饮酒驾车的数学模型(1)
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饮酒驾车问题的数学模型按照国家质量监督检验检疫总局《车辆驾驶人员血液、呼气酒精含量阈值与检验》规定,饮酒驾车指:车辆驾驶人员血液中的酒精含量大于或者等于20mg/100mL,小于80mg/100mL的驾驶行为。
醉酒驾车指:车辆驾驶人员血液中的酒精含量大于或等80mg/100mL的驾驶行为。
那么酒后什么时候酒精浓度最高,酒后到底多长时间才能安全驾车下面我们就此问题建立数学模型。
一、提出问题体重为70kg的人在喝下(认为是瞬时饮酒)1瓶啤酒后,测量他的血液中酒精含量(毫克/百毫升),得数据[1]如下问题1.饮酒后多长时间后血液中含酒精量最大。
问题2.某人在早上8点喝了一瓶啤酒,下午2点检查时符合新的驾车标准,他在19点吃晚饭时又喝了一瓶啤酒,过了6小时后驾车回家,又一次遭遇检查时却被定为饮酒驾车,这让他陷入困惑,为什么喝同样多的酒,两次检查结果会不一样呢过六小时后再喝一瓶,过多长时间才可以驾车。
问题3.一次喝3瓶啤酒多长时间可以驾车。
二、基本假设短时间饮酒是一次饮入,中间时差不计。
酒精在血液与体液中含量相同。
酒精进入体内后不受其他因素对酒精的分解,不考虑个体差异。
转移过程为,胃→体液→体外。
人的体液占人体重的65%至70%,血液占体重的7%左右;而酒精在血液与体液中的含量是一样的。
三、参数说明t为饮酒时间,y1(t)为时刻人体消化的酒精量,y2(t)为时刻人体的酒精量,k1为酒精在人体中的吸收率常数,k2为酒精在人体中的消除率常数,c(t)为时刻内血液中酒精浓度。
f为酒在人体的吸收度(为一常数,其值等于血液与体液的重量之比)。
四、模型建立与求解可把酒精在体内的代谢看成进与出的过程,用和分别表示酒精输入速率和酒精输出速率,这样问题可简化为血液中酒精的变化律等于输入速率减去输出速率,即。
通过一系列计算得到人体内酒精含量。
可以看出,当酒精含量最大,解得,且此时c(t)达到最大值。
五、问题的回答 1.饮酒后多长时间后血液中含酒精量最大。
饮酒驾驶模型摘要本文针对酒后驾车造成交通事故死亡率高,以及根据国家质量检验检疫局发布的饮酒后驾车新标准,建立了饮酒后血液中酒精含量的数学模型。
通过了解酒精在体内吸收,分布和排除的动态过程,及这些过程与人体内酒精反应的定量关系建立微分方程,运用药物动力学原理建立单室和双室模型。
得出血液中的酒精含量)(t C ,与进入体内总酒量)(t x 、时间t 的函数关系式:单室模型:()()()()k k e e x k t x t C a t k kt a a --==--0双室模型:()()n n p n p t pt pt v t x v t x AUC AUC n n∆⎪⎪⎭⎫⎝⎛++=--1001本文还运用了 Wagner-Nelson 法(待吸收的百分数对时间作图法),与题中给出的参考数据在计算机运行的结果作对比。
本文还解决了如下问题:1、从模型分析了大李第二次被判为饮酒驾车是因为二次饮酒,而使血液中酒精含量累积而超标。
2、对喝了低度酒多长时间驾车违反规则作了量化分析;3、从单室模型得出了一个血液中酒精含量峰值计算公式:()k k k gk t a a -=303.2max4、用本文的模型对天天喝酒能否开车作了讨论。
本文最后对模型的优点和不足作了评价。
一、问题提出据报载,2003年全国道路交通事故死亡人数为10.4372万,其中因饮酒驾车造成的占有相当的比例。
大李在中午12点喝了一瓶啤酒,下午6点检查时符合新的驾车标准,紧接着他在吃晚饭时又喝了一瓶啤酒,为了保险起见他呆到凌晨2点才驾车回家,又一次遭遇检查时却被定为饮酒驾车,这让他既懊恼又困惑,为什么喝同样多的酒,两次检查结果会不一样呢?请你参考下面给出的数据(或自己收集资料)建立饮酒后血液中酒精含量的数学模型,并讨论以下问题:1. 对大李碰到的情况做出解释;2. 在喝了3瓶啤酒或者半斤低度白酒后多长时间内驾车就会违反上述标准,在以下情况下回答:1)酒是在很短时间内喝的;2)酒是在较长一段时间(比如2小时)内喝的。
合理判断酒驾模型从2011年5月1日新交规开始实施,警察查酒驾依据的标准是:血液中酒精含量<20mg/100ml,合格;血液中酒精含量 20mg/100ml, <80mg/100ml,为酒后驾驶;血液中酒精含量>80mg/100ml,为醉酒驾驶。
具体喝多少酒就达到酒后或醉酒标准呢?警察是用酒精测试仪进行现场测定的,对着测试仪呼一口气,酒精含量马上就会显示出来。
