数学建模初等模型.ppt

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1、数学建模数学建模数学建模数学建模（Mathematical Modeling)Mathematical Modeling)黑龙江科技学院理学院黑龙江科技学院理学院工程数学教研室工程数学教研室第二章第二章 初等模型初等模型 黑龙江科技学院 数数 学学 建建 模模 理学院理学院线性代数模型性代数模型初等模型初等模型第二章极限、最极限、最值、积分分问题的初等模型的初等模型经济问题中的初等模型中的初等模型重点重点:各种各种简单的初等模型的初等模型难点点:简单初等模型的建立和求解初等模型的建立和求解生活中的生活中的问题 黑龙江科技学院 数数 学学 建建 模模 理学院理学院建模建模举例例2.1 生活中的生

2、活中的问题2.1.1椅子能在不平的地面上放椅子能在不平的地面上放稳吗问题分析分析模模型型假假设通常通常 三只脚着地三只脚着地放稳放稳 四只脚着地四只脚着地 四条腿一样长，椅脚与地面点接触，四脚四条腿一样长，椅脚与地面点接触，四脚连线呈正方形连线呈正方形;地面高度连续变化，可视为数学上的连续地面高度连续变化，可视为数学上的连续曲面曲面;地面相对平坦，使椅子在任意位置至少三地面相对平坦，使椅子在任意位置至少三只脚同时着地。只脚同时着地。黑龙江科技学院 数数 学学 建建 模模 理学院理学院模型构成模型构成用数学语言把椅子位置和四只脚着地的关系表示出来用数学语言把椅子位置和四只脚着地的关系表示出来 椅

3、子位置椅子位置利用正方形利用正方形(椅脚连线椅脚连线)的对称的对称性性用用(对角线与对角线与x轴的夹角轴的夹角)表示椅子位表示椅子位置置 四只脚着地四只脚着地距离是距离是 的函数的函数四个距离四个距离(四只脚四只脚)A,C 两脚与地面距离之和两脚与地面距离之和 f()B,D 两脚与地面距离之和两脚与地面距离之和 g()两个距离两个距离xBADCODC B A 椅脚与地面距离为零椅脚与地面距离为零正方形正方形ABCD绕绕O点旋转点旋转正方形正方形对称性对称性 黑龙江科技学院 数数 学学 建建 模模 理学院理学院用数学语言把椅子位置和四只脚着地的关系表示出来用数学语言把椅子位置和四只脚着地的关系表

4、示出来f(),g()是是连续连续函数函数对任意对任意,f(),g()至少一个为至少一个为0数学数学问题已知：已知：f(),g()是是连续函数连续函数;对任意对任意，f()g()=0;且且 g(0)=0，f(0)0.证明：存在证明：存在 0，使，使f(0)=g(0)=0.模型构成模型构成地面为连续曲面地面为连续曲面 椅子在任意位置椅子在任意位置至少三只脚着地至少三只脚着地 黑龙江科技学院 数数 学学 建建 模模 理学院理学院模型求解模型求解给出一种简单、粗糙的证明方法给出一种简单、粗糙的证明方法将椅子将椅子旋转旋转900，对角线，对角线AC和和BD互换。互换。由由g(0)=0，f(0)0，知，知

5、f(/2)=0,g(/2)0.令令h()=f()g(),则则h(0)0和和h(/2)0.由由 f,g的连续性知的连续性知 h为连续函数为连续函数,据连续函数的基本性据连续函数的基本性质质,必存在必存在 0,使使h(0)=0,即即f(0)=g(0).因为因为f()g()=0,所以所以f(0)=g(0)=0.评注和思考注和思考建模的关键建模的关键 假设条件的本质与非本质假设条件的本质与非本质 考察四脚呈长方形的椅子考察四脚呈长方形的椅子 和和 f(),g()的确的确定定 黑龙江科技学院 数数 学学 建建 模模 理学院理学院 2.1.2 分蛋糕问题分蛋糕问题妹妹过生日，妈妈做了一块边界形状任意的妹妹

6、过生日，妈妈做了一块边界形状任意的蛋糕，哥哥也想吃，妹妹指着蛋糕上的一点蛋糕，哥哥也想吃，妹妹指着蛋糕上的一点对哥哥说，你能过这一点切一刀，使得切下对哥哥说，你能过这一点切一刀，使得切下的两块蛋糕面积相等，就把其中的一块送给的两块蛋糕面积相等，就把其中的一块送给你。哥哥利用高等数学知识解决了这个问题，你。哥哥利用高等数学知识解决了这个问题，你知道他用的是什么办法吗？你知道他用的是什么办法吗？问题归结为如下一道证明题：问题归结为如下一道证明题：已知平面上一条已知平面上一条没有交叉点没有交叉点的的封闭曲线，封闭曲线，P是曲线所围图形上是曲线所围图形上任一点，求证：一定存在一条过任一点，求证：一定存

