几何模型在现实生活中的应用
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数学建模几何在生活中应用
数学建模在几何学的应用在生活中非常广泛,以下是一些具体的应用实例:
1.购房贷款:在购房过程中,数学模型可以帮助我们理解和分析贷款的各种可能方案。
例
如,利用数学模型,我们可以比较等额本金和等额本息这两种不同的还款方式,并计算出在不同利率和还款期限下,每种方式的还款总额和每月还款金额。
这样,我们就可以选择最适合自己的还款方案。
2.时尚穿搭:高跟鞋是一种时尚单品,但穿多高的高跟鞋才能达到最佳的视觉效果呢?这
时,我们可以借助数学模型来解决这个问题。
根据黄金分割原理,当女生的腿长和身高比值是0.618时,身材会显得最迷人。
因此,我们可以计算出最适合女生身高的高跟鞋高度,使她们在穿搭上更加出彩。
3.银行利率:在金融领域,数学建模也发挥着重要作用。
例如,我们可以通过建立数学模
型来分析银行利率的变化对存款或贷款的影响。
这种分析可以帮助我们更好地理解金融市场的运作,从而做出更明智的决策。
高中数学必修课教案立体几何的实际应用与复杂问题解决方法高中数学必修课教案:立体几何的实际应用与复杂问题解决方法一、引言数学是一门抽象而又实用的学科,而立体几何作为数学的一部分,在实际应用中发挥着重要的作用。
本教案旨在通过介绍立体几何的实际应用以及解决复杂问题的方法,帮助高中学生更好地理解和应用立体几何知识。
二、实际应用之一:建筑设计1. 地基规划与平面图设计在建筑设计中,地基的规划和平面图设计是非常重要的一环。
通过应用立体几何中的点、线、面的概念,结合建筑设计的要求,可以准确计算地基的位置和平面图的尺寸,确保建筑物的稳定性和美观性。
2. 三维模型的建立与分析利用立体几何的知识,建筑师可以建立建筑物的三维模型,通过对模型进行分析,评估建筑物在不同条件下的稳定性和结构强度,从而提出合理的建筑方案。
三、实际应用之二:地理勘测与地图制作1. 高度测定在地理勘测中,利用三角测量和立体几何的方法,可以准确地测定物体或地点的高度。
这对于制作地图、规划城市或者预测地质灾害等具有重要意义。
2. 地球表面的测定与绘制立体几何的概念和技巧也可以应用于地球表面的测定与绘制。
通过测量山脉、河流、湖泊等地理要素的高度、长度和角度,可以制作出精确的地理地图,为地理科学的研究提供可靠的数据支持。
四、复杂问题解决方法1. 三视图的绘制与还原在解决立体几何的复杂问题时,三视图的绘制和还原是常用的方法。
通过观察物体的正视图、俯视图和侧视图,可以推断出物体的几何形状和尺寸,从而解决相关问题。
2. 空间图形的切割与拼接当遇到需要切割或拼接空间图形的问题时,可以运用立体几何中的切割、平移和旋转等技巧,将复杂问题简化为多个简单问题,逐步解决。
五、实际案例分析以一个建筑设计案例为例,我们可以通过立体几何的知识和方法解决以下问题:如何确定地基的大小和位置?如何计算建筑物的稳定性?如何合理设计建筑物的平面图和立体模型?六、结论立体几何的实际应用不仅可以帮助我们解决复杂问题,还能提高我们的空间想象力和几何思维能力。
常用几何语言初中数学在初中数学的学习中,几何语言的使用是不可或缺的一部分。
它不仅是我们理解和描述几何概念的工具,也是我们进行逻辑推理和问题解决的重要工具。
在这篇文章中,我们将探讨一些常用的几何语言及其在初中数学中的应用。
我们要了解的是几何中的基本元素和概念。
这些包括点、线、面、角、三角形、四边形等。
每个元素都有其特定的定义和性质,这些定义和性质是我们理解和描述几何图形的基础。
我们要学习的是如何使用几何语言进行描述和推理。
在初中数学中,我们通常会使用公理、定理和推论等来进行证明和推理。
这些公理、定理和推论是经过严格证明和检验的,可以用来确定某一命题是否成立。
同时,我们还要学会如何使用几何语言来表达和证明这些命题。
我们要了解的是几何语言在解决实际问题中的应用。
在日常生活中,我们经常会遇到一些与几何相关的问题,比如测量土地面积、计算房屋面积、确定最短路径等。
这些问题都需要我们使用几何语言来进行描述和解决。
几何语言是初中数学中非常重要的一部分。
通过学习和掌握常用的几何语言,我们可以更好地理解和应用几何知识,提高我们的逻辑推理能力和解决问题的能力。
也可以帮助我们更好地解决日常生活中的一些与几何相关的问题。
因此,我们应该认真学习几何语言,不断提高自己的数学素养和能力。
初中数学几何模型汇总一、引言初中数学是数学教育的基础阶段,其中几何学占据了相当重要的地位。
几何学不仅培养了学生的空间想象能力和逻辑推理能力,而且为高中数学的学习打下了坚实的基础。
本文将系统地整理初中数学中的几何模型,以期帮助学生更好地理解和掌握几何知识。
二、初中数学几何模型分类1、点、线、面:这是几何学中最基本的元素。
点代表位置,线代表长度,面代表形状。
这三个元素构成了几何学的基础。
2、直线型:包括线段、射线、直线等。
这些图形的关系和性质是初中几何学的重要内容。
3、平面型:包括三角形、四边形、圆形等。
这些图形的关系和性质是初中几何学的重要内容。
几何模型在汽车驾驶盲区问题中的应用摘要:几何模型是数学建模的重要工具,合理使用它将使原本复杂的问题变得简单易解,有简化问题的作用。
一般来说,几何模型是针对具体实物建立起来的,即可在现实生活中找到原型,其目的是为了解决实际问题。
它的应用范围非常广泛,在许多领域发挥着重要作用。
本文从汽车驾驶盲区的问题入手,分析如何建立其几何模型,探求解决途径。
关键词:几何模型;驾驶盲区;建模分析前言:汽车在我国的普及率正在稳步提升,它以其便捷高速的特性吸引着人们的注意力,所以有越来越多的人选择汽车作为了代步工具。
但是汽车的设计还有许多有待改进的地方,例如车身的形状、各部件的设计、安全装置等都有继续完善的必要,所以此领域的研究有着重要的应用价值和商业价值,已为更多人所重视。
而在对汽车设计的优化过程中,一种有效的方法就是利用几何模型进行数学建模,使抽象问题变得更加直观。
下面,文章即以汽车驾驶盲区问题为例,对几何模型的应用进行详细的介绍。
1、几何模型的概述几何模型是数学模型的一种,是利用几何方法解决实际问题的一种实践,即通过抽象、简化、假设、引进变量等处理过程后,将实际问题用数学方式表达,建立起几何模型,然后运用先进的数学方法及计算机技术进行求解。
几何模型并不是原型,既简单于原型,又高于原型,它是对原物体简化后的产物。
几何模型有一定的适用条件,即在所要解决的问题中需出现具体实物,因为要建立所研究问题的几何模型就一定脱离不了具体实物的存在。
若问题中没有出现有具体形状的物体,则几何模型也无从谈起。
但是由于我们所要解决的实际问题有许多都会涉及到具体实物,所以几何模型的应用范围是很广泛的。
2、几何模型在驾驶盲区问题中的应用3.1 问题描述在汽车驾驶过程中会出现这种情况:在拥挤的道路变换车道与转弯时,后方突然有车辆出现,司机防范不及,造成车祸。
试分析车祸原因,并给出解决方案。
3.2 问题分析汽车上共有内外三面后视镜,驾驶员通过这三面镜子来观察后面的车流情况,以决定何时可以转弯,而不会有危险发生。
生活中的数学真实应用案例分享在我们的日常生活中,数学无处不在。
尽管有些人可能认为数学只存在于学校的课本中,但实际上,数学已经渗透到我们的日常生活中,并成功地应用于各个领域。
本文将分享一些真实的数学应用案例,以帮助大家更好地理解生活中的数学。
1. 现实世界中的几何学几何学是数学的一个重要分支,它研究各种形状和空间关系。
在现实生活中,几何学应用广泛,特别是在建筑和设计领域。