如果达到醉酒或酒后标准,当事人可提出异议,警察可以安排抽血化验血液中酒精含量,一般要第二天出结果。
如果当事人从酒精测试仪没有提出异议,测试结果可作为处罚依据。
有人计算出了各种酒的临界值:表1喝酒后血液中酒精含量与人的体重、酒的度数高低、饮酒后休息的时间有关,与个体的酒量没有任何关系。
一般来说,体重大的人血液量也会增加,酒精度数越高(白酒>黄酒>红酒>啤酒),就越容易达到酒后驾驶标准。
北京大学综合医院营养科主任朱翠凤博士说,根据个人体质、性别、年龄等具体情况不同,计算血液里酒精含量的方法也不同。
酒喝到体内,胃和肝脏都能分泌分解酒中酒精的酶,其中95%的酒精是在肝脏被分解的。
同样的酒量,如体内分泌分解酒精的酶多,则酒精被分解得多,那么进入血中的酒精就少,决定酒量大小的最主要因素是体内分泌分解酒精酶的能力大小。
“一个人的酒量大小很大程度是天生的。
”海慈医院营养科副主任杨红:一个人的酒量大小,很大程度上由遗传因素决定,能喝的人天生就能喝,但如果不能喝酒却硬多喝,对身体有很大的影响。
酒在人体内的分解与时间明显相关参考数据1. 人的体液占人的体重的65%至70%,其中血液只占体重的7%左右;而药物(包括酒精)在血液中的含量与在体液中的含量大体是一样的.2. 体重约70kg的某人在短时间内喝下2瓶啤酒后,隔一定时间测量他的血液中酒精含量(毫克/百毫升),得到数据如下:时间(小时) 酒精含量0.25 300.5 680.75 751 821.5 822 772.5 683 683.5 584 514.5 505 416 387 358 289 2510 1811 1512 1213 1014 715 716 4请查阅或收集相关资料,建模回答下列问题:(1)表1中给出的饮用各种酒的“酒后驾驶标准”和“醉酒驾驶标准”合理否?制订你认为合理的评判标准。
数学建模饮酒驾车题及建模论文饮酒驾车据报载,2003年全国道路交通事故死亡人数为10.4372万,其中因饮酒驾车造成的占有相当的比例。
针对这种严重的道路交通情况,国家质量监督检验检疫局2004年5月31号发布了新的《车辆驾驶人员血液、呼气酒精含量阈值与检验》国家标准,新标准规定,车辆驾驶人员血液中的酒精含量大于或等于20毫克/百毫升,小于80毫克/百毫升为饮酒驾车(原标准是小于100毫克/百毫升),血液中的酒精含量大于或等于80毫克/百毫升为醉酒驾车(原标准是大于或等于100毫克/百毫升)。
大李在中午12点喝了一瓶啤酒,下午6点检查时符合新的驾车标准,紧接着他在吃晚饭时又喝了一瓶啤酒,为了保险起见他呆到凌晨2点才驾车回家,又一次遭遇检查时却被定为饮酒驾车,这让他既懊恼又困惑,为什么喝同样多的酒,两次检查结果会不一样呢?请你参考下面给出的数据(或自己收集资料)建立饮酒后血液中酒精含量的数学模型,并讨论以下问题:1.对大李碰到的情况做出解释;2.在喝了3瓶啤酒或者半斤低度白酒后多长时间内驾车就会违反上述标准,在以下情况下回答:1)酒是在很短时间内喝的;2)酒是在较长一段时间(比如2小时)内喝的。
3.怎样估计血液中的酒精含量在什么时间最高。
4.根据你的模型论证:如果天天喝酒,是否还能开车?5.根据你做的模型并结合新的国家标准写一篇短文,给想喝一点酒的司机如何驾车提出忠告。
参考数据1.人的体液占人的体重的65%至70%,其中血液只占体重的7%左右;而药物(包括酒精)在血液中的含量与在体液中的含量大体是一样的。
2.体重约70kg的某人在短时间内喝下2瓶啤酒后,隔一定时间测量他的血液中酒精含量(毫克/百毫升),得到数据如下:酒后不开车摘要近年来,因饮酒、醉酒驾车而造成的交通事故频发,且呈逐年上升趋势。
加强司机的安全观念成为重中之重。
和大李一样困惑的司机也不在少数,问题1我们便会对大李所遇到的情况加以科学地解释;问题2我们要将情况推广,在喝酒持续时间长短两种情况下讨论酒后驾车的合理时间间隔;在问题2的基础上,进而我们引出问题3来研究酒后人体血液中的酒精含量出现最高的时间点;问题4是帮助那些想每天喝酒的司机来协调他们喝酒和开车的问题。
饮酒驾车问题的数学模型【摘要】本问题是生活中的饮酒驾车问题,酒精对人体的作用过程实际上类似于生物医学中的药用过程,针对饮酒方式的不同,本文将饮酒过程分成快速饮酒、某时间段内匀速饮酒和周期饮酒三种形式来讨论。
并分别建立了一室快速饮酒、二室匀速饮酒以及周期饮酒三种系统动力学模型,并运用非线性最小二乘法进行数据拟合得到相关参数,从而得到了血液中酒精含量与时间的函数关系。
结合模型Ⅰ,运用MATLAB 工具得到了快速饮用三瓶啤酒时的违规时间分布,t:0.065—0.24小时内饮酒驾车;t:0.24—4.5小时内醉酒驾车;t:4.5—12小时内饮酒驾车。
