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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
+ S1 F" @9 V1 g0 w [( {
( l% {" _" {/ A" e4 j8 A; w. V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.8 g; R; o/ Y6 _8 ~
. B- Q1 ^5 H* ^% I4 z2 n
一、 模型假设
/ m* K6 x" k$ M对椅子和地面都要作一些必要的假设:4 i. T4 c: ^3 J
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.2 Y/ G0 A0 h' M; ?% F5 }" {% M
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.
& V. X, }; C1 a" I. v9 D0 e# i! B3. 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.+ z8 h! F! E- b- b
, f C% U5 F" W) ~0 u% I二、模型建立
`* A! m/ y$ U' A' K# b, g" V' D- P中心问题是数学语言表示四只脚同时着地的条件、结论.
! n% ?' L( D+ H& q6 }8 ~, b$ A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." ]% P* H" M& [% m1 J& v0 Q, ]6 [
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.
8 Q% _2 }6 M& q3 Z- }& K" a, |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:3 h0 ]6 w) ?, |# o; i s
命题 已知 、 是 的连续函数,对任意 , * =0,且 ,则存在 ,使 . $ |$ W- F' Y1 x
4 V: u4 v. Y- W6 r* B
三、模型求解6 v: s! e# E4 ?# M0 e, 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 .
) ^4 D- D% [* m' l- s
* Y7 B4 w7 |, @9 M. |+ D四、评 注$ B! p% i) ^, z* b8 }
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.% U& g8 b, w. M5 v7 P" B' y
8 ^5 }1 L" M. A
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