举个例子,建筑师在设计建筑物时需要考虑到几何学原理,如平行线和垂直线的交汇点、三角形的稳定性等。
此外,在城市规划中,几何学也被用于确定最佳的交通路线、绿化面积和建筑布局。
2. 统计学在数据分析中的应用统计学是研究数据收集、分析和解释的学科。
在生活中,统计学有许多实际应用。
例如,在市场调研中,统计学可用于收集和分析消费者的喜好和购买习惯,以便企业制定更有效的营销策略。
另外,医学研究中的临床试验也需要统计学的应用,用于评估新药的疗效和副作用。
3. 数学在金融领域的运用数学在金融领域的应用是广泛的。
例如,金融机构需要使用数学模型来计算风险和回报,以便做出投资决策。
股票交易员利用数学模型预测市场趋势,并制定交易策略。
此外,保险公司利用数学和统计学的方法来确定保费,基于风险评估来制定合理的保险费用。
4. 数学在编程和密码学中的应用在现代科技中,数学在编程和密码学中扮演着重要的角色。
编程是一门创造性的艺术和科学,需要掌握数学概念和算法。
密码学是通过使用数学方法和算法来保护通信安全的领域。
现代密码学使用复杂的数学算法来加密和解密信息,确保数据的保密性和完整性。
5. 数学在日常生活中的实际应用除了上述领域,数学在日常生活中还有很多实际应用。
例如,在旅行中,我们需要使用数学来计算旅行时间、距离和速度。
在购物时,我们使用数学来计算价格折扣和找零。
甚至在做饭时,我们需要使用数学来量取食材的比例和烹饪时间。
总结起来,数学在我们的生活中扮演着重要而不可或缺的角色。
经典几何模型(一半模型)作为几何学的一部分,几何模型旨在描述和展示三维空间中的物体和形状。
几何模型在各种领域中都有广泛的应用,包括建筑、工程学、视觉艺术和计算机图形学。
在本文中,我们将介绍一些经典的几何模型,以及它们在不同领域中的应用。
一、普通多面体普通多面体是指由等边多边形组成并且每个顶点所连的面数相同的几何图形。
它们包括正四面体、正六面体、正八面体、正十二面体和正二十面体。
这些模型在建筑和机械工程中都有广泛的应用。
例如,在建筑设计中,可以使用多面体建模软件来创建复杂的建筑结构和设计元素。
二、球体球体是指由所有点都等距离于一个中心点的点组成的几何图形。
它们在地球科学、物理学和视觉艺术中都有广泛应用。
例如,地球的形状可以近似为一个球体,并且在地理学研究中使用球形坐标系统。
此外,在物理学中,球体被广泛用于描述真空的特性,并在计算机图形学中用于创建粒子效果。
三、圆锥体圆锥体是由一个圆基和与之相交的一个或多个点组成的几何图形。
它们在建筑、设计和制造中都有广泛的应用。
例如,在建筑设计中,可以使用圆锥体来创建建筑元素,如穹顶和尖顶。
此外,在合成器和制造业中,圆锥体被用于创建类似喷雾头和汽车轮毂等精密部件。
四、立方体立方体是由六个正方形面组成的几何图形。
它们在建筑、产品设计和计算机图形学中都有广泛的应用。
例如,在计算机图形学中,可以使用立方体来创建3D游戏场景和虚拟现实应用程序。
此外,在产品设计中,立方体被用于创建各种几何形状,如盒子、框架和抽屉等。
五、圆柱体圆柱体由由两个平面、平行且同等大小的圆形面围成的几何图形而成。
它们在建筑、机械工程和航空航天工程中都有广泛的应用。
例如,在建筑设计中,可以使用圆柱体来创建柱子,如希腊柱和罗马柱。
此外,在机械工程中,圆柱体被用于创建几何部件,如滚动轴承和线性滑块。
六、圆环圆环是由两个或多个圆圈组成的几何图形。
它们在建筑、机械工程和计算机图形学中都有广泛的应用。
例如,在建筑设计中,可以使用圆环来创建柱筒和建筑元素,如门把手和手摇轮。
初中数学几何模型在实际问题中的应用数学是一门抽象而又实用的学科,而几何是数学中的一支重要分支。
几何模型是数学几何知识在实际问题中的具体应用,它在日常生活中扮演着重要的角色。
本文将探讨初中数学几何模型在实际问题中的应用,带领读者了解几何模型的实际意义。
首先,让我们来看一个简单的例子。
假设小明要修建一个花坛,他想要在花坛中央修建一个圆形的喷泉。
小明需要知道喷泉的直径,以便购买合适大小的喷泉装置。
这时,几何模型就派上了用场。
小明可以使用圆的几何模型来计算喷泉的直径。
他只需要测量花坛的直径,然后将其除以2,就可以得到喷泉的直径。
通过几何模型,小明能够轻松解决这个实际问题。
几何模型在建筑设计中也发挥着重要的作用。
假设有一座建筑物需要修建一个圆形的天窗,以增加自然光线的进入。
建筑师需要确定天窗的直径,以便购买适当大小的玻璃。
通过几何模型,建筑师可以计算出天窗的直径,并且可以根据需要调整天窗的大小。
几何模型不仅帮助建筑师设计出美观实用的建筑物,还能提高建筑物的能源利用效率。
除了在建筑设计中的应用,几何模型还在工程领域发挥着重要作用。
假设有一座桥需要修建,工程师需要确定桥梁的弧度,以便确保桥梁的稳定性和安全性。
通过几何模型,工程师可以计算出桥梁的弧度,并且可以根据需要调整桥梁的设计。
几何模型在工程领域的应用,不仅能够保证工程的质量和安全,还能够提高工程的效率和可持续性。
几何模型还可以应用于地理学中。
假设有一座城市需要修建一个园区,规划师需要确定园区的形状和面积,以便合理利用土地资源。
通过几何模型,规划师可以计算出园区的形状和面积,并且可以根据需要调整园区的规划。
几何模型在地理学中的应用,不仅能够促进城市的可持续发展,还能够提高城市的生活质量。
总结起来,初中数学几何模型在实际问题中的应用是多样且广泛的。
它们可以帮助我们解决日常生活中的实际问题,如花坛的修建、建筑物的设计、桥梁的建设和园区的规划。
几何模型不仅能够提高问题的解决效率,还能够提高解决方案的质量和可持续性。
数学立体几何的应用一、引言立体几何是数学的一个重要分支,其应用广泛而深入。
通过研究立体几何,我们可以更好地理解空间关系,并将其运用于日常生活和实际问题中。
本教案将着重介绍数学立体几何的应用领域以及教学方法。
二、数学立体几何的应用领域1. 建筑设计:建筑师需要运用立体几何的知识来设计房屋的形状、结构和空间布局。
例如,在设计一个拱形屋顶时,需要通过计算角度和弧线来确定屋顶的形状和尺寸。
2. 工程测量:在工程领域,立体几何可应用于测量和标记建筑物的尺寸、面积和容积。
例如,在测量一个建筑物的体积时,可以通过分解为不同形状的立体体积来计算。
3. 三维模型设计:在电脑图形学和游戏开发领域,立体几何被广泛应用于三维模型的设计与开发。
通过了解和运用立体几何的原理,设计师可以创建逼真的虚拟场景和角色模型。
4. 包装设计:立体几何的知识对于包装设计师而言非常重要。
他们需要考虑产品的形状、尺寸和包装材料,以确保产品在运输和存储过程中的安全和便捷。
5. 地图制作:制作地图也需要立体几何的应用。
制图师通过使用立体几何的原理,将三维地理信息转化为平面地图,使之具有地理空间的准确性和美观性。
三、数学立体几何的教学方法1. 观察与实践:教师可以引导学生观察日常生活中的立体图形,如建筑物、家具、玩具等,并鼓励学生对其形状和特征进行实地测量和观察。
2. 规律总结与归纳:通过引导学生进行讨论和探究,帮助他们总结出立体图形的特征和性质,如面、边、顶点的数量,以及各种形状的特点等。
3. 建模与求解:教师可以使用模型或图形展示工具,引导学生进行建模思维,将实际问题转化为数学问题,并通过计算和解决问题来巩固立体几何的应用技能。
4. 探究与发现:激发学生的学习兴趣和思维能力,引导他们进行立体几何的探究和发现,培养他们的分析和解决问题的能力。
5. 综合与拓展:将数学立体几何与其他学科进行综合,如物理、化学和计算机科学等,引导学生将所学立体几何的知识应用到实际问题中。