结合模型Ⅱ,得到了在2个小时内均匀饮用三瓶啤酒的违规时间分布,t:2—4.5小时内为醉酒驾车;当t 为4.5---12小时为饮酒驾车。
模型Ⅲ的建立,使问题一以及问题三得到了较为确切的解释。
【关键词】动力学 吸收速率 消除速率 模型一、问题重述在2003年全国道路交通事故死亡人数中,饮酒驾车造成的占有相当比例,为此,国家发布了新的《车辆驾驶人员血液、呼气酒精含量阈值与检验》国家标准。
在新标准下,大李在中午12点喝了一瓶啤酒,下午6点检查时符合标准,接着晚上又喝了一瓶,但凌晨2点检查时却被定为饮酒驾车,为什么喝同样多的酒,两次检查结果不一样?建立饮酒时人体内酒精含量与时间关系的数学模型,并讨论快速或慢速饮3瓶啤酒在多长时间内驾车就会违反新标准,估计血液中的酒精含量在什么时间最高,如果某人天天喝酒,是否还能开车,并根据你所做的结合新国家标准写一篇短文,给想喝一点酒的司机如何驾车提出忠告。
二、符号说明及模型假设2.1符号说明0x ---------人体饮入酒精总量t----------饮用酒的时间)(t x -------t 时刻血液中的酒精量)(1t x ------t 时刻人体吸收的酒精量M----------人的体重λ---------人的体液占人的体重的百分含量μ----------人的血液占人体重的百分含量1k ----------酒精在人体中的吸收速率常数[1]k ----------酒精在人体中的消除速率常数[1]()t c --------t 时刻血液中的酒精浓度F-------------酒精在人体中的吸收度V-------------人体的血液体积V 酒-----------喝酒的体积ρ-------------酒中的酒精含量τ-------------饮酒持续时间2.2基本假设1. 酒精在血液中的含量与在体液中的含量大至相同;2. 每瓶啤酒的酒精含量、体积基本相同;3. 酒精进入人体后,不考虑其他因素对酒精的分解作用;4. 如果在很短时间内饮酒,认为是一次性饮入,中间的时间差不计;5. 确定是否饮酒驾车或醉酒驾车以新的国家标准为界;6. 不管喝的是什么酒,只以涉入的酒精总量纳入计算;7. 酒精按一级吸收过程进入体内;8. 正常情况下,酒精在各人体中的吸收和消除速率基本相同;9. 将慢速饮酒看作是一个匀速过程。
饮酒驾车的数学模型(CUMCM-2004C题)一、摘要本题是关于一个饮酒驾车的数学模型。
因为酒精在一个房呈均匀分布,从吸收室到中央室按照一定的规律进行吸收和排除。
所以根据不同时刻的吸收与排除情况,为了研究酒精的吸收和排除的动态过程,我们对市场上酒的分析调查为参考资料。
以传统的常微分方程理论来建立控制饮酒驾车模型方程与曲线拟合的模型,近似于房室模型来解决.通过matlab数学软件求解模型,得到相关结果。
最后从模型方程跟实际对比分析中找出实际与理论的差异。
关健词:常微分方程曲线拟合房室模型二、问题的提出在2003年全国道路交通事故死亡数字的10.4372万中饮酒所造成的事故占着相当大的比例。
针对这一比例所造成的事故国家质量验检局与2004年5月31日发布的新的《车辆驾驶人员血液、呼气酒精含量阈值与检验》国家标准规定了驾驶人员血液中的酒精含量。
新标准规定,车辆驾驶人员血液中的酒精含量大于或等于20毫克/百毫升,小于80毫克/百毫升为饮酒驾车(原标准是小于100毫克/百毫升),血液中的酒精含量大于或等于80毫克/百毫升为醉酒驾车(原标准是大于或等于100毫克/百毫升)。
为了减少和预防事故发生,保证人民的生命财产的安全,我们建立模型对饮酒驾车进行分析,为政府提供一些相关资料的参考。
三、问题的分析与假设(一) 问题分析因为在1个小时以内酒精未达到机体最大消除力时,假设在吸收过程仍符合一级动力方式消除。
因为按酒精的一般规律,酒精的清除符合零级动力学方式,所以我们可以假设在一开始喝酒的过程时,酒精的排除符合零级动力方学方式。
另一种情况就是酒在长时间内喝的,近似于口服药液。
根据表格数据我们可知,酒精在血液中的浓度随时间的变化而变化(二)问题假设1.假设在酒精的吸收收速率及排除速率,与该室的酒精浓度成正比。
2.假设机体分为中心室和吸收室(如图1),且两个室的容积在过程中保持不变。
3.假设当酒精进入中心室时,吸收和排除的数量相比,吸收可以忽略。
五,饮酒驾车问题分析酒精摄入体内直接进入胃中,再由胃中进入体液,由体液排除,不考虑人体其他代谢方式产生的酒精。
他第一次检验时体液中的酒精含量小于20毫克/百毫升,第二次却大于或等于20毫克/百毫升,小于80毫克/百毫升,判断大李第二次检查时中午12点摄入体内的酒精还未代谢完,因而此次检查体液中的酒精含量是两次之和。
