数学建模之相遇问题案例分析
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例:某人由早上8:00从A地出发,中午12:00到达B地;第二天,又由早上的8:00从B地出发,沿原路在中午12:00回到A地。求证:在此过程中至少存在某点,此人到达此点的时刻相同。
模型准备:初看此问题,只告诉时间而没有告诉路程和速度,故用一般的求相遇问题的数学模型是行不通的是行不通的,我们只能建立新的模型来求解。当仔细分析时,我们会发现,如果选定A或B地作为参考(且A地作为参考)建立此人第一天和第二天距A地的距离随时间t(单位:小时)的函数,分别为f(t)和g(t)。由于此人是同时从A、B两地出发且同时到达B、A两地,故f(t)和g(t)处在同一定义域
区间内;且在区间上都是连续的。如果f(t)和g(t)的图像有交点,则此问题得解。
模型假设:为了使问题简化,我们做出如下假设。
1、由于A、B两个点是确定的且是原路返回,可以假设A和B间的距离为L(单位:千米),则L>0;
2、假设此人在行进过程中只朝前走不反过来走,且在到达终点之前不停下来;
3、假设t表示离出发时刻的时间间隔,则t的取值区间为[0,4]。
模型建立:结合模型准备和模型假设,我们建出如下模型,f(t)和g(t)是定义在区间[0,4]上的连续函数;且,在区间上单调递增,在区间上单调递减。求证,f(t)和g(t)的图像在区间[0,4]上有只有一个交点。
模型求解:现在我们对上面的模型进行求解。
因为,当f(t)和g(t)相交时有f(t)=g(t)即f(t)-g(t)=0;
所以,建立辅助函数h(t)=f(t)-g(t)表示f(t)和g(t)的差;
则h(t)也是定义在区间[0,4]上的连续函数。
(也就是说,现在把问题转化为了求证函数h(t)在区间[0,4]上存在零点。)
又,在区间[0,4]上,当t=0时
f(0)=L g(0)=0 即h(t)=f(t)-g(t)=L>0
当t=4时
f(t)=0 g(t)=L 即h(t)=f(t)-g(t)=-L<0
因为,连续函数h(t)=f(t)-g(t)在闭区间[0,4]上有h(0)*h(4)<0
所以,在闭区间[0,4]上至少存在一点t1,使得h(t1)=0。
此时,h(t1)=f(t1)-g(t1)=0,即f(t1)=g(t1)。
(接下来,证明此点的唯一性)
因为,函数f(t)和g(t)分别在闭区间[0,4]上单调递增和单调递减;
所以,它们的图像在闭区间[0,4]上有且只有一个交点,也即h(t)在此区间上有且只有一个零值点。
模型分析:因为f(t)和g(t)分别在闭区间[0,4]上单调递增和单调递减,所以f(t)和g(t)的图像必有交点。我们可以通过作图来验证这一结论。
模型检验:f(t)和g(t)的大概走势图像
h(t)=f(t)-g(t)的大概走势图像