介绍几何模型几何模型是几何学的一个重要概念,用于描述和研究现实世界中的物体形状和结构。
它是对物体的几何特征进行抽象和建模的过程,使得我们能够通过数学方法来分析和解决与这些物体相关的问题。
几何模型可以分为二维模型和三维模型。
二维模型是在平面上进行建模,用于描述平面上的几何图形,如点、线、多边形等。
常见的二维几何模型有直线模型、射线模型、线段模型、圆模型等。
这些模型可以用来描述物体的位置、形状、大小等特征,从而帮助我们理解和分析几何问题。
三维模型则是在三维空间中进行建模,用于描述物体的立体形状和结构。
常见的三维几何模型有球体模型、立方体模型、圆柱模型、圆锥模型等。
这些模型可以用来描述物体的体积、表面积、几何中心、对称性等特征,从而帮助我们进行三维几何推理和计算。
几何模型在现实生活中有着广泛的应用。
在工程领域,几何模型可以用来设计和分析建筑、机械、电路等物体的形状和结构。
在计算机图形学中,几何模型可以用来描述和渲染三维图形,实现虚拟现实、电影特效、游戏等应用。
在地理学中,几何模型可以用来描述地球的形状和地理现象,帮助我们理解和研究地理问题。
几何模型的建立和使用需要一定的数学知识和技巧。
我们需要了解几何学的基本概念和定理,掌握几何模型的表示方法和计算方法。
同时,我们还需要具备空间想象力和几何直觉,能够将实际问题抽象为几何模型,并运用数学方法进行求解。
在几何模型的研究中,还涉及到一些与其他学科的交叉。
例如,在计算机图形学中,几何模型与计算机科学、物理学、光学等学科有着密切的联系。
在工程领域中,几何模型与材料科学、力学等学科相结合,可以用来设计和优化复杂的结构和系统。
几何模型是描述和研究物体形状和结构的重要工具和方法。
通过建立和使用几何模型,我们可以更好地理解和解决与几何相关的问题。
几何模型的应用领域广泛,涉及到工程、计算机图形学、地理学等多个学科。
几何模型的研究需要数学知识和技巧,并与其他学科进行交叉。
希望通过本文的介绍,读者对几何模型有更深入的了解和认识。
几何原本在现实生活中的应用
1. 建筑设计:几何学在建筑设计中起重要作用,从设计建筑的形状和结构,到设计外墙、窗户、门等,都需要几何学的使用。
2. 地图制作:地图制作也离不开几何学。
通过街道、河流、山脉等地形的几何模型,可以制作出全面准确的地图。
3. 机械设计:在机械设计中,几何学可以帮助工程师设法将复杂零件转化为简单、精确的几何形状,使生产和装配更加容易。
4. 工业制造:在现代工业制造中,几何学的应用也非常重要。
工程师需要使用几何学来设计和生产各种机械零件、汽车部件和电子元器件等。
5. 医学图像处理:在医学图像处理领域,几何学可以用来处理三维 CT 或 MRI 影像图像,为医疗诊断和手术提供精确的解
剖学信息。
6. 3D 游戏和动画:3D 游戏和动画的制作需要对几何学有深刻的了解,包括建模、渲染、光线跟踪和物理模拟等。
数学几何模型应用案例详解数学几何模型是数学与几何学的结合,通过建立数学模型来描述和解决现实世界中的问题。
在各个领域中,数学几何模型都发挥着重要的作用,例如物理学、经济学、生物学等。
本文将通过几个应用案例来详细介绍数学几何模型的应用。
案例一:物体运动的轨迹预测假设有一个小球从斜面上滚下,我们希望能够预测小球滚动的轨迹。
首先,我们可以通过观察斜面的角度、小球的质量和速度等参数,建立一个数学几何模型。
根据牛顿第二定律和运动学公式,我们可以得到小球在斜面上滚动的加速度和速度与时间的关系。
然后,我们可以通过数学几何模型来计算小球在不同时间点的位置坐标。
这样,我们就可以预测出小球滚动的轨迹,并且可以根据需要进行调整和优化。
案例二:城市规划中的交通流模拟在城市规划中,交通流模拟是一个重要的问题。
通过建立数学几何模型,可以对城市中的交通流进行模拟和分析,从而优化交通网络和减少交通拥堵。
首先,我们可以将城市中的道路、交叉口和车辆等要素抽象为几何图形,并通过数学几何模型来描述它们之间的关系和行为。
例如,我们可以使用图论和网络流理论来研究交通网络的拓扑结构和流量分配。
然后,我们可以通过数学几何模型来模拟交通流的行为。
例如,我们可以使用微分方程和偏微分方程来描述车辆的运动和交通信号的控制。
通过对交通流模型的求解和分析,我们可以得到交通流的特征和性能指标,从而为城市规划和交通管理提供科学依据。
案例三:生物学中的分子结构研究在生物学中,研究分子结构对于理解生物体的功能和特性至关重要。
通过数学几何模型,可以对分子的结构进行建模和分析,从而揭示其内部的运动和相互作用。
首先,我们可以使用数学几何模型来描述分子的几何结构。
例如,我们可以使用坐标系和向量来表示分子中原子的位置和方向。
通过对原子之间的距离和角度等几何参数的计算和分析,我们可以得到分子的几何特征和构型。
然后,我们可以通过数学几何模型来模拟分子的运动和相互作用。
例如,我们可以使用分子动力学模拟和蒙特卡洛模拟等方法,通过求解分子的运动方程和相互作用势能,来研究分子的结构和性质。
数学趣史立体几何的发展与应用数学趣史:立体几何的发展与应用数学在人类的历史长河中占据着重要的地位,而立体几何作为数学的一个分支,更是对人类认识空间的探索起到了重要的推动作用。
本文将为大家介绍立体几何的发展历程和其在实际生活中的应用。
一、古希腊时代的发展古希腊是数学发展的重要时期,立体几何的奠基人欧几里得就生活在这个时代。
他的著作《几何原本》成为了后来研究几何学的经典著作。
欧几里得通过系统的逻辑推理,证明了许多几何命题,建立了几何学的基本原理和体系,为立体几何的后续研究打下了坚实的基础。
二、立体几何在现代的发展1. 向量方法的引入19世纪末20世纪初,随着向量方法的引入,立体几何的研究取得了长足的进步。
向量的运算和空间的矢量运算为几何学提供了更加灵活和强大的工具。
数学家们通过向量分析的方法,深入研究了立体几何的性质和定理,并提出了一系列新的理论和定理。
2. 矩阵理论的应用在20世纪中期,矩阵理论的发展为立体几何的研究带来了新的突破。
矩阵的运算和变换为几何学的分析提供了更加精确和高效的手段。
数学家们通过矩阵理论的方法,研究了立体几何的各种特性和性质,并应用于计算机图形学、机器人学等领域。
三、立体几何的应用1. 建筑设计在建筑设计中,立体几何起着重要的作用。
建筑师通过对立体几何的研究和运用,能够更好地理解和描述建筑物的结构和形态。
立体几何的原理可以帮助建筑师设计出更加合理和美观的建筑物,提高建筑的功能性和艺术性。
2. 工程测量立体几何在工程测量中也扮演着重要的角色。
工程测量师利用立体几何的原理和方法,测量物体的长度、面积、体积等参数,为工程建设提供准确的数据支持。
例如,通过测量立体几何中的角度和距离,工程师可以绘制出精确的地图和工程图纸。
3. 计算机图形学计算机图形学是立体几何的一个重要应用领域。
利用立体几何的原理和算法,计算机可以生成三维模型并进行渲染,从而实现虚拟现实、动画制作、游戏开发等方面的应用。
数学几何模型在生物学中的应用分析引言生物学是研究生命现象和生命规律的科学,而数学几何模型则是一种数学工具,用于描述和解释现实世界中的各种现象和规律。
在生物学研究中,数学几何模型的应用越来越广泛,可以帮助我们更好地理解生物系统的结构和功能。
本文将探讨数学几何模型在生物学中的应用,并分析其意义和局限性。
一、数学几何模型在生物形态学中的应用生物形态学研究生物体的形状、结构和组织等方面的特征。
数学几何模型在生物形态学中的应用主要体现在以下几个方面:1. 形状描述与分类:数学几何模型可以帮助我们对生物体的形状进行描述和分类。
