(N=\frac{1000}{c_1+c_2v+\frac{d_0}{v}}\)\(d_0\) 是車身標准長度與兩車間的安全距離之和】,而最大的道路通行能力模型 $$N_m=\frac{1000}{c_1+2\sqrt{c_2d_0}}$$

五、估計出租車的總數

BD:已知出租車的牌號是按順序發放的,隨意記下10輛出租車牌號,根據這些數據估計出租車總數

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STA:模型建立的方法有五種,分別是:平均值模型、中位數模型、兩端間隔對稱模型、平均間隔模型、區間均分模型,然后各模型的公式一看就懂了,挺簡單的 (懶得寫了)

STA2:相比較后發現各有各的好,但平均間隔模型是五個模型中最理想的模型

六、評選舉重總冠軍

BD:如何從同一個項目(舉重)的 8 個冠軍中選取一個總冠軍 ?

STA:先建立體重和舉重成績之間的數學模型,由此模型計算各個級別冠軍的舉重成績理論值,再算出實際值和理論值的比值,並根據比值構建一個數量指標作為折合成績,折合成績最大的冠軍即為總冠軍

七、解讀 \(CPI\)

BD:如題

STA:\(CPI\) 包含的概念有:環比價格指數、同比價格指數、累計價格指數、年價格增長指數

STA1:
環比價格指數:以上月為基調進行對比的價格指數

同比價格指數:以上年同月為基調進行對比的價格指數

累計價格指數:從1月起到發布月份為止累計的、以上年同一期間價格為基期進行對比的指數

年價格增長指數:每年12月的累計為1月至12月同比的平均值,以上年的平均值為基期進行對比的指數

差分方程與代數方程模型

一、貸款買房

BD:構建貸款購房模型

STA:概念一:單利和復利;概念二:整存整取和零存整取;概念三:等額本息貸款和等額本金貸款;概念四:其他

STA2:單利和復利。單利即死期存款,中間不取出,直到最后一年取出;復利也稱利滾利,中間可以取出,每年產生的利息算在下二年的本金中

STA3:整存整取和零存整取。前者是往銀行存一大筆錢,每年取出固定的資金;后者是每年往銀行存入固定的錢,最后一年全部取出(下圖分別是前者和后者)

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STA4:等額本息貸款和等額本金貸款。兩者都是先貸全款。但前者一開始每月要還的款比后者小,而隨着月份的流逝,兩者還款金額逐漸相同,接着,前者還的款比后者越來越大(如下圖)

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STA5:商業貸款和公積金屬於不同的的貸款類別,區別在於年利率不同;按揭年數上至30年,下至1年


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