所以根据已知条件建立微分方程,得到饮酒后血液中酒精含量m(t)随时间{ EMBED Equation.DSMT4 |t的变化规律,将大李从饮酒到检查的时间间隔代入其中,检验此刻酒精含量是否符合新标准,便可解释大李碰到的情况。
设如下变量:1.,胃和体液的酒精含量;2.:胃和体液的酒精浓度;3.:酒精进入体液的速率;4.:引入的酒精总量5.:胃和体液的体积;6.:酒精从胃进入体液的速率;7.:.酒精从体液排出体外的速率。
模型假设一、酒精从体外进入胃,单向渗入体液,从体液排出体外;二、胃和体液的容积不变;三、酒精在体液的转移速率及向体外排出的速率与体液酒精浓度成正比;模型的建立饮酒者喝酒后,酒精进入胃,单向渗入体液,从体液排出体外,在胃和体液的转移速率和排出速率均不同,所以可得:胃:(1)体液:(2)模型求解与结果分析方程组(1)解得,方程组(2)运用数学软件MATLAB,解得:在现实中每瓶啤酒体积:640ml;啤酒酒精度数:3.6%4.2%;啤酒酒精密度:800mg/l。
取啤酒酒精度数为4%,可得每瓶啤酒酒精含量为20480mg。
人的体液占人的体重的65%至70%,人体体液密度约为mg/100ml,酒精在血液中的含量与在体液中的含量大体一致,体重约为70kg的人在短时间内喝下2瓶啤酒,则为40960mg,(百毫升)。
编写程序如下t=[0.25 0.5 0.75 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16];c=[30 68 75 82 82 77 68 68 58 51 50 41 38 35 28 25 18 15 12 10 7 7 4];k0=[3,0.5];k=lsqcurvefit('test',k0,t,c)Optimization terminated: relative function valuechanging by less than OPTIONS.TolFun.k =2.68580.1474plot(t,c,'*')tt=0:0.1:16;cc=test(k,tt);holdCurrent plot heldplot(tt,cc,'r')拟合图示如下:下面来求解问题我们认为:(1)大李在两次喝酒直到检查时没有服用任何影响体内酒精含量的药物;(2)大李吃晚饭时间为20:00。
数学建模饮酒驾车引言饮酒驾车是指酒后驾驶机动车辆的行为,这种行为不仅是违法的,也是极其危险的。
根据世界卫生组织的数据,全球每年因酒后驾驶事故导致的死亡人数高达100万人。
因此,为了减少饮酒驾车事故的发生,数学建模在此领域具有重要的作用。
模型建立饮酒驾车的危险性主要在于酒精的影响。
我们通过建立数学模型,来量化血液中的酒精含量与驾驶能力之间的关系。
1. 血液酒精浓度计算酒精在人体内的分布服从一定的动力学,可以用下面的公式来计算血液酒精浓度:$$ BAC = \\frac{{a \\cdot S}}{{m - w \\cdot t}} $$其中,BAC 表示血液酒精浓度,a 表示饮酒体积,S 表示酒精体积分布系数,m 表示受体体重,w 表示体重分布系数,t 表示经过的时间。
2. 饮酒驾驶风险预测根据研究,饮酒后的驾驶能力会受到影响,我们可以用一些统计模型来预测饮酒驾驶的风险。
我们可以通过分析历史驾驶数据,并结合血液酒精浓度,使用回归分析模型来预测驾驶风险。
具体的模型可以是线性回归模型、逻辑回归模型等。
模型应用建立数学模型后,我们可以通过以下方式来应用模型进行饮酒驾车问题的解决:1. 提醒饮酒驾车风险通过将模型整合到智能手机或车载系统中,当用户输入他们的性别、体重、酒精饮用量和时间时,系统可以自动计算他们的血液酒精浓度,并提醒他们可能存在的饮酒驾车风险。
2. 设定饮酒驾车限制基于模型的预测结果,政府可以制定更有效的饮酒驾车政策。
例如,根据血液酒精浓度的不同阈值设置不同的处罚措施,来强制执行饮酒驾车的限制。
3. 教育和宣传数学模型可以帮助我们了解饮酒驾车的真正危险性。
通过将模型结果可视化,并结合相关的教育和宣传活动,可以提高公众对饮酒驾车风险的认识,从而减少事故的发生。
结论数学建模在饮酒驾车问题上发挥着重要的作用。
通过建立数学模型,我们可以量化血液酒精浓度与驾驶能力之间的关系,并预测饮酒驾车的风险。
这些模型的应用可以帮助我们提醒个体的饮酒驾车风险、制定更有效的政策,以及提高公众对问题的认识。
模型I 一次性短时间饮酒模型说明:这是建立一个一次性短时间饮酒模型,利用原题目参考资料(1)(2),得出此种饮酒方式的一般规律。