例如,通过将生物体的形状抽象为几何图形,可以利用几何模型对不同生物体进行分类和比较。
这对于研究生物体的进化和分类关系具有重要意义。
2. 结构分析与建模:数学几何模型可以帮助我们分析和建模生物体的内部结构。
例如,在研究生物细胞的形态和结构时,可以利用几何模型对细胞膜、细胞核等组成部分进行建模,并通过模型分析其功能和相互作用。
3. 生物体运动与变形:数学几何模型可以用于描述和分析生物体的运动和变形。
例如,在研究动物的运动方式时,可以利用几何模型描述动物的运动轨迹和姿态变化,并通过模型分析动物的运动机制和行为规律。
二、数学几何模型在生物生长发育中的应用生物的生长发育是一个复杂的过程,数学几何模型可以帮助我们理解和解释生物生长发育的规律。
以下是数学几何模型在生物生长发育中的应用示例:1. 生物体的形态演化:数学几何模型可以用于描述和模拟生物体的形态演化过程。
例如,在研究植物的生长和形态变化时,可以利用几何模型描述植物的分枝方式和叶片排列规律,并通过模型模拟植物的生长过程。
2. 器官发育的模拟:数学几何模型可以用于模拟和预测生物器官的发育过程。
例如,在研究动物胚胎发育时,可以利用几何模型描述胚胎细胞的分裂、迁移和分化过程,并通过模型模拟器官的形成和定位。
3. 生物体的自组织现象:数学几何模型可以用于解释生物体的自组织现象。
平行四边形是初中数学中一个非常重要的概念,它不仅是几何学中的基础知识,也广泛应用于日常生活中。
对于学生来说,深入理解并掌握平行四边形的概念和相关的公式,不仅可以提高他们的数学技能,还可以帮助他们理解现实生活中的应用。
一、平行四边形在现实生活中的应用:1.建筑设计建筑设计中的一些结构和图样都涉及到平行四边形的概念。
例如,设计师往往使用平行四边形来表示房子的侧面或屋顶的形状。
为了确保建筑结构的稳定性,建筑师还需要计算出平行四边形的面积和周长等重要参数。
2.运输和物流平行四边形还广泛应用于运输和物流行业中。
例如,货车的运输容量往往以平行四边形的形状来计算。
此外,物流公司通常需要估算货物的总体积,包括袋装货物和箱装货物等。
在这种情况下,平行四边形的面积计算公式就非常有用。
3.商业和网站设计商业和网站设计行业也需要使用平行四边形的概念和公式。
例如,在设计服装展示架或网站页面时,平行四边形可以帮助设计师更好地管理空间和布局。
平行四边形也可以在商业报表和数据分析中使用,帮助分析师更好地可视化和呈现数据。
4.地图和地球形状地图制图过程中,平行四边形的概念和计算公式也会经常用到。
地球的自转导致地球不是正球形,而是近似于椭球形。
地图制图过程中需要使用大量的三角学和平行四边形的概念来确定地球上各种地理特征的准确位置和大小。
5.三维建模在三维建模中,平行四边形同样有很多应用。
例如,在设计和制作建筑模型、雕塑和3D打印时,平行四边形是一个非常重要的概念。
它可以帮助设计师更好地定义对象的外形和几何结构,确保模型的形状和结构得到准确的表示。
二、面积教案的实践:1.教学目标通过本次课程,学生将理解平行四边形的概念和相关定义,可以正确计算面积和周长。
同时,他们将了解平行四边形在现实生活中的应用,从而更好地掌握和应用数学知识。
2.教学内容(1)平行四边形的定义和性质,包括对角线、高、面积和周长的计算公式;(2)平行四边形在现实生活中的应用案例,如建筑、运输、商业和地图制图等领域;(3)练习平行四边形面积和周长的计算,多角形的定理和公式,以及综合应用实例。
几何模型在建筑设计中的应用研究近年来,随着建筑设计技术的发展和建筑形式的多样化,几何模型在建筑设计中的应用得到了越来越广泛的关注。
几何模型可以通过数学表述建筑物的形状和结构,为设计师提供更加直观、全面的建筑信息,从而实现建筑物的精确、合理的设计和构建。
本文将探讨几何模型在建筑设计中的应用,以及几何模型在建筑设计中引发的一些问题。
几何模型在建筑设计中的应用主要分为以下几个方面:一、形状设计建筑设计中的形状设计是一个重要的环节,通过对建筑物的形状设计,可以赋予建筑物独特的风格和特色,增加建筑物的视觉吸引力。
几何模型可以将建筑物的各个形状元素抽象为数学模型,通过对数学模型的分析与研究,设计师可以精确地掌控建筑物的形状和尺寸,从而实现建筑物的合理设计。
二、结构设计建筑物的结构设计是建筑设计中最为核心的部分,它关系到建筑物的安全性和稳定性。
几何模型可以通过数学表述的方式,将建筑物的各个构件之间的关系和力学特性抽象为数学模型,在模拟和分析建筑物的承载情况、变形情况等方面具有独到的优势。
几何模型可以将建筑结构升华为一种数学表述,使得设计师可以更好地理解建筑物的结构特性,提高结构设计的精确度和科学性。
三、细节设计建筑细节设计是影响建筑物整体感觉的一个重要方面。
几何模型可以将建筑物的细节部分抽象为几何形状,通过模拟和参数化控制,实现设计师对细节的精准控制。
在细节设计中,几何模型的应用可以帮助设计师实现建筑细节的复杂度和精度。
几何模型在建筑设计中的应用可以提高设计师的工作效率和设计精度,同时也存在一些问题。
以下是几何模型在建筑设计中引发的一些问题:一、模型精度问题几何模型的精度是影响建筑设计质量的一个关键因素。
模型精度不足会导致建筑物的设计实现出现误差,影响建筑物的结构稳定性和视觉体验。
为有效解决这一问题,设计师需要在建立几何模型时,考虑如何提高模型精度和合理性,以保证建筑物的设计实现效果。
二、模型参数化问题在建筑设计中,模型参数化是一个常见的需求,可以通过模型参数化实现模型的标准化和批量处理。
建立数学几何模型的方法与应用数学几何模型是描述和解决与空间、形状和位置相关的问题的数学工具。
它在各个领域中都有广泛的应用,如物理学、工程学、计算机图形学等。
本文将探讨建立数学几何模型的方法和其在实际应用中的价值。
一、建立数学几何模型的方法1. 几何推理法几何推理法是建立数学几何模型的基本方法之一。
通过观察和推理,我们可以发现物体之间的关系和规律,并将其转化为几何模型。
例如,在建筑设计中,我们可以通过观察建筑物的结构和形状,推导出相应的几何模型,从而进行设计和计算。
2. 数学建模法数学建模法是建立数学几何模型的一种常用方法。
它将实际问题转化为数学问题,并利用数学方法进行求解。
例如,在城市规划中,我们可以将城市的道路、建筑物等要素抽象为几何图形,然后利用数学模型分析交通流量、人口分布等问题,为城市规划提供科学依据。
3. 计算机辅助建模法随着计算机技术的发展,计算机辅助建模法在建立数学几何模型中扮演越来越重要的角色。
通过计算机软件,我们可以快速地建立复杂的几何模型,并进行仿真和分析。
例如,在汽车工程中,我们可以利用计算机软件对汽车的空气动力学进行模拟,从而改善汽车的设计和性能。
二、数学几何模型的应用1. 物理学中的应用数学几何模型在物理学中有广泛的应用。
例如,在力学中,我们可以利用几何模型描述物体的运动和受力情况;在光学中,我们可以利用几何模型分析光的传播和反射规律。
这些模型为物理学研究提供了理论基础和计算工具。
2. 工程学中的应用在工程学中,数学几何模型被广泛应用于设计和分析。
例如,在建筑工程中,我们可以利用几何模型计算建筑物的结构强度和稳定性;在电子工程中,我们可以利用几何模型设计电路板和芯片布局。
这些模型能够帮助工程师更好地理解和解决实际问题。
3. 计算机图形学中的应用计算机图形学是利用计算机生成和处理图像的学科。
数学几何模型在计算机图形学中起着重要的作用。
例如,在三维动画制作中,我们可以利用几何模型描述物体的形状和动作;在虚拟现实中,我们可以利用几何模型模拟真实世界的场景和物体。