7、在一条过P的直线，将这图形的面积二等的直线，将这图形的面积二等分。分。黑龙江科技学院 数数 学学 建建 模模 理学院理学院只证明了直线的存在性，只证明了直线的存在性，你能找到它么？你能找到它么？P?PS1S2l若若S1 S2 不妨设不妨设S1S2(此时此时l与与x轴正向的夹角记为轴正向的夹角记为 )以点以点P为旋转中心，将为旋转中心，将l按逆时按逆时针方向旋转，面积针方向旋转，面积S1，S2就就连连续依赖于续依赖于角角 的变化，记为的变化，记为令：令：而而 在在 上连续，且上连续，且由零点定理得证由零点定理得证。黑龙江科技学院 数数 学学 建建 模模 理学院理学院 出租车收费问题出租车收费问题

8、某城市出租汽车收费情况如下：起价某城市出租汽车收费情况如下：起价10元元（4km以内），行以内），行程不足程不足15km，大于等于，大于等于4km部分，每公里车费部分，每公里车费1.6元元；行程；行程大于等于大于等于15km部分，每公里车费部分，每公里车费2.4元元。计程器每。计程器每0.5km记记一次价。一次价。例如，当行驶路程例如，当行驶路程x（km）满足）满足12x12.5时，按时，按12.5km计价；当计价；当12.5 x13时，按时，按13km计价；计价；例如，等候时间例如，等候时间t(min)满足满足 2.5t5时，按时，按2.5min计价收费计价收费0.8元；元；当当5t0为比例

9、常数为比例常数)。1.建立细菌繁殖的数学模型。建立细菌繁殖的数学模型。2.假设一种细菌的个数按指数方式增长，下表是收集到的假设一种细菌的个数按指数方式增长，下表是收集到的近似数据。近似数据。天数天数细菌个数细菌个数5936102190 由于细菌的繁殖时连续变化的，由于细菌的繁殖时连续变化的，在很短的时间内数量变化得很小，在很短的时间内数量变化得很小，繁殖速度可近似看做不变。繁殖速度可近似看做不变。黑龙江科技学院 数数 学学 建建 模模 理学院理学院解解:建立数学模型建立数学模型将时间间隔将时间间隔t分成分成n等分，在第一段时间等分，在第一段时间 内，细菌繁殖的数内，细菌繁殖的数量为量为 ，在第

10、一段时间末细菌的数量为，在第一段时间末细菌的数量为 ，同样，同样，第二段时间末细菌的数量为第二段时间末细菌的数量为 ；以此类推，最后一段；以此类推，最后一段时间末细菌的数量为时间末细菌的数量为 ，经过时间，经过时间t后，细菌的总数是后，细菌的总数是设细菌的总数为设细菌的总数为y,则所求的数学模型为：则所求的数学模型为：黑龙江科技学院 数数 学学 建建 模模 理学院理学院海报设计问题海报设计问题现在要求设计一张单栏的竖向张贴的海报，它的印刷面积为现在要求设计一张单栏的竖向张贴的海报，它的印刷面积为128平方分米，上下空白个平方分米，上下空白个2分米，两边空白个分米，两边空白个1分米，如何分米，如

11、何确定海报尺寸可使四周空白面积为最小？确定海报尺寸可使四周空白面积为最小？最小最小令此式对令此式对x的导数为的导数为0，解得：，解得：x=16,此时此时y=8,可使空白面积可使空白面积最小。最小。其中其中这个问题可用求一元函数最值的方法解决这个问题可用求一元函数最值的方法解决x21y 思考思考：若海报改为左右两栏，横：若海报改为左右两栏，横向粘贴，印刷面积为向粘贴，印刷面积为180平方分米，平方分米，要求四周留下空白宽要求四周留下空白宽2分米，留分米，留1分米分米宽竖直中缝。如何设计它的尺寸使总宽竖直中缝。如何设计它的尺寸使总空白面积最小空白面积最小?黑龙江科技学院 数数 学学 建建 模模 理