这对以后的模型也起着支撑作用。
其中的基本假设绝大多数也是之后的模型或问题中求解时的假设。
模型描述:我们认为酒精是瞬间进入肠胃,再由肠胃通过扩散作用逐渐进入到血液中的。
酒精进入到血液中后,能够立即完成转运间的动态平衡阶段,然后酒精通过分解排泄而消除掉,因此可以根据线性药物动力学原理,把整个机体看成为酒精转运动态平衡的一个“隔室1”,建立血管外给药的单室模型[1]。
基本假设:一、线性药物动力学的假设:1.药物分布相对消除而言,其过程是迅速完成的;2.药物消除(包括生物转化和排泄)可作为一级速率过程处理[2];3.药物的吸收可认作一级速率过程处理。
二、其它假设:1.短时间内饮酒,考虑酒精是瞬间被摄入到肠胃中的, 然后逐渐渗透到血液中;2.酒精在体内的吸收过程与药物相同;3.绝大部分的组织间液能迅速地与血管内液体或细胞内液进行交换并取得平衡。
而其它的一些体液在维持液体平衡的方面作用甚小[3]。
这样我们就可以将组织间液、细胞内液以及血液视为一体,都看作血液,作为单室模型的中心室 2。
4.血液中的酒精被分解排泄,无论是被肝脏分解还是其它方式排泄,都看作一个分解整体,分解速率根据基本假设2认为是一级速率系数常数 3。
5.酒中的水吸收进血液中不影响血液体积。
这是因为人体在不断进行新陈代谢,保持动态平衡。
6.初次饮酒前血液中与肠胃中的酒精含量均为0。
7.血液中酒精含量始终未达到饱和值。
8.如无特殊说明,酒均指啤酒。
9.忽略吃饭对酒精吸收的影响。
因此,根据线性药物动力学的血管外给药的单室模型,做出以下示意图,见图一:图一中的符号说明:D:初始时摄入到肠胃中的酒精量,单位:mg ;1对于“隔室”模型的划分在第18页有进一步的补充说明。
V的描述.2详见第6页关于常量d3详见第5页关于比例常量K的描述.a K :血液(包括细胞内液和细胞间液)吸收酒精速率的一级吸收速率常数; e K :血液分解排泄酒精的一级分解速度常数; X :血液中的酒精量,单位:mgC :t 时间中心室的酒精浓度,单位:mg/100ml; d V :混合液室中液体的体积,单位:100ml;引入的几个变量:D :t 时间肠胃中酒精量,单位:mg; 0X :初始时血液中酒精量,单位:mg;因此可以写出吸收室中酒精量的微分方程: 自变量t 为时间,t=0表示摄入酒精的时刻:a d DK D d t=− --------------------------------------------------------------(1.1)中心室中酒精量()X t 的变化率是由两部分组成:1. 正比于血液中酒精量的分解排除系数e K ;2. 正比于肠胃中酒精量的吸收系数a K ;由于吸收室与中心室的酒精的质量分别为D 、X , 则得到血液酒精量的微分方程为:a e dXK D K X dt=− ------------------------------------------------------------(1.2) 根据(1),(2)式和初始条件0(0)D D =、(0)0X =得出:()0()a K t D t D e −= ------------------------------------------------------(1.3)0()a b K t K t aeaK DXe e K K−−−−= --------------------------------------------------(1.4)0*()()a d e ae a K t K t K D C e e V K K −−=−− ---------------------------------------(1.5) 其中:z (1.3)式表示t 时刻肠胃中的酒精量。
《饮酒驾车》模型一、问题的提出与背景介绍据报载,2003年全国道路交通事故死亡人数为10.4372万,其中因饮酒驾车造成的占有相当的比例。
针对这种严重的道路交通情况,国家质量监督检验检疫局2004年5月31日发布了新的《车辆驾驶人员血液、呼气酒精含量阈值与检验》国家标准,新标准规定,车辆驾驶人员血液中的酒精含量大于或等于20 毫克/百毫升,小于80 毫克/百毫升为饮酒驾车(原标准是小于100毫克/百毫升),血液中的酒精含量大于或等于80 毫克/百毫升为醉酒驾车(原标准是大于或等于100毫克/百毫升)。