一个生活模型的几何应用黄玉华数学是人们对客观世界定性把握、定量刻画、抽象概括、形成方法和理论并进行广泛应用的过程。
在平时的学习中,我们要善于从已有的生活经验出发,建立基本的数学模型。
把相关问题转化为基本模型去解决,从而可以化繁为简,化难为易.请看下面这道题。
[题目]n 个人,每两个人握一次手,一共要握多少次手?解析:每个人都要与其他(n -1)个人握(n -1)次手。
n 个人一共要握n (n -1)次手。
其中每两个人握手都被重复计算一次,如甲与乙握手和乙与甲握手实际上只能算一次。
所以n 个人。
每两个人握一次手,一共要握2)1n (n -次手。
[建立的模型]n 个人,每两个人握一次手,一共要握2)1n (n -次手。
此模型为我们提供的结论可以解答与之类似的题目。
[巧用模型]1、确定点的个数例1 根据题意,完成下列填空。
平面内两条直线相交,它们有1个交点。
如果在这个平面内再画出第3条直线,那么这3条直线最多有__________个交点;如果在这个平面内再画出第4条直线,那么这4条直线最多可有_______________个交点。
由此可以猜想:在同一平面内,6条直线相交最多可有_______________个交点,n (n 为大于1的整数)条直线相交最多可有_______________个交点(用含n 的代数式表示)。
解法1:运用由特殊到一般的归纳猜想法。
两条直线相交有1个交点,再画第3条直线时,它必须和前两条直线相交,多了2个交点,交点最多为(1+2)个。
再画第4条直线时,它必须和前3条直线相交,多了3个交点,交点最多为(1+2+3)个。
进而可知,6条直线相交最多可有(1+2+3+4+5)个交点。
由此可以猜想:n 条直线相交最多可有[1+2+3+…+(n -1)]个交点。
解法2:转化为前面的模型。
因为每两条直线相交形成一个交点,相当于每两个人握一次手,所以本题可以转化为“握手”这一模型。
在同一平面内,n 条直线最多形成2)1n (n -个交点,再由一般到特殊,求出n =3,4,6时对应的交点个数。
初中数学几何模型在实际问题中的应用研究数学几何是一门抽象而又具体的学科,它不仅仅是一种学习知识的工具,更是一种思维方式的培养。
在初中阶段,数学几何模型的应用尤为重要。
本文将探讨初中数学几何模型在实际问题中的应用研究。
一、建模与实际问题建模是数学几何模型应用的核心环节。
通过将实际问题转化为数学几何模型,我们可以更好地理解和解决问题。
例如,在城市规划中,如何合理安排建筑物的位置和道路的走向是一个重要的问题。
我们可以使用几何模型来分析不同建筑物之间的距离和角度,从而找到最佳的布局方案。
这种建模思维培养了学生的空间想象力和逻辑思维能力。
二、几何模型在实际问题中的应用1. 地图导航地图导航是几何模型在实际生活中的常见应用之一。
通过几何模型,我们可以将地图上的道路和地理位置抽象成点、线和面,从而方便我们进行导航。
在初中数学课堂上,教师可以通过地图导航的实例来教授平面几何的知识,如直线的斜率、角度的计算等。
2. 建筑设计建筑设计是几何模型应用的另一个重要领域。
在建筑设计中,几何模型有助于确定建筑物的形状、结构和比例。
例如,在设计一座桥梁时,工程师需要考虑桥梁的强度、稳定性和美观性等因素。
通过几何模型的应用,工程师可以计算不同部位的受力情况,从而确保桥梁的安全性。
3. 机器人路径规划机器人路径规划是几何模型在现代科技领域的应用之一。
在工业自动化和人工智能领域,机器人的路径规划是一个关键问题。
通过几何模型,我们可以将机器人的位置和目标位置抽象成点,将机器人的移动轨迹抽象成线,从而找到机器人的最佳路径。
这种应用不仅提高了机器人的工作效率,还减少了资源的浪费。
三、初中数学几何模型的教学策略在初中数学教学中,教师需要采用一些有效的策略来教授几何模型的应用。
首先,教师可以通过实际问题来引导学生进行建模,培养学生的问题解决能力。
其次,教师可以设计一些与生活实际紧密相关的案例,让学生在解决问题的过程中学习几何模型的应用。
最后,教师可以鼓励学生进行团队合作,通过合作解决问题,培养学生的团队精神和合作能力。
天津师范大学本科生毕业论文(设计)题目:几何模型在现实生活中的应用学号: 02505075姓名:刘静专业:数学与应用数学年级: 2002级学院:数学科学学院完成日期: 2006年5月指导教师:张智广几何模型在现实生活中的应用摘要:几何模型是数学建模的重要工具,合理使用它将使原本复杂的问题变得简单易解,有简化问题的作用.一般来说,几何模型是针对具体实物建立起来的,即可在现实生活中找到原型,其目的是为了解决实际问题.它的应用范围非常广泛,在许多领域发挥着重要作用.本文从物体运动、运输、汽车设计优化等问题入手,分析如何建立其几何模型,探求解决途径,并研究所建模型的应用领域,即还可利用此模型解决的类似问题有哪些.关键词:数学建模,数学模型,几何模型,简化The Application of Geometrical Model in Our Daily LifeAbstract:Geometrical model is a very important tool in mathematical modeling. Rational of it will simplify the original complex problems. Generally, geometrical models are constructed according to the concrete materials, namely, people can find their original models in real life. As geometrical model aims at solving the programmatic problems, it has been widely used. It plays a very important role in various fields. This paper mainly analyses the methods of constructing geometrical model from the perspectives of transportation, the moving of the object, and the optimal design of cars, and then explores the way of solving the problem. This paper also researches the applying fields of all the constructing models and the solving of some certain problems with these models.Key words:Mathematical modeling, Mathematical model, Geometrical model, Simplify目录一、前言 (1)二、几何模型在物体运动问题中的应用 (2)(一)步长选择 (2)(二)雨中行走 (3)三、几何模型在运输问题中的应用 (6)(一)冰山运输 (6)四、几何模型在汽车设计优化问题中的应用 (10)(一)驾驶盲区 (10)(二)车灯线光源的优化设计模型 (12)五、几何模型在其它问题中的应用 (15)(一)医学中的应用 (15)1.血管分支 (15)(二)日常生活中的应用 (16)1.动物的身长与体重 (16)2.