12、学院理学院 对某工厂的上午班工人的工作效率的研究表明，一个中等对某工厂的上午班工人的工作效率的研究表明，一个中等水平的工人早上水平的工人早上8：00开始工作，在开始工作，在t小时之后，生产出小时之后，生产出 Q(t)=-t3+9t2+12t 个晶体管收音机。个晶体管收音机。问：在早上几点钟这个工人的工作效率最高？问：在早上几点钟这个工人的工作效率最高？工人上班效率问题工人上班效率问题工作效率最高，即生工作效率最高，即生产率最大，率最大，此此题中，工人在中，工人在t t时刻的生刻的生产率率为产量量Q Q关于关于时间t t的的变化率：化率：Q(t)Q(t)，则问题转化化为求求Q(t)Q(t)的最大

13、的最大值解：工人的生产率为解：工人的生产率为比较比较R(0)=12,R(3)=39,R(4)=36,知知t=3时，即上午时，即上午11：00，工人的工作效率最高。工人的工作效率最高。黑龙江科技学院 数数 学学 建建 模模 理学院理学院 一个小乡村里的唯一商店有两种牌子的冻果汁，当地牌子一个小乡村里的唯一商店有两种牌子的冻果汁，当地牌子进价每听进价每听30美分，外地牌子的进价每听美分，外地牌子的进价每听40美分。店主估计，美分。店主估计，如果当地牌子的每听卖如果当地牌子的每听卖x美分，外地牌子卖美分，外地牌子卖y美分，则每天可美分，则每天可卖出卖出70-5x+4y听当地牌子的果汁，听当地牌子的果

14、汁，80+6x-7y听外地牌子的果听外地牌子的果汁。汁。问：问：店主每天以什么价格卖两种牌子的果汁可取得最大店主每天以什么价格卖两种牌子的果汁可取得最大收益？收益？最大利润问题最大利润问题想一想高等数学中二想一想高等数学中二元函数求最值的方法元函数求最值的方法解：解：每天的总收益为二元函数：每天的总收益为二元函数：令令 ，则有驻点，则有驻点x=53,y=55判断可知判断可知（53，55）为最大值点。为最大值点。黑龙江科技学院 数数 学学 建建 模模 理学院理学院一零售商收到一船共一零售商收到一船共10000公斤大米，这批大米以常量每月公斤大米，这批大米以常量每月2000公斤运走，要用公斤运走，

15、要用5个月个月 时间，如果贮存费是每月每公斤时间，如果贮存费是每月每公斤0.01元，元，5个月之后这位零售商需支付贮存费多少元？个月之后这位零售商需支付贮存费多少元？商品的贮存费问题商品的贮存费问题将区间将区间0t5分分为n个等距的小区个等距的小区间，任取第，任取第j个小区个小区间【tj,tj+1】，区】，区间长度度为tj+1-tj=t，在，在这个小区个小区间中，中，每公斤每公斤贮存存费用用=0.01 t 第第j个小区间的贮存费个小区间的贮存费=0.01 Q(tj)t 总的贮存费总的贮存费=由定积分定义：由定积分定义：总贮存费总贮存费=解解：令令Q(t)表示表示t个月后贮存大米的公斤数，则个月

16、后贮存大米的公斤数，则 Q(t)=10000-2000t 黑龙江科技学院 数数 学学 建建 模模 理学院理学院某公路管理处在城市高速公路出口处，记录了几个星期内平某公路管理处在城市高速公路出口处，记录了几个星期内平均车连行驶速度，数据统计表明：一个普通工作日的下午均车连行驶速度，数据统计表明：一个普通工作日的下午1：00至至6：00之间，次口在之间，次口在t时刻的平均车辆行驶速度为：时刻的平均车辆行驶速度为：S(t)=2t3-21t2+60t+40(km/h)左右，试计算下午左右，试计算下午1：00至至6：00内的平均车辆行驶速度？内的平均车辆行驶速度？车辆平均行驶速度问题车辆平均行驶速度问题

17、解解：平均车辆行驶速度为平均车辆行驶速度为此此题是求函数是求函数s(t)s(t)在区在区间【1 1，6 6】内的平均】内的平均值 一般地，一般地，连续函数在区函数在区间上上的平均的平均值，等于函数在此区，等于函数在此区间上的定上的定积分除以区分除以区间长度。度。黑龙江科技学院 数数 学学 建建 模模 理学院理学院 设产品产量为设产品产量为q,产品价格为产品价格为p,固定成本固定成本c0，可变成本，可变成本为为c1.2.5 经济问题中的初等模型经济问题中的初等模型（1）总成本函数总成本函数：（2）供给函数供给函数：（3）需求函数需求函数：（4）价格函数价格函数：黑龙江科技学院 数数 学学 建建