大李在中午12点喝了一瓶啤酒,下午6点检查时符合新的驾车标准,紧接着他在吃晚饭时又喝了一瓶啤酒,为了保险起见他呆到凌晨2 点才驾车回家,又一次遭遇检查时却被定为饮酒驾车,这让他既懊恼又困惑,为什么喝同样多的酒,两次检查结果会不一样呢?请你参考下面给出的数据(或自己收集资料)建立饮酒后血液中酒精含量的数学模型,并讨论以下问题:1.对大李碰到的情况做出解释;2.在喝了3瓶啤酒或者半斤低度白酒后多长时间内驾车就会违反上述标准,在以下情况下回答:(1)酒是在很短时间内喝的;(2)酒是在较长一段时间(比如2小时)内喝的。
3.怎样估计血液中的酒精含量在什么时间最高。
4.根据你的模型论证:如果天天喝酒,是否还能开车?5.根据你做的模型并结合新的国家标准写一篇短文,给想喝一点酒的司机如何驾车提出忠告。
相关模型(药物在体内的分布与排除)药物进入体内后,在随血液输送到各个器官和组织的过程中,不断地被吸收、分布、代谢,最终排除体外。
药物在血液中的浓度,即单位体积血液(毫升)中药物含量(毫克与微克),称血液浓度,随时间和空间而变化。
血液浓度的大小直接影响到药物的疗效,浓度太低不能达到预期的效果,浓度太高可能引起药物中毒、副作用太强或药物浪费。
因此,研究药物在体内吸收、分布和排除的动态过程,及这些过程与药理反应间的定量关系,对于新药研制、剂量确定、给药方案设计等药理学和临床医学的发展都具有重要的指导意义和实用价值。
饮酒驾车的数学模型一、问题提出饮酒驾车问题主要是分析驾驶员在喝过一定量的酒后,酒精在体内被吸收后,血液中酒精含量上升,影响司机驾车,所以司机饮酒后需经过一段时间后才能安全驾车,国家标准新规定,车辆驾驶人员血液中的酒精含量大于或等于20毫克/百毫升,小于80毫克/百毫升为饮酒驾车,血液中酒精含量大于或等于80毫克/百毫升为醉酒驾车,司机大李在中午12点喝下一瓶啤酒,6小时后检查符合新标准,晚饭地其又喝了一瓶啤酒,他到凌晨2点驾车,被检查时定为饮酒驾车,为什么喝相同量的酒,两次结果不一样?讨论问题:1、对大李碰到的情况做出合理解释;2、在喝三瓶啤酒或半斤白酒后多长时间内驾车会违反标准,喝酒时间长短不同情况会怎样?3、分析当司机喝酒后何时血液中的酒精含量最高;4、如果该司机想天天喝酒还能否开车;5、结合模型和国家新标准写一篇关天司机如何驾车的忠告。
二、模型假设与符号说明1. 模型假设1、酒精从胃转移到体液的速率与胃中的酒精浓度成正比。
2、酒精从体液转移到体外的速率与体液中的酒精浓度成正比。
3、酒精从胃转移到体液的过程中没有损失。
4、测量设备完善,不考虑不同因素所造成的误差。
5、酒精在体液中均匀分布。
2. 符号说明k:酒精从体外进入胃的速率;(t):酒精从胃转移到体液的速率;f1f(t):酒精从体液转移到体外的速率;2X(t):胃里的酒精含量;Y(t):体液中酒精含量;:体液的容积;VK:酒精从胃转移到体液的转移速率系数;1:酒精从体液转移到体外的转移速率系数;K2C(t):体液中的酒精浓度。
D:短时间喝酒情况下进入胃中的初始酒精量。
T :较长时间喝酒所用的时间或达到浓度最大值所需时间。
三、模型的分析与建立(一)、模型分析:假设酒精先以速率0k 进入胃中,然后以速率)(1t f 从胃进入体液,再以速率f 2(t)从体液中排到体外。
根据假设可以建立如图一所示的带有吸收室的单房室系统,其中胃为吸收室,体液为中心室。
目录摘要 (1)一. 问题重述………………………………………………………二.问题分析…………………………………………………………三. 模型假设…………………………………………………………四.符号说明…………………………………………………………五.模型的建立与求解………………………………………………5.1 快速饮酒的模型……………………………………………5.2 慢速饮酒的模型……………………………………………5.3 多次饮酒模型………………………………………………六.模型的评价与改造…………………………………………………6.1 解释题目中大李遇到的问题…………………………………6.2 喝了三瓶酒或半斤底度白酒后多久才能驾车………………6.3 估计血液中酒精含量在何时最高……………………………6.4 天天喝酒,能否开车……………………………………………6.5 给司机的忠告……………………………………………………七.模型评价…………………………………………………………………八.模型推广…………………………………………………………………九.参考文献…………………………………………………………………十.附录………………………………………………………………………一、问题重述关键词:微分方程、模型。
