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TA的每日心情 | 奋斗 2014-12-7 07:58 |
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椅子放置问题
! O" i6 s+ m' O
; R% n' M6 m0 T# h1 x5 B% H& v S把椅子往不平的地面上一放,通常只有三只脚着地,放不稳,然而只要稍挪动几次,就可以四脚着地,放稳了.下面用数学语言证明.2 V4 ]8 a$ b; E
; B# e# h- n/ l- Z! Z7 Z" O一、 模型假设7 f, C7 Z. O2 T+ K4 [
对椅子和地面都要作一些必要的假设:
0 v) ^9 H& ]1 B r& U1. 椅子四条腿一样长,椅脚与地面接触可视为一个点,四脚的连线呈正方形.
- x \ X4 A, x& |" v2. 地面高度是连续变化的,沿任何方向都不会出现间断(没有像台阶那样的情况),即地面可视为数学上的连续曲面.% n- t# R4 l; T" Z# r, |3 E8 M+ c
3. 对于椅脚的间距和椅脚的长度而言,地面是相对平坦的,使椅子在任何位置至少有三只脚同时着地.1 @# ^' x% k f2 i0 O- X7 ?% F9 x' G
' D1 A0 J2 X( X/ X6 J3 p7 G二、模型建立
! g! F- p4 k3 W [$ f: |; Z中心问题是数学语言表示四只脚同时着地的条件、结论.
( c0 q! g2 {7 x% e( e首先用变量表示椅子的位置,由于椅脚的连线呈正方形,以中心为对称点,正方形绕中心的旋转正好代表了椅子的位置的改变,于是可以用旋转角度 这一变量来表示椅子的位置.
9 i0 D# K1 c! E" l1 y$ Y5 e2 y* W其次要把椅脚着地用数学符号表示出来,如果用某个变量表示椅脚与地面的竖直距离,当这个距离为0时,表示椅脚着地了.椅子要挪动位置说明这个距离是位置变量的函数.# E" a: a G; Y" k$ @
由于正方形的中心对称性,只要设两个距离函数就行了,记A、C两脚与地面距离之和为 ,B、D两脚与地面距离之和为 ,显然 、 ,由假设2知f、g都是连续函数,再由假设3知 、 至少有一个为0.当 时,不妨设 ,这样改变椅子的位置使四只脚同时着地,就归结为如下命题:. w$ |% |: Z" Z) h- N
命题 已知 、 是 的连续函数,对任意 , * =0,且 ,则存在 ,使 .
/ S+ Q5 }5 ~6 b- m 8 }0 \( H9 X/ j# ~7 z' T# z$ ^
三、模型求解
1 T' f* u) @8 ~$ i+ x3 y将椅子旋转 ,对角线AC和BD互换,由 可知 .令 ,则 ,由f、g的连续性知h也是连续函数,由零点定理,必存在 使 , ,由 ,所以 .
9 B. Q+ w1 f( Z4 H4 B5 w+ S
) i& P* D5 g. b. Z四、评 注
' y! I+ L7 W; O1 N" k4 c( o: A 模型巧妙在于用一元变量 表示椅子的位置,用 的两个函数表示椅子四脚与地面的距离.利用正方形的中心对称性及旋转 并不是本质的,同学们可以考虑四脚呈长方形的情形.
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