18、模模 理学院理学院（5）收益函数收益函数：（6）利润函数利润函数：（7）边际成本函数边际成本函数：（8）边际收益函数：边际收益函数：（9）边际利润函数：边际利润函数：黑龙江科技学院 数数 学学 建建 模模 理学院理学院例例1 某品牌收音机每台售价某品牌收音机每台售价90元，成本为元，成本为60元，厂家为鼓励元，厂家为鼓励销售商大量采购，决定凡是订购量超过销售商大量采购，决定凡是订购量超过100台以上的，每多台以上的，每多订购一台，售价就降低订购一台，售价就降低1分（例如某商行订购分（例如某商行订购300台，订购量台，订购量比比100台多台多200台，于是每台就降价台，于是每台就降价0.0120

19、0=2元，商行可元，商行可按每台按每台88元的价格购进元的价格购进300台）。但最低价格为台）。但最低价格为75元元/台。台。（1）建立订购量）建立订购量x与每台的实际售价与每台的实际售价p的数学模型。的数学模型。（2）建立利润）建立利润L与订购量与订购量x的数学模型。的数学模型。（3）当一商行订购了）当一商行订购了1000台时，厂家可获利润多少？台时，厂家可获利润多少？据此不难将售价与订购量归纳为如下的数学模型：据此不难将售价与订购量归纳为如下的数学模型：当当x100时，每台售价，每台售价90元；当元；当订购量超量超过1600台台时，每台售价，每台售价75元；元；当当订购量在量在100到到1

20、600台之台之间时，每，每台售价台售价为90-(x-100)0.01每台利润是实际售价每台利润是实际售价p与成本与成本60元之差，所以元之差，所以 L=(p-60)x 黑龙江科技学院 数数 学学 建建 模模 理学院理学院例例2 2 一房地产公司有一房地产公司有5050套公寓要出租，当租金定为每月套公寓要出租，当租金定为每月180180元时，公寓会全部租出去，当租金每月增加元时，公寓会全部租出去，当租金每月增加1010元时，就有一元时，就有一套公寓租不出去，而租出去的房子每月需花费套公寓租不出去，而租出去的房子每月需花费2020元的整修维元的整修维护费。护费。（1 1）建立总收入）建立总收入R与

21、租金与租金x之间的数学模型。之间的数学模型。（2 2）当房租定为多少时可获得最大收入？）当房租定为多少时可获得最大收入？解解：（1）建立数学模型：建立数学模型：（2）求求R的最大值。的最大值。得得x=350(元元/月月)总收入总收入R等于租出的公寓数等于租出的公寓数50-(x-180)/10)乘以每套公寓的纯利乘以每套公寓的纯利润润x-20 黑龙江科技学院 数数 学学 建建 模模 理学院理学院例例3 某不动产商行能以某不动产商行能以5%的年利率借得贷款，然后它又把的年利率借得贷款，然后它又把此款贷给顾客。若他能贷出的款额与他贷出的利率的平方成此款贷给顾客。若他能贷出的款额与他贷出的利率的平方成

22、反比（利率太高无人借贷）。反比（利率太高无人借贷）。(1)建立年利率建立年利率x与利润与利润p间的数学模型。间的数学模型。(2)当以多大的年利率贷出时，能使商行获得利润最大？当以多大的年利率贷出时，能使商行获得利润最大？解解 (1)贷出的款额为贷出的款额为k/x2,k0为常数，商行可获得利润：为常数，商行可获得利润：(2)下面求当下面求当x取何值时，取何值时，p最大。最大。得得x=0.1,即贷出年利率为即贷出年利率为10%时，商行获得利润最大。时，商行获得利润最大。黑龙江科技学院 数数 学学 建建 模模 理学院理学院2.6 线性代数模型线性代数模型 所谓状态转移问题讨论的是在一定的条件下，系统

23、由一状态所谓状态转移问题讨论的是在一定的条件下，系统由一状态所谓状态转移问题讨论的是在一定的条件下，系统由一状态所谓状态转移问题讨论的是在一定的条件下，系统由一状态逐步转移到另一状态是否可能，如果可以转移的话，应如何逐步转移到另一状态是否可能，如果可以转移的话，应如何逐步转移到另一状态是否可能，如果可以转移的话，应如何逐步转移到另一状态是否可能，如果可以转移的话，应如何具体实现？具体实现？具体实现？具体实现？例例1 人、狗、鸡、米过河问题人、狗、鸡、米过河问题 这是一个人所共知而又十分简单的智力游戏。某人要带狗、这是一个人所共知而又十分简单的智力游戏。某人要带狗、鸡、米过河，但小船除需要人划外