本问题主要是分析驾驶员在喝过一定量的酒后,血液中酒精含量上升,影响司机驾车,所以司机饮酒后需经过一段时间后才能安全驾车,国家标准新规定,车辆驾驶人员血液中的酒精含量大于或等于20毫克/百毫升,小于80毫克/百毫升为饮酒驾车,血液中酒精含量大于或等于80毫克/百毫升为醉酒驾车,司机大李在中午12点喝下一瓶啤酒,6小时后检查符合新标准,晚饭地其又喝了一瓶啤酒,他到凌晨2点驾车,被检查时定为饮酒驾车,为什么喝相同量的酒,两次结果不一样?讨论问题:1. 对大李碰到的情况做出解释;2. 在喝了3瓶啤酒或者半斤低度白酒后多长时间内驾车就会违反上述标准,在以下情况下回答:1)酒是在很短时间内喝的;2)酒是在较长一段时间(比如2小时)内喝的。
3. 怎样估计血液中的酒精含量在什么时间最高。
4. 根据你的模型论证:如果天天喝酒,是否还能开车?5. 根据你做的模型并结合新的国家标准写一篇短文,给想喝一点酒的司机如何驾车提出忠告。
参考数据1. 人的体液占人的体重的65%至70%,其中血液只占体重的7%左右;而药物(包括酒精)在血液中的含量与在体液中的含量大体是一样的。
2. 体重约70kg的某人在短时间内喝下2瓶啤酒后,隔一定时间测量他的血液中酒精含量(毫克/百毫升),得到数据如下:二、模型假设1、酒精从胃转移到体液的速率与胃中的酒精浓度成正比。
2、酒精从体液转移到体外的速率与体液中的酒精浓度成正比。
3、酒精从胃转移到体液的过程中没有损失,且不考虑误差。
三、符号说明:酒精从体外进入胃的速率;kf(t):酒精从胃转移到体液的速率;1(t):酒精从体液转移到体外的速率;f2X(t):胃里的酒精含量;Y(t):体液中酒精含量;V 0:体液的容积;K 1:酒精从胃转移到体液的速率系数;K 2:酒精从体液转移到体外的速率系数;C(t):体液中的酒精浓度。
0D :短时间喝酒情况下进入胃中的初始酒精量。
T :较长时间喝酒所用的时间或达到浓度最大值所需时间。
四、模型的分析与建立(一)、模型分析:假设酒精先以速率0k 进入胃中,然后以速率)(1t f 从胃进入体液,再以速率f 2(t)从体液中排到体外。
(二)模型建立:找到C(t)与t 的关系用x(t)与y(t)分别表示酒精在胃、体液中的酒精量,c(t)表示酒精在体液中的浓度。
根据前面的假设可知:)()(11t x k t f =)()(22t y k t f =1.对胃建立方程: dx(t)=k 0dt-f 1(t)dt)()(10t f k dtt dx -= 可得:01)()(k t x k dtt dx =+ 利用一阶线性常微分方程求解,可以得到;⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧==+=+=-01110111)0()(1x x A c k k A A e c t x t k 又因为)()(11t x k t f = ,联合式可得:111111)(A k e c k t f t K +=-0111k e c k t k +=-00011)(k ek x k t k +-=-2又对中心室可建立方程组如下; ⎪⎩⎪⎨⎧=-=021)0()()()(y y t f t f dt t dy 同理:)()()(21t y k t f dtt dy -= 因为000111)()(k e k x k t f t k +-=-,将其代入上式可得到:000121)()()(k e k x k t y k dtt dy t k +-=+- 利用微分求解:t k t k t k t k e B A e c e k k k x k k k e c t y 121222212001202)(----++=--++= 又酒精浓度为酒精量与体液容积之比,0)()(v t y t c =,即: t k t k e B A e c t c 12333)(--++=(其中 023v c c =,0203v k k A =,0120013)(v k k k x k B --=,0333)0(c c C B A ==++)。
(三)模型的讨论:情况一 1当酒是在较短时间内喝时此时有00)0(x D x ==,00=k ,00=c 。
