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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
7 e- }! \( `& e
, x! f0 ]6 d% x z: S! V5 `. j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.
5 u: d, w4 V- j. D* I: ^! r6 `5 m) b
0 Y0 J" ^. H! I- N一、 模型假设
! m; `* v- v5 A1 h. Z对椅子和地面都要作一些必要的假设:# V: A# g0 \* p5 w% _$ e- P4 i
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.# s! ^! T+ S; t" r2 c+ N& s
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.
" @ Q5 }( j& M1 R3 Y3. 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.0 e: x+ K7 F. E0 o$ v* t ~
7 [; N, V! R w二、模型建立0 s/ l! P3 S& R, I2 p# k! L9 |
中心问题是数学语言表示四只脚同时着地的条件、结论.
0 _# C: P% b4 F" o" r) o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.
* Y: c& U. V/ G. X X8 m8 ^; h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.# l( l. ?) u$ X2 Z: m7 S
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 t ?0 b0 W9 ^; X: m+ e
命题 已知 、 是 的连续函数,对任意 , * =0,且 ,则存在 ,使 .
% h2 P7 Q( F! k; \! {: A( E3 P) ?. U
" T8 C0 J/ ?( o$ h$ e三、模型求解9 _. ]9 E+ e- Z
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 L/ n7 v0 v2 b! r7 R" `, W' w1 J5 U; ^
四、评 注: {" U2 `; D9 V
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.2 Y9 p6 |7 c" I1 S3 e
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