24、，最多只能载一物过河，鸡、米过河，但小船除需要人划外，最多只能载一物过河，而当人不在场时，狗要咬鸡、鸡要吃米，问此人应如何过河。而当人不在场时，狗要咬鸡、鸡要吃米，问此人应如何过河。在本问题中，可采取如下方法：一物在此岸时相应分量为在本问题中，可采取如下方法：一物在此岸时相应分量为1，而在彼岸时则取而在彼岸时则取 为为0，例如，例如（1,0,1,0）表示人和鸡在此岸，表示人和鸡在此岸，而狗和米则在对岸。而狗和米则在对岸。黑龙江科技学院 数数 学学 建建 模模 理学院理学院（i）可取状态可取状态：根据题意，并非所有状态都是允许的，例如：根据题意，并非所有状态都是允许的，例如（0,1,1,0）就是

25、一个不可取的状态。本题中可取状态（即系）就是一个不可取的状态。本题中可取状态（即系统允许的状态）可以用穷举法列出来，它们是：统允许的状态）可以用穷举法列出来，它们是：（ii）可取运算可取运算：状态转移需经状态运算来实现。在实际问：状态转移需经状态运算来实现。在实际问题中，摆一次渡即可改变现有状态。为此也引入一个四维向题中，摆一次渡即可改变现有状态。为此也引入一个四维向量（转移向量），用它来反映摆渡情况。例如量（转移向量），用它来反映摆渡情况。例如（1，1，0，0）表示人带狗摆渡过河。根据题意，允许使用的转移向量）表示人带狗摆渡过河。根据题意，允许使用的转移向量只能有（只能有（1，0，0，0，）

26、、（，）、（1，1，0，0）、）、（1，0，1，0）、（）、（1，0，0，1）四个。）四个。人在此岸人在此岸 人在对岸人在对岸(1，1，1，1)(0，0，0，0)(1，1，1，0)(0，0，0，1)(1，1，0，1)(0，0，1，0)(1，0，1，1)(0，1，0，0)(1，0，1，0)(0，1，0，1)总总共共有有十十个个可可取取状状态态，对对一一般般情情况况，应应找找出出状状态态为为可可取取的充要条件。的充要条件。黑龙江科技学院 数数 学学 建建 模模 理学院理学院规定一个状态向量与转移向量之间的运算。规定状态向量与规定一个状态向量与转移向量之间的运算。规定状态向量与规定一个状态向量与转移

27、向量之间的运算。规定状态向量与规定一个状态向量与转移向量之间的运算。规定状态向量与转移向量之和为一新的状态向量，其运算为对应分量相加，转移向量之和为一新的状态向量，其运算为对应分量相加，转移向量之和为一新的状态向量，其运算为对应分量相加，转移向量之和为一新的状态向量，其运算为对应分量相加，且规定且规定且规定且规定0+0=00+0=0，1+0=0+1=11+0=0+1=1，1+1=01+1=0。在具体转移时，只考虑由可取状态到可取状态的转移。问题化在具体转移时，只考虑由可取状态到可取状态的转移。问题化为：为：由由初始状态（初始状态（1，1，1，1）出发，经奇数次上述运算转化为（）出发，经奇数次上

28、述运算转化为（0，0，0，0）的转移过程。）的转移过程。我们可以如下进行分析我们可以如下进行分析 ：（第一次渡河）（第一次渡河）黑龙江科技学院 数数 学学 建建 模模 理学院理学院（第二次渡河）（第二次渡河）以下可继续进行下去，直至转移目的实现。上述分析实际以下可继续进行下去，直至转移目的实现。上述分析实际上采用的是穷举法，对于规模较大的问题是不宜采用的。上采用的是穷举法，对于规模较大的问题是不宜采用的。黑龙江科技学院 数数 学学 建建 模模 理学院理学院例例2 夫妻过河问题夫妻过河问题这是一个古老的阿拉伯数学问题。有三对夫妻要这是一个古老的阿拉伯数学问题。有三对夫妻要过河，船最多可载两人，约

29、束条件是根据阿拉伯过河，船最多可载两人，约束条件是根据阿拉伯法律，任一女子不得在其丈夫不场的情况下与其法律，任一女子不得在其丈夫不场的情况下与其他男子在一起，问此时这三对夫妻能否过河？他男子在一起，问此时这三对夫妻能否过河？这一问题的状态和运算与这一问题的状态和运算与前一问题有所不同，根据前一问题有所不同，根据题意，状态应能反映出两题意，状态应能反映出两岸的男女人数，过河也同岸的男女人数，过河也同 样要反映出性别样要反映出性别 故可如下定义：故可如下定义：（i）可取状态可取状态：用用H和和W分别表示此岸的男子和分别表示此岸的男子和女子数，状态可用矢量女子数，状态可用矢量（H，W）表示，其中表示