拐角问题模型 (17)参考文献 (19)一、前言近年来,数学模型和数学建模这两个术语使用的频率越来越高.但是,到底什么是数学模型和数学建模呢?可能许多人还不是很清楚.所谓数学建模就是利用数学方法解决实际问题的一种实践.即通过抽象、简化、假设、引进变量等处理过程后,将实际问题用数学方式表达,建立起数学模型,然后运用先进的数学方法及计算机技术进行求解.当一个数学结构作为某种形式语言(即包括常用符号、函数符号、谓词符号等符号集合)解释时,这个数学结构就称为数学模型.换言之,数学模型可以描述为:对于现实世界的一个特定目的,根据特有的内在规律,做出一些必要的简化假设,运用适当的数学工具得到的一个数学结构.也就是说,数学模型是通过抽象简化的过程,用数学语言对实际现象的一个近似的刻画,从而便于人们更深刻地认识所研究的对象.数学模型模仿了一个现实系统,是对现实对象的信息加以分析、提炼、归纳、翻译的结果.它用精确的语言表达了对象的内在特性,是利用函数、方程等变量描述方法以及数学概念创立的模型.但建立数学模型并非以模型为目标,而是为了解决实际问题.当我们建立一个数学模型时,我们从现实世界进入了充满数学概念的抽象世界.在数学世界内,我们用数学方法对数学模型进行推理、演绎、求解,并借助于计算机处理这个模型,得到数学上的解答.最后,我们再回到现实世界,将模型的数学解“翻译”成现实问题的实际“解答”,如给出现实对象的分析、预报、决策、控制的结果.这些结果还必须经实际的检验,即用现实对象的信息检验得到的解答,确认结果的正确性.我们始于现实世界又终结于现实世界,数学模型是一道理想的桥梁.在实际应用中,数学模型可按不同方式分类.若按建立模型的数学方法分类,则它可分为几何模型、微分方程模型、图论模型、规划论模型、马氏链模型等.这些模型彼此之间并非绝对孤立,而是互相渗透,互为工具.在可用数学建模的方法解决的问题中,有些比较简单,只使用其中的一种模型即可.例如,一把梯子斜靠在墙上,如何测得梯子和墙的夹角呢?首先建立梯子的几何模型,即将其假设为一线段,忽略其余各部分.接下来,测量梯长以及从梯子与墙的交点到地面的垂直距离.再利用三角函数,便可计算出夹角.但在解决复杂问题时,仅使用几何方面的知识或者其它某类知识是远远不够的,往往是两类或多类知识综合起来使用,会达到事半功倍的效果.或者在原有模型的基础上,使用几何模型作为辅助手段,也会为问题的解决带来惊喜.几何模型不是原型,既简单于原型,又高于原型,它是对原物体简化后的产物.几何模型有一定的适用条件,即在所要解决的问题中需出现具体实物,因为要建立所研究问题的几何模型就一定脱离不了具体实物的存在.若问题中没有出现有具体形状的物体,则几何模型也无从谈起.但是由于我们所要解决的实际问题有许多都会涉及到具体实物,所以几何模型的应用范围是很广泛的,地位是举足轻重的.下面我们将从四个方面,介绍几何模型的具体应用.二、几何模型在物体运动问题中的应用数学建模过程是由若干个有明显差别的阶段性工作组成的,可以分为问题分析、模型假设、模型建立、模型求解、模型分析、模型检验、模型应用等过程.但建模要经过哪些步骤并没有一定的模式,以上只是机理分析方法建模的一般过程.在本文中,受所研究问题及篇幅所限,部分过程有所省略.物体运动中所涉及到的物体一定是有具体形状的,所以符合几何模型的应用条件.分析运动物体的几何结构,对其进行合理简化,是几何模型的一个重要应用.(一)步长选择问题描述:人在行走时所做的功等于抬高人体重心所需的势能与两腿运动所需的动能之和.在给定速度时,以动作最小(即消耗能量最小)为原则.问走路步长选择多大为合适?问题分析:此问题若陷入人体复杂的生理结构之中,将会得出过于复杂的模型而失去使用价值.对人体进行合理的简化,是解决问题的首要步骤.由于此例要解决的是步长问题,则人体的生理结构这一复杂因素是可以忽略的.另外,依靠平时生活经验的积累,可判断影响步长的主要因素有:(1)身高H (或腿长h );(2)体重M .为简化问题的研究,做以下假设:(1)假设人体只由躯体和下肢两部分组成,且下肢看作长为h 、质量为m 的均匀杆;(2)设躯体以匀速v 前进.模型建立:如图1所示,重心升高12222cos 148l l h h h h h h δθ⎛⎫=-=--≈ ⎪⎝⎭(当l h 较小时). 腿的转动惯量23mh I =,角速度v w h =,单位时间图1的步数为v l .所以单位时间行走所需的动能为32126e v mv W Iw l l==. 单位时间内使身体重心升高所做的功为8v Mglv W mg l hδδ==,所以单位时间行走所需的总功368e mv Mglv W W W l h δ=+=+.代入v n l =,得2168m Mg W v n h n ⎛⎫=+ ⎪⎝⎭.于是当v 一定时,n =W 最小.由0v l n =,得0l =.求解完毕. (二)雨中行走问题描述:一个雨天,你有件急事需要从家中到学校去.学校离家不远,仅一公里,况且事情紧急,你不准备花时间去翻找雨具,决定碰一下运气,顶着雨去学校.假设刚刚出发雨就大了,但你也不再打算回去了.一路上,你将被大雨淋湿.一个似乎是很简单的事实是你应该在雨中尽可能地快走,以减少淋雨的时间.但是如果考虑到降雨方向的变化,在全部距离上尽力地快跑不一定是最好的策略.试组建数学模型来探讨如何在雨中行走才能减少淋雨的程度.问题分析:对于这个实际问题,它的背景是简单的,人人皆知无需进一步论述.我们的问题是,要在给定的降雨条件下设计一个雨中行走的策略,使得你被雨水淋湿的程度最低.分析参与这一问题的因素,主要有:(1)降雨的大小;(2)风(降雨)的方向;(3)路程的远近;(4)你跑的快慢.为简化问题的研究,我们假设:(1)降雨的速度(即雨滴下落速度)和降水强度保持不变;(2)你以定常的速度跑完全程;(3)风速始终保持不变;(4)把人体看成是一个长方体的物体(此项为几何方面的假设).在这些假设下,我们可以给出参与这个模型的所有参数和变量:雨中行走的距离D (米)、时间t (秒)、速度v (米秒);人的身高h (米)、宽度w (米)和厚度d (米);身上被淋的雨水总量C (升).关于降雨的大小,在这里用降水强度(单位时间平面上降下雨水的厚度)I (厘米时)来描述.模型求解:为进一步简化这一问题的研究,首先讨论最简单的情形,即不考虑降雨角度的影响,也就是说在你行走的过程中身体的前后左右和上方都将淋到雨水.经简单论证可知,这是一个荒谬的假设,所建模型用以描述雨中行走的人被雨水淋湿的状况是不符合实际情况的.按照建模的程序,需要回到对问题所做的假设,推敲这些假设是否恰当.这时我们发现不考虑降雨角度的影响这个假设把问题简化得过于简单了.若考虑降雨角度的影响,则降雨强度已经不能完全描述降雨的情况了.现给出降雨的速度,即雨滴下落的速度r (米),以及降雨的角度(雨滴下落的反方向与你前进的方向之间的夹角)θ.显然,前面提到的降雨强度将受降雨速度的影响,但它并不完全决定于降雨的速度,它还决定于雨滴下落的密度.我们用ρ来度量雨滴的密度,称为降雨强度系数,它表示在一定的时刻在单位体积的空间内由雨滴所占据的空间的比例数.于是有I pr =.显然,1p ≤,而当1p =时意味着大雨倾盆,有如河流向下倾泻一般.如图2所示,在这种情形下为了估计出你被雨水淋湿的程度,关键是考虑雨滴相对于雨中行走方向的下落方向. 首先考虑02πθ<≤的情况.这时雨水是从前方迎面而来落下的,由经验可以知道,这时被淋湿的部位将仅仅是你的顶部和前方.因此淋在身上的雨水将分为两部分来计算.先考虑顶部被淋的雨水.雨滴速度垂直方向的分量是sin r θ,顶部的面积是wd .