数学建模——微分方程模型实用教案.pptx
上传人:王子****青蛙 上传时间:2024-09-13 格式:PPTX 页数:92 大小:2.5MB 金币:10 举报 版权申诉
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常微分方程(wēifēnfānɡchénɡ)的基本方法微分方程(wēifēnfānɡchénɡ)基础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(liúdòng),烟雾的扩散,公路上车流的涌动等。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(chūxiàn)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。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(wùlǐ))增长率(经济,生物,人口等)衰变(原子反应)边际的(经济)微分方程的建模方法(fāngfǎ):(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。如果在平衡点x0处,f(x)的Jacobi矩阵(jǔzhèn)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。稳定的平衡点的实际意义:如果微分方程(wēifēnfānɡchénɡ)存在稳定的平衡点,设x(t)是微分方程(wēifēnfānɡchénɡ)的解,则当t时,x(t)趋向于某个稳定的平衡点。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(xíngshì)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。常微分方程建模的物理(wùlǐ)方法分析:上网查一下热传导,我们可以了解到:热的传导从温度(wēndù)高的地方向温度(wēndù)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,则问题:现有4000毫升温度为10度的化学溶液(róngyè),将一个体积40毫升温度为90度的玻璃球放在溶液(róngyè)中。求溶液(róngyè)温度的变化规律。(平均温度)动力学:牛顿第二定律能量守恒定律欧拉-拉格朗日方程(fāngchéng)空气和水的阻力(1)利用Newton定律f=ma得到即(2)利用能量方程(fāngchéng)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(fāngchéng)。例2:一只装满水的圆柱形桶,底半径3m,高6m。底部有一个(yīɡè)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。练习:如果例2中的桶是漏斗形的(倒圆锥(yuánzhuī))或球形的,计算水深的变化规律。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(zuìchū)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(línɡchén)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