30、，其中0H、W3。可取状态为（。可取状态为（0,i），），(i,i)，(3,i)，0i3。(i,i)为可取状态，这是因为总可以适为可取状态，这是因为总可以适当安排而使他们是当安排而使他们是 i对夫妻。对夫妻。（ii）可取运算可取运算：过河方式可以是一对夫妻、两个：过河方式可以是一对夫妻、两个男人或两个女人，当然也可以是一人过河。转移男人或两个女人，当然也可以是一人过河。转移向量可取成向量可取成(1)im,(1)in)，其中其中m、n可取可取0、1、2，但必须满足，但必须满足1m+n2。当。当j为奇数时表示为奇数时表示过河。过河。当当j为偶数时表示由对岸回来，运算规则同为偶数时表示由对岸回来，运

31、算规则同普通向量的加法。普通向量的加法。黑龙江科技学院 数数 学学 建建 模模 理学院理学院 问题归结为由状态问题归结为由状态(3,3)经经奇数次奇数次可取运算，即由可取状可取运算，即由可取状态到可取状态的转移，转化态到可取状态的转移，转化 为为(0,0)的转移问题。和上题一样，的转移问题。和上题一样，我们既可以用计算机求解，也可以分析求解，此外，本题还可我们既可以用计算机求解，也可以分析求解，此外，本题还可用用作图作图方法来求解。方法来求解。在在HW平面坐标中，以平面坐标中，以“”表示可取状态，表示可取状态，从从A(3,3)经奇经奇数次转移到数次转移到 达达O(0,0)。奇数次。奇数次转移时

32、向左或下移转移时向左或下移 动动1-2格而格而落在一个可取状态上，落在一个可取状态上，偶数次偶数次转移时向右或上移转移时向右或上移 动动1-2格而落格而落在一个可取状态上。为了区分起见在一个可取状态上。为了区分起见 ,用用红红箭线表示箭线表示奇奇数次转数次转移，用移，用蓝蓝箭线表示第箭线表示第偶偶数数 次转移次转移,下图给出了一种可实现的方下图给出了一种可实现的方案案 ,故故 A(3,3)O(0,0)HW这这三三对夫妻是可以过河的对夫妻是可以过河的。假如按。假如按这样的方案过这样的方案过 河河,共需经过共需经过十一十一次次摆渡。摆渡。不难看出不难看出,在上述规则下在上述规则下,4对夫妻就无法过

33、对夫妻就无法过河了河了,读者可以自行证明之读者可以自行证明之.类似可以讨论类似可以讨论船每次可载三人的情况船每次可载三人的情况,其结果其结果 是是5对夫妻对夫妻是可以过河的是可以过河的,而而六六对以上时就对以上时就 无法过河无法过河了。了。黑龙江科技学院 数数 学学 建建 模模 理学院理学院常染色体遗传模型常染色体遗传模型 下面给出双亲体基因型的所有可能的结合，以及其后代形成下面给出双亲体基因型的所有可能的结合，以及其后代形成每种基因型的概率，如每种基因型的概率，如 表所示。表所示。在常染色体遗传中，后代从每个亲体的基因对中各继承一在常染色体遗传中，后代从每个亲体的基因对中各继承一个基因，形成

34、自己的基因时，基因对也称为基因型。如果个基因，形成自己的基因时，基因对也称为基因型。如果我们所考虑的遗传特征是由两个基我们所考虑的遗传特征是由两个基 因因A和和a控制的，（控制的，（A、a为表示两类基因的符号）那么就有三种基因对，记为为表示两类基因的符号）那么就有三种基因对，记为AA，Aa，aa。1000aa010Aa0001AA后后代代基基因因型型aaaaAaaaAaAaAAaaAAAaAAAA父体父体母体的基因型母体的基因型双亲随机结合的较一般模型相对比较复杂，这些我们仅研究一双亲随机结合的较一般模型相对比较复杂，这些我们仅研究一个较简单的特例个较简单的特例。黑龙江科技学院 数数 学学 建

35、建 模模 理学院理学院例例4.8 农场的植物园中某种植物的基因型农场的植物园中某种植物的基因型 为为AA,Aa和和aa。农场计划采用。农场计划采用 AA型的植物与每种基因型植物型的植物与每种基因型植物相结合的方案培育植物后代。那么经过若干年后，这相结合的方案培育植物后代。那么经过若干年后，这种植物的任一代的三种基因型分布情况如何？种植物的任一代的三种基因型分布情况如何？（a）假设假设：令：令n=0,1,2,。（i）设设an,bn和和cn分别表示第分别表示第n代植物中，基因型代植物中，基因型 为为AA,Aa和和aa的植物占植物总数的百分比的植物占植物总数的百分比 。令。令x(n)为第为第n代植物

