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TA的每日心情 | 奋斗 2014-12-7 07:58 |
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签到天数: 22 天 [LV.4]偶尔看看III 宣传员
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椅子放置问题
/ d/ E2 Q/ I1 _3 T- d9 G) v, j9 j
9 ~7 m: t; _/ G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.
9 y, B0 y( {$ A5 s4 I
7 I) L$ k5 ^: u6 ]1 f' |一、 模型假设2 F( H% C0 u# q5 u
对椅子和地面都要作一些必要的假设:" b W. i* Z8 L) v9 l
1. 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.- r5 y3 u- y4 R0 V
2. 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./ g9 H4 Y2 }9 V, \8 o& M' J' }2 ^
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.2 K8 Y7 [' i0 S# K8 R1 E d3 O
$ |; b5 e8 W/ p; B: [
二、模型建立
5 J( ], H& f3 n% n1 F( r中心问题是数学语言表示四只脚同时着地的条件、结论.
" ]$ ]+ l6 m# m* Z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.- \) i( O3 v# N2 D/ K/ X
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." f+ { q+ }' W% N3 {( c
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:
: i% J2 D) i: m2 c2 B命题 已知 、 是 的连续函数,对任意 , * =0,且 ,则存在 ,使 .
4 B' h# A0 Y/ }8 }+ X: e& k }
+ B, ^, ]- v% ?) l3 }3 o三、模型求解& A2 ^4 _! l% D$ ]
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 ./ L. {, h1 @; [5 Z) ]- t2 v
3 k5 t6 N9 L" h$ ~2 g四、评 注; N$ O! p' E. W. m( Q
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.
. S+ C8 C6 Y% c5 u8 v) t) s
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