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初等模型拟合比例类比
动物的身长和体重 1、问题的分析与假设 2、模型的建立: 3、生物学角度分析b/l 4、结论 作业 问题:人在雨中从一处向另一处行走,当雨的速度已知时,问人行走的速度多大时才能使淋雨量最小? 补充:设某向量场由 A (x,y,z)=P (x,y,z)i+Q(x,y,z)j+R(x,y,z)k给出,其中P,Q,R具有一阶连续偏导数,∑是场内的一片有向曲面,n是∑在点(x,y,z)处的单位法向量,则 叫做向量场A通过曲面∑向着指定侧的 通量。 当v xa时,可以大体做出R(u)的图像, 综上,当vxa0时,只要u=vx就可使淋雨量最小,其他情况下,都应使u尽可能大,才能使淋雨量尽可能小。这显然符合生活常识。 第二章 初等模型 2.2 拟合、比例方法及类比法 汽车刹车距离 美国的某些司机培训课程中的驾驶规则: 背景与问题 正常驾驶条件下, 车速每增10英里/小时, 后面与前车的距离应增一个车身的长度。 实现这个规则的简便办法是 “2秒准则” : 后车司机从前车经过某一标志开始默数 2秒钟后到达同一标志,而不管车速如何 判断 “2秒准则” 与 “车身”规则是否一样; 建立数学模型,寻求更好的驾驶规则。 问题分析 常识:刹车距离与车速有关 10英里/小时(?16公里/小时)车速下2秒钟行驶29英尺(? 9米) 车身的平均长度15英尺(=4.6米) “2秒准则”与“10英里/小时加一车身”规则不同 刹车距离 反应时间 司机状况 制动系统灵活性 制动器作用力、车重、车速、道路、气候… … 最大制动力与车质量成正比,使汽车作匀减速运动。 车速 常数 反应距离 制动距离 常数 假 设 与 建 模 1. 刹车距离 d 等于反应距离 d1 与制动距离 d2 之和 2. 反应距离 d1与车速 v成正比 3. 刹车时使用最大制动力F,F作功等于汽车动能的改变; F d2= m v2/2 F ? m t1为反应时间 且F与车的质量m成正比 反应时间 t1的经验估计值为0.75秒 参数估计 利用交通部门提供的一组实际数据拟合 k 模 型 最小二乘法 ? k=0.06 计算刹车距离、刹车时间 4.3 444.8 464(506) 117.3 80 3.6 347.1 343(372) 102.7 70 3.0 261.4 248(268) 88.0 60 2.5 187.8 173(186) 73.3 50 2.1 126.2 116(124) 58.7 40 1.8 76.6 73.5(78) 44.0 30 1.5 39.0 42(44) 29.3 20 刹车时间 (秒) 计算刹车距离(英尺) 实际刹车距离(英尺) 车速 (英里/小时) (英尺/秒) “2秒准则”应修正为 “t 秒准则” 模 型 4.3 80 3.6 70 3.0 60 2.5 50 2.1 40 1.8 30 1.5 20 刹车时间 (秒) 车速 (英里/小时) 4 3 2 1 t(秒) 60~80 40~60 10~40 0~10 车速(英里/小时) 问题的提出: 四足动物的躯干的长度(不含头尾)与它的体重有什 么关系? 这个问题有一定的实际意义。比如,在生猪收购站 或屠宰场工作的人们,往往希望能从生猪的身长估计出 它的体重。 动物的生理构造因种类不同而异,如果陷入对生物 学复杂生理结构的研究,将很难得到满足上述目的有使 用价值的模型.这里我们仅在十分粗赂的假设基础上, 利用类比方法,借助力学的某些结果,建立动物身长和 体重间的比例关系。 把四足动物的躯干看作圆柱体,长度l、直径d、断面 面积s如下图所示。 将这种圆柱体的躯干类比作—根支撑在四肢上的弹性 梁,以便利用弹性力学的一些研究结果。 原理: 动物在自身体重f作用下躯干的最大下垂度b,即梁的 最大弯曲,根据对弹性粱的研究,有: 进一步分析b/l的意义…… b/l生理学意义: b/l是动物躯干的相对下垂度。b/l太大,四肢将 无法支撑;b/l太小,四肢的材料和尺寸超过了支撑 躯干的需要,无疑是一种浪费。 生物学进化角度: 经过长期进化,对每一种动物而言b/l已经达到其 最合适的数值,即b/l应视为与这种动物的尺寸无关的 常数。 (1)关系式: (前面分析) (2)另一些比例关系: (3)最终结论: 即体重与躯干长度的4次方戊正比。这样,对于某一 种四足动物比如生猪,在根据统计数据确定出上述比例系 数以后,就能从躯干长度估计出动物的体重了。 分析(建模):人身体的表面非常复杂,为了简化问题,将人看作
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