36、的基因型分代植物的基因型分布：布：当当n=0时时表示植物基因型的表示植物基因型的初始分布（即培育初始分布（即培育开始时的分布）开始时的分布）例例3 农场的植物园中某种植物的基因型农场的植物园中某种植物的基因型 为为AA,Aa和和aa。农场计划采用。农场计划采用 AA型的植物与每种基因型植物相型的植物与每种基因型植物相结合的方案培育植物后代。那么经过若干年后，结合的方案培育植物后代。那么经过若干年后，这这种植物的任一代的三种基因型分布情况如何？种植物的任一代的三种基因型分布情况如何？黑龙江科技学院 数数 学学 建建 模模 理学院理学院（b）建模建模根据假设根据假设(ii)，先考虑第先考虑第n代中

37、的代中的AA型。由于第型。由于第n1代的代的AA型与型与AA型结合。后代全部是型结合。后代全部是AA型；第型；第n1代的代的Aa型与型与AA型型结合，后代是结合，后代是AA型的可能性为型的可能性为 1/2，而，而 第第n1代的代的aa型与型与AA型结合，后代不可能型结合，后代不可能 是是AA型。因此当型。因此当n=1,2时时即即类似可推出类似可推出cn=0 显然有显然有（ii）第第n代的分布与代的分布与 第第n1代的分布之间的关系是通过表确代的分布之间的关系是通过表确定的。定的。(2)(3)(4)黑龙江科技学院 数数 学学 建建 模模 理学院理学院(1)将将（2）、（）、（3）、（）、（4）式

38、相加，得式相加，得根据根据假设假设(I)，可递推得出：可递推得出：对于对于(2)式式.(3)式和式和(4)式，我们采用矩阵形式简记为式，我们采用矩阵形式简记为其中其中（注：这里注：这里M为转移矩阵的位置）为转移矩阵的位置）(5)黑龙江科技学院 数数 学学 建建 模模 理学院理学院由由（5）式递推，得式递推，得(6)（6）式给出第式给出第n代基因型的分布与初始分布的关系。代基因型的分布与初始分布的关系。为了计算出为了计算出Mn，我们将，我们将M对角化，即求出可逆矩对角化，即求出可逆矩 阵阵P和对角和对角库库D，使，使 M=PDP-1因而有因而有 Mn=PDnP-1,n=1,2,其中其中这里这里

39、，是矩是矩 阵阵M的三个特征值。对于的三个特征值。对于(5)式中式中的的M，易求得它的特征值和特征向量：，易求得它的特征值和特征向量：=1，=1/2，=0 黑龙江科技学院 数数 学学 建建 模模 理学院理学院因此因此所以所以 通通过计过计算，算，P-1=P，因此有，因此有 黑龙江科技学院 数数 学学 建建 模模 理学院理学院即即 黑龙江科技学院 数数 学学 建建 模模 理学院理学院所以有所以有当当时时，所以从（，所以从（7）式得到）式得到即在极限的情况下，培育的植物都即在极限的情况下，培育的植物都 是是AA型。型。若在上述问题中，不选用基若在上述问题中，不选用基 因因AA型的植物与每一植物结合

40、，型的植物与每一植物结合，而是将具有相同基因型植物相结合，那么后代具有三种基因而是将具有相同基因型植物相结合，那么后代具有三种基因型的概率如型的概率如 表所示。表所示。11/40aa01/20Aa01/41AA后后代代基基因因型型aaaaAaAaAAAA父体父体母体的基因型母体的基因型 黑龙江科技学院 数数 学学 建建 模模 理学院理学院（7）并且并且，其中，其中M的特征的特征值为值为通过计算，可以解出与通过计算，可以解出与 、相对应的两个线性无关的特征相对应的两个线性无关的特征向量向量e1和和e2，及与相对应的特征内，及与相对应的特征内 量量e3：因此因此 黑龙江科技学院 数数 学学 建建