不难得到,在时间t D v =内淋在顶部的雨水量应该是:()()1sin C D v wd pr θ=.再考虑前方表面淋雨的情况.雨速水平方向的分量是cos r v θ+,前方的面积是wh ,故前方表面被淋到的雨水的量应该是()()2cos C D v wh p r v θ=+⎡⎤⎣⎦.因此在整个行程中被淋到的雨水的总量应该是()12sin cos pwD C C C dr h r v vθθ=+=++⎡⎤⎣⎦. (1) 如果假设落雨的速度是4r =米,由降雨强度2I =厘米时可以估算出它的强度系数61.3910p -=⨯.把这些参数值代入(1)式可以得到()46.95100.8sin 6cos 1.5C v vθθ-⨯=++. 在这个模型里有关的变量是v 和θ,其中θ是落雨的方向,我们希望在模型研究过程中改变它的数值;而v 是要选择的雨中行走的速度.由于在我们讨论的情形下有图2v02πθ<≤,而且C 是v 的减函数,因此当v 增大时淋雨量C 将逐渐减小. 考虑2πθπ<<的情形.在这种情形下,雨滴将从后面向你身上落下.令90θα=+ ,则02απ<<.这个情形还要按照你在雨中行走的速度再分成两种情况.首先考虑sin v r α≤的情形,也就是说行走的速度慢于雨滴的水平运动速度.这时雨滴将淋在后背上.淋在背上的雨水的量是()sin pwDh r v α-,于是淋在全身的雨水的总量应该是()cos sin C pwD rd h r v v αα=+-⎡⎤⎣⎦.当你以可能的最大速度sin v r α=在雨中行进时,雨水的总量的表达式可以化简为()cos C pwD rd α=.它表明你仅仅被头顶部位的雨水淋湿了.实际上,这意味着你刚好跟着雨滴向前走,所以身体前后都没有淋到雨.如果你的速度低于sin r α,则由于雨水落在背上,而使得被淋的雨量增加.因此在这种情形下淋雨量仍然是行走速度的减函数.第二个情形是sin v r α>的情形,这时在雨中的奔跑速度比较快,要快于雨滴的水平运动速度.这时人将不断地追赶雨滴,雨水将淋在你的胸前.被淋的雨量是()sin pwhD v r v α-.于是全身被淋的雨水的总量是()cos sin C pwD rd h v r v αα=+-⎡⎤⎣⎦.综合上面分析的结果,我们可以得到淋雨量的数学模型为:()()()sin cos ,02,cos sin ,02,sin ,cos sin ,02,sin .pwD r d h hv v pwD C r d h hv v r v pwD r d h hv v r v θθθπαααπααααπα⎧++<≤⎡⎤⎣⎦⎪⎪⎪=+-<<≤⎡⎤⎨⎣⎦⎪⎪-+<<>⎡⎤⎣⎦⎪⎩正如上面分析所得到的,模型中前两个式子都是速度v 的减函数.但是第三个式子的情形就比较复杂了,它的增减性将取决于括号内的式子cos sin d h αα-是正还是负,它刚好是关于人的体形的一个指标.从这个模型我们可以得到如下结论:(1)如果雨是迎着你前进的方向向你落下,这时的策略很简单,应该以最大的速度向前跑;(2)如果雨是从你的背后落下,这时你应该控制你在雨中的行走的速度,让它刚好等于落雨速度的水平分量.这时雨滴不会淋到你的前胸和后背,只淋到了头顶上.小结:通过研究前面两个问题,我们作以下三点总结:(1)在第一个问题中,我们用几何模型结合物理知识,解决了人体行走中的步长问题.建立模型时,把人体只看作由躯干和下肢两部分组成,是对人体的第一次简化;接着又将下肢看作长为h、质量为m的均匀杆,是对人体的第二次简化.两次简化对问题的解决起到了关键作用,既合理简化了问题,又未因过分简化而使模型失去其使用价值.而在第二个问题的模型建立中,将人体直接看成是一个长方体的物体.通过对比我们可以看出,在解决不同的实际问题时,对同一物体可根据实际需要做出不同的模型假设.(2)通过解决第二个问题我们还可以发现,数学模型的建立是一个对模型反复推敲不断完善的过程.虽然建立模型是为了简化问题,但有时这种简化是过度的,即得到的结果与现实情况出入过大.这时就需要返回问题分析这一步骤,对模型原有假设进行修改,使其逐渐向原型靠近,从而得出合理的结论.(3)除人在行走中的步长选择问题以及雨中行走问题外,还有很多物体运动值得我们研究.例如汽车刹车距离问题,即两车之间保持多长距离能保证司机在发生意外时可以及时刹车.在汽车驾驶中有这样的规则:正常驾驶条件下车速每增加10英里,后面与前面一辆车的距离应增加一个车身的长度.有人根据这一规则,推出了所谓的“2秒准则”,即后车司机若能在前车经过某一标志的2秒钟后到达同一标志,则此时两车之间的距离刚好.这个准则的合理性如何,是否有更好的准则?这些问题都值得研究.如果此准则合理,就可以确定两车在驾驶过程中应保持的车距了.三、几何模型在运输问题中的应用英国媒体于近日报道,英国最大的供水厂商泰晤士自来水公司正在考虑将北极冰山拖运到伦敦,以化解可能面临的百年来最严重的水荒.该公司在伦敦举行的一次会议上说:“我们不得不考虑任何可能的方案,包括从北极拖运冰山及人工造雨.尽管许多人可能觉得利用冰山的想法愚蠢荒唐,但不能排除这种可能性.”那么拖运冰山这一想法可行吗?用数学建模的方法便可解决这一问题.(一)冰山运输问题描述:在水资源十分贫乏的国家,政府不得不采用淡化海水的办法为国民提供用水,成本大约是每立方米淡水0.1英镑.有些专家提出从南极用拖船运送冰山到本国,以取代淡化海水的办法.这个模型要从经济角度研究冰山运输的可行性.问题分析:为了计算用拖船运送冰山获得每立方米水所花的费用,我们需要搜集关于拖船的租金、运量、燃料消耗及冰山运输过程中融化速率等方面的数据,以此作为建模必须的准备工作.在此我们只研究冰山几何模型的建立方法,故只给出冰山运输过程中的融化速率的数据表(见表1).所谓融化速率是指在冰山与海水、大气接触处冰山每天融化的速度.融化速率除与船速有关外,还和运输过程中冰山与南极的距离有关.这是由于冰山要从南极运往赤道附近的缘故.表1 冰山运输过程中的融化速率建立模型的目的是选择拖船的船型和船速,使冰山到达目的地后,可得到的每立方米水所花的费用最低,并与海水淡化的费用相比较.模型假设:根据建模目的和搜集到的有限的资料,需要作如下的简化假设.(1)拖船航行过程中船速不变,航行不考虑天气等任何因素的影响.总航行距离为9600km .(2)冰山形状为球形,球面各点的融化速率相同.这是相当无奈的假设,在冰山上各点融化速率相同的条件下,只有球形的形状不变,这样体积的变化才能简单地计算.(3)冰山到达目的地后,13m 冰可以融化成0.853m 水.模型建立:首先需要知道冰山体积在运输过程中的变化情况,然后是计算航行中的燃料消耗,由此可以算出到达目的地后的冰山体积和运费.在计算过程中需要根据搜集到的数据拟合出经验公式.模型构成可分为以下几步.(1)冰山融化规律根据假设(2)先确定冰山球面半径的减小量,从而得到冰山体积的变化规律. 记冰山球面半径融化速率为r 米,船速为u km h ,拖船与南极距离为d km .根据表1中融化速率的数据,可设r 是船速u 的线性函数,且当04000d km ≤≤时r 与d 成正比,而当4000d km >时r 与d 无关,即设()()121,04000,1,4000,a d bu d r a bu d +≤≤⎧⎪=⎨+>⎪⎩ (2)其中1a ,2a ,d 为待定参数.这可以解释为04000d km ≤≤相当于从南极到赤道以南,海水温度随d 增加而上升,使融化速率r 也随d 的增加而变大.而4000d km >后海水温度变化较小,可以忽略.