由上可得:03=A ,012013)(v k k D k B -=,33B c -= 因此有:]333121212[)()(t k t k t k t k tk t k e e A e e B e B e B t c -------=--=+-= (其中 021013)(v k k D k B A -=-=) 设K1>K2,因此可认为:t k Ae t c 2)(-≈tK A t c 2ln )(ln -=⇒利用数表一:(喝下两瓶啤酒 取0.25小时以后)通过Matlab 进行曲线拟合可得:>> t=[ 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16];y1=[82 77 68 68 58 51 50 41 38 35 28 25 18 15 12 10 7 7 4];y2=log(y1);polyfit(t,y2,1);ans =-0.1940 4.77535459.118=A ,1940.02=k根据查阅资料可知:一瓶啤酒的酒精量一般为640ml ,密度为810mg/ml 酒精浓度不超过4.5%,所以两瓶啤酒的酒精总量mg D 46656%5.481064020=⨯⨯⨯=由于体重为70kg,体重的65%左右,体液密度为1.05mg/ml 33.43310005.110%657030=⨯⨯⨯=v 毫克/百毫升。
由02101)(v k k D k A -=可求得:114.21=k 。
可得短时间内喝下两瓶啤酒时关系式如下;][5459.118)(114.21940.0t t e e t c ---=用Matlab 软件画出图形为:情况二1当酒是在较长时间内喝时我们可将其进行分段讨论。
当t ](,T0∈时,同样可以得到:T 为喝酒总用时,取2小时。
此时T D k 00=,x (0)=0,y (0)=0因为:t k t k e B A e c t c 12333)(--++=可知)()1()()(12223313333t k t k t k tk t k e e B e A e B A e B A t c --------=+++-=由上式可以求得:A 3=277.50259B 3=28.0386772所以可得 :T k T k T k T k T k t k Be e e B e e B e A T c 212122][)()1()(33------=-=---=2当t T >时,则此时血液中的浓度与时间关系式如下: )(2)(1)(20211)(][)()()(T t k T t k T t k e T C e e v k k T x k t c ------+-⨯-= 其中]1[1)(110011001T k T k e k k k k e k k x k T x ---=+-= ][)(]1[)(212102020T k T k T k e e k k k e y k k T c -----+-= 综上所述,可得,当T t ≥时⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧--+-=-=+-⨯-=----------][]1[)(]1[)()(][)()()(212121*********)()()(0211T k T k t k T k T t k T t k T t k e e k k k e y k k T c e k k T x e T C e e v k k T x k t c 五、问题的解答问一:假设大李第一次喝酒是在短时间内喝的,根据所建立模型,符合情况一][27295.59)(114.21940.0t t e e t c ---=(一瓶啤酒)当6=t 时,可以求得百毫升/2778.18)(mg t c =,小于200mg/百毫升,所以第一次检查时不是饮酒驾驶。
紧接着他在吃晚饭时又喝了一瓶啤酒,为了保险起见他呆到凌晨2点才驾车回家,又一次遭遇检查时却被定为饮酒驾车。
第一次喝完6小时后残余18.2778mg/百毫升,又过8小时残余 3.92mg/百毫升,因此晚六点喝酒不是短时间喝完,因此可知,18.2778+3.92=22.1978>20。
因此为饮酒驾车。
问二(1)当酒是在较短时间内喝时,符合情况一所以:三瓶啤酒时 ][81885.177)(114.21940.0t t e e t c ---=当百毫升毫克/20)(=t c 时,可求得小时261.11=t 。
所以当驾驶员在较短时间内喝下三瓶啤酒时,必须经过11.261小时后开车才不会被认为是饮酒驾车。
(2)当酒是在较长时间内喝时,符合情况二t k t k e B A e c t c 12333)(--++=当百毫升毫克/20)(=t c 时,可以求出407.13=t 小时,所以当驾驶员在较长时间(T 为二小时)喝下三瓶啤酒后,必须经过13.407小时后开车才不被认为是饮酒驾车。
问三:(1) 短时间内喝酒时,符合情况一 ][)()(1202101t k t k e e V K K D k t c ----=当)(t c 的导数等于0时,可解得:23.1212ln 1ln =--=k k k k T 所以当t=1.23时,)(t c 取得最大值。