41、模模 理学院理学院解得：解得：当当 时时，所以，所以因因此此，如如果果用用基基因因 型型相相同同的的植植物物培培育育 后后代代，在在极极限限情情况况 下下，后后代代仅仅具具有有基基 因因 AA和和 aa。黑龙江科技学院 数数 学学 建建 模模 理学院理学院 2.7 建模举例建模举例（人员疏散问题）（人员疏散问题）考虑学校的一座教学楼，其中一楼有一排四间相同的教考虑学校的一座教学楼，其中一楼有一排四间相同的教室，学生们可以沿教室外的走廊一直走到尽头的出口。试建室，学生们可以沿教室外的走廊一直走到尽头的出口。试建立数学模型来分析人员疏散所用的时间。立数学模型来分析人员疏散所用的时间。想一想疏散撤离

42、所用的时间依赖于想一想疏散撤离所用的时间依赖于哪些因素？哪些因素？DL3L4L2L1n4+1n1+1n2+1n3+1因此我们因此我们假设假设 (1)疏散时人们排成单行有序撤离；疏散时人们排成单行有序撤离；(2)撤离人员间距均匀且行进速度保持撤离人员间距均匀且行进速度保持 不变；不变；(3)忽略队列中人的身体厚度；忽略队列中人的身体厚度；(4)队列的密集程度与队列行进的速度队列的密集程度与队列行进的速度 相互独立，互不影响。相互独立，互不影响。黑龙江科技学院 数数 学学 建建 模模 理学院理学院 建立模型建立模型 根据假根据假设设，疏散撤离的，疏散撤离的队队伍中人与人之伍中人与人之间间的距离是常

43、数，的距离是常数，记为记为d(米米)；队队列行列行进进的速度也是常数，的速度也是常数，记为记为v(米米/秒秒)。设设第第i个个教室中的人数教室中的人数为为ni+1,第第i个教室的个教室的门门口到前一个教室的口到前一个教室的门门口的距口的距离离为为Li(米米)，教室，教室门门的的宽宽度度为为D(米米)。疏散。疏散时时教室内第一个人到教室内第一个人到达教室达教室门门口所用的口所用的时间时间忽略不忽略不计计。考考虑虑第一个教室人第一个教室人员员的疏散：的疏散：这这个教室撤空的个教室撤空的时间为时间为n1d/v(秒秒)是指最后一个人离开是指最后一个人离开教室，到达教室门口教室，到达教室门口所用的时间所

44、用的时间 而最后一个人到达出口所用的时间是所用的时间是而最后一个人到达出口所用的时间是所用的时间是类类似地，第二个教室撤空的似地，第二个教室撤空的时间为时间为n2d/v(秒秒)，而最后一个人到达，而最后一个人到达出口所用的出口所用的时间时间是所用的是所用的时间时间是：是：如果两支疏散队伍重叠，即第二个如果两支疏散队伍重叠，即第二个教室的第一个撤离者到达第一个教室教室的第一个撤离者到达第一个教室门口时，第一个教室的人还没有疏散门口时，第一个教室的人还没有疏散完毕，就会造成混乱！完毕，就会造成混乱！黑龙江科技学院 数数 学学 建建 模模 理学院理学院 两两个个教教室室的的人人员员完完全全撤撤出出教

45、教学学（单单队队）楼楼所所用用的的时时间间的的数数学模型学模型为：为：类类似似可可得得出出四四个个教教室室的的人人员员完完全全撤撤出出教教学学（单单队队）楼楼所所用用的时间的数学模型（略）的时间的数学模型（略）模型分析及改进：模型分析及改进：疏散时间主要由两部分构成：疏散时间主要由两部分构成：队队伍伍的的排排尾尾走走一一个个队队伍伍的的长长度度达达到到排排头头的的位位置置所所用用的时间的时间。队伍的排头从教室门口队伍的排头从教室门口走出教学楼的时间走出教学楼的时间如果队列十分紧密使得如果队列十分紧密使得d=0,那么疏散时间就与教室内的那么疏散时间就与教室内的人数无关了人数无关了！理学院理学院

46、黑龙江科技学院 数数 学学 建建 模模 设人的身体厚度是相同的，记为设人的身体厚度是相同的，记为W,则模型可修改为：则模型可修改为：由此得到，由此得到，队伍伍应以最密以最密集的集的队形，以人所可能的最形，以人所可能的最大速度大速度进行疏散。行疏散。实际是是这样吗？队队列列最最大大的的行行进进速速度度是是队队列列密密集集程程度度的的函函数数，记记为为v(d)，则模型可修正为：则模型可修正为：理学院理学院 黑龙江科技学院 数数 学学 建建 模模 本章小结本章介绍了一些与实际问题相关的简单的数学模型、旨在使大家对数学建模问题有一个初步的了解，通过建模举例对数学建模的基本思想和步骤有一个初步的了解。黑龙江科技学院 数数 学学 建建 模模 理学院理学院