利用表1所给数据确定出51 6.510a -=⨯,20.2a =,0.4d =. (3)当拖船从南极出发航行第t 天时,与南极的距离为24d ut =. (4)记第t 天冰山球面半径融化速率为t r ,将(3)、(4)式代入(2)式得()()310001.561010.4,0,610000.210.4,.6t u u t t u r u t u -⎧⨯+≤≤⎪⎪=⎨⎪+>⎪⎩(5) 记第t 天冰山半径为t R ,体积为t V ,则01tt k k R R r ==-∑, (6)343t t V R π=,30043V R π=, (7) 其中0R ,0V 为从南极启运时冰山的初始半径和体积.由(5)~(7)式可知冰山体积是船速u 、初始体积0V 和航行天数t 的函数,记作()0,,V u V t ,有()3014,,3t k k V u V t r π=⎫=⎪⎪⎭∑, (8) 其中k r 由(5)式表示.(2)燃料消耗费用:记为()t V u q ,,0(天英镑).已知燃料消耗对船速u 和冰山体积V 的对数V lg 均按线性关系变化.利用搜集的数据,计算出()()⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=∑=378.043lg 362.7,,1300t k k r V u u t V u q π. (3)运送冰山费用:记为()0,V u S .费用由拖船的租金和燃料消耗两部分组成.根据搜集的数据,得()()()⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-++=∑∑==T t t k k u r V u u u V f V u S 11300015143lg 362.7400,π. (9) 其中,()0V f 表示日租金,且()5056006704.0,510,6.2,51010,8.0,1010.V f V V V ⎧≤⨯⎪=⨯<≤⎨⎪<≤⎩(4)冰山运抵目的地后可获得水的体积:将T t =代入(7)式,得冰山运抵目的地后的体积.再由假设(3),得水的体积为()313004334.3,⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=∑=T t t r V V u W ππ. (10) (5)每立方米水所需费用:记为()0,V u y .由(9)、(10)式显然有()()()000,,,V u W V u S V u y =. 模型分析:此题假设冰山呈球形,简化了计算.但球形与现实中冰山的形状相去甚远,将其假设为圆台更为接近.此举势必将加大解题难度,甚至导致结果的变更.下面我们简单分析一下,将冰山的形状从球形改为圆台后,会对整个建模过程造成何种影响.若假设为圆台,则圆台的上下底面半径r 、R 及高度h 的变化都要考虑.在拖运之初测量冰山圆台的上下底面半径0r 、0R 及初始高度0h ,有以下关系:010r R ρ=,020h R ρ=. (11) 且此比例在冰山融化过程中不变.记冰山圆台下底面半径融化速率为r 米天.与例题一样,设r 是船速u 的线性函数,且当04000d km ≤≤时r 与d 成正比,而当4000d km >时r 与d 无关,即设()()121,04000,1,4000,a d bu d r a bu d +≤≤⎧⎪=⎨+>⎪⎩ (12) 其中1a ,2a ,d 为待定参数.要确定1a 、2a 、d 的值,需要给出另外一组测量数据.将24d ut =代入(12)式,即得第t 天冰山圆台下底面半径的融化速率t r .记圆台所在圆锥的高为H ,则Rh H R r=-. (13) 记第t 天冰山上下底面半径为t r 、t R ,高为t h ,圆台所在圆锥的高为t H ,体积为t V ,则01tt k k R R r ==-∑, (14)1t t r R ρ=,2t t h R ρ=,t t t t tR h H R r =-, (15) ()2213t t t t t t V R H r H h π⎡⎤=--⎣⎦,()2200000013V R H r H h π⎡⎤=--⎣⎦. (16) 由(11)~(16)式可知冰山体积是船速u 、初始体积0V 和航行天数t 的函数,记作()0,,V u V t .至此,只要给出所需数据,我们便可计算出()0,,V u V t .由于0V 的改变,之后的燃料消耗费用、运送冰山费用、冰山运抵目的地后可获得水的体积、每立方米水所需费用都会发生变化,从而可能导致此方案的可行性发生变更.四、几何模型在汽车设计优化问题中的应用汽车在我国的普及率正在稳步提升,它以其便捷高速的特性吸引着人们的注意力,所以有越来越多的人选择汽车作为了代步工具.但是汽车的设计还有许多有待改进的地方,例如车身的形状、各部件的设计、安全装置等都有继续完善的必要.所以此领域的研究有着重要的应用价值和商业价值,已为更多人所重视.(一)驾驶盲区问题描述:在汽车驾驶过程中会出现这种情况:在拥挤的道路变换车道与转弯时,后方突然有车辆出现,司机防范不及,造成车祸.试分析车祸原因,并给出解决方案.问题分析:汽车上共有内外三面后视镜,驾驶员通过这三面镜子来观察后面的车流情况,以决定何时可以转弯,而不会有危险发生.但是由于后视镜的尺寸都不是很大,这样使驾驶员能看到的范围就很小.需要看到的地方没办法看到,那块地方就是所谓的盲区.存在着盲区就存在着一定的安全问题,车祸出现的原因就在于此.若想避免此类车祸的发生,必须改善后视镜的设计,使盲区的范围缩小或者消失.后视镜的角度虽然可调节,但一般都由司机固定在其最习惯的地方,即可观察到的区域范围已确定,如图3所示.模型假设:(1)设汽车为长方体,俯视为长方形,且关于直线l 对称,司机位于其对称轴上一点(在车内);(2)假设两外后视镜与车身的夹角为θ,此值固定不变;(3)假设汽车所行驶的车道两旁分别只有一个车图3道.由对称性,我们只研究左侧车道上的车辆.通常汽车所安装的后视镜均为平面镜,这样设计是为了使驾驶员观察到的物体不变形,符合人的视觉习惯,但缺点是视野较小.扩大视野是解决此问题的关键.众所周知,凸面镜的成像区域要比平面镜大很多,所以考虑将平面镜换为凸面镜是否可以.若直接将平面镜换为凸面镜,势必将影响司机的正常驾驶,从而造成新的隐患.所以我们不妨考虑在外后视镜的外端或内后视镜的上方添加凸面镜(本文只研究在外后视镜的外端添加凸面镜这种情况),这样便可使问题得到解决.接下来,需要考虑的问题是,选择什么弧度的球冠最为合适.球冠的选择不是半径越小、弧度越大就越好,而是使司机可以观察到需要观察的车辆就可以了.根据上面的假设,我们可以给出参与这个模型的所有参数和变量:汽车的长a 、宽b ;驾驶时前后两车的车距d ;视野需扩大到ϕ角;所需凸面镜的长度m .模型建立:球面上各点入射光线的反射光线可根据该点的切平面确定.由于车道上需要观察的车辆与所在车辆位于同一水平位置,所以要确定取何种球冠最为合适,只需研究球冠与此水平面相交的弧上的A 点的反射光线即可.如图4所示,标出各变量.如图5所示,由汽车的长a 、宽b 及车距d ,可知 arctan b a dϕ=+. (17) 若ϕ角确定,则反射光线也可确定,即两线的夹角可测.设测量结果为α,因入射角等于反射角,故入射角的角度为2α.图4中的φ表示的是法线与凸面镜的边的夹角,显然有()22ααφϕθθϕ=--=+-. (18)故球的半径为 2cos m r φ=. (19) 综合(17)~(19)式,便可确定球的大小及所需球冠的大小.问题得解.模型分析:在本题中,我们选取的是整个球冠.其实,在平时使用时,球冠的上图4图5。