数学建模减肥计划
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减肥计划——节食与运动
背景
社会的进步和发展,人们的生活水平不断提高。由于饮食营
养摄入量的不断改善和提高,“肥胖”已经成为全社会关注的一
个重要的问题。您的体重正常吗?不妨用联合国世界卫生组织颁
布的所谓体重指数(简记BMI )
体重指数BMI=w(kg)/l2(m2) 18.5 BMI>25 ~ 超重; BMI>30 ~ 肥胖。 肥胖是与目前严重危害人类健康疾病,如糖尿病、高血压、冠 心病、血脂异常、胆囊疾病、痛风、骨关节病、阻塞性睡眠呼吸 暂停、某些癌症等的发病有明显相关的危险因素之一。肥胖也是 身体健康的晴雨表,反映着体内多方面的变化。很多人在心理上 害怕肥胖,追求苗条,不少人纷纷奔向减肥食品的柜台。可是大 量事实说明,多数减肥食品达不到减肥的目标,或者即使能减肥 一时,也难以维持下去。许多医生和专家的意见是,只有通过控 制饮食和适当的运动,才能在不伤害身体的条件下,达到减轻体 重并维持下去的目的,本论文要建立一个简单的体重变化规律模 型,并由此通过节食与运动制定合理、有效地减肥计划。 模型分析 通常,当体内能量守恒被破坏时就会引起体重的变化。人们 通过饮食吸收热量,转化为脂肪等,导致体重增加;又由于代谢 和运动消耗热量,引起体重减少。只要做适当的简化假设就可得 到体重变化的关系。 减肥计划应以不伤害身体为前提,这可以用吸收热量不要过 少、减少体重不要过快来表达。当然,增加运动量是加速减肥的 有效手段。 通常,制定减肥计划以周为时间单位比较方便,所以这里用 离散时间模型——差分方程模型来讨论。 模型假设 根据上述分析,参考有关生理数据,作出以下简化假设: 1)体重增加正比于吸收的热量——每8000千卡增加体重1千克; 2)代谢引起的体重减少正比于体重,每周每公斤体重消耗200 千卡 ~ 320千卡(因人而异),相当于70千克的人每天消耗 2000千卡 ~ 3200千卡; 3)运动引起的体重减少正比于体重,且与运动形式有关; 4)为了安全与健康,每周体重减少不宜超过 1.5千克,每周吸 收热量不要小于10000千卡。 基本模型 w(k) ~ 第k 周(末)体重 c(k) ~第k 周吸收热量 热量转换系数 千卡)千克 /(1=α 代谢消耗系数 β 则在不考虑运动情况下体重变化的基本方程: )()1()()1(k w k c k w k w βα-++=+ (1) 增加运动时只需将β改为1β,1β由有运动的形式和时间决定。 减肥计划的提出 某甲 1.7m ,体重100kg ,BIM 高达34.6.自述目前每周吸收20000kcal 热量,体重长期不变。试为按照以下方式制定减肥计划,使其体重减至75kg 并维持下去: 1)在不运动的情况下安排一个两阶段计划。第一阶段:每周减 肥1千克,每周吸收热量逐渐减少,直至达到下限(10000千卡);第二阶段:每周吸收热量保持下限,减肥达到目标。 2)若要加快进程,第二阶段增加运动,试安排计划。 3)给出达到目标后维持体重的方案。 减肥计划的制定 1)首先应确定某甲的代谢系数β。根据他每周吸收c=20000kcal 热量,体重ω=100kg 不变,由(1)式得 βωωω-ac += ,025.0100/8000/20000/ac ===ωβ 相当于每周每公斤体重消耗热量20000/100=200kcal 。从假设 2可以知道,某甲属于代谢消耗相当弱的人。 第一阶段 要求体重每周减少b=1kg ,吸收热量减至下限,10000min kcal c =即 由基本模型(1)式可得 ]1)([1)1(-=+k w k c βα=)1(1)0(k w βα αβ+- 将b ,,βα的数值带入,并考虑下限m in c ,有 c (k+1)=12000-200k 10000min =≥c 得k ,10≤即第一阶段共10周,按照 9,.......,1,0,20012000)1(=-=+k k k c (2) 吸收热量,可使体重每周减少1kg ,至第10周末达到 90kg 。 饮食,既要保证摄入足够的营养,又要避免摄入过多热量。 通过查找相关资料,得知日常生活中常见食物的热量系数如下 第一周饮食搭配举例: 早餐:250g 牛奶,一个馒头(约60g),一个鸭蛋(约50g),煎饼 100g ,c1=637kcal 午餐:米饭150g,牛肉50g,菠菜 100g,猪肉50g, c2=675kcal 晚餐:小米粥200g ,苹果100g ,胡萝卜100g ,c3= 200kcal 三餐共摄入热量约1500kcal 。(可根据自己情况进行搭配) 接下来9周,可根据情况依次每周在早、午餐中减少200kcal 的热量,以达到10周末体重为90kg 的目标。 第二阶段 要求每周吸收热量保持下限m in c ,由基本模型(1)式可得 min )()1()1(ac k k +-=+ωβω (3) 为了得到体重减至75kg 所需的周数,将(3)式递推可得 β αβαβm m n C C k w +--=])([)1( (4) 已知90)(=k ω,要求, )(75n k =+ω再以min c ,,βα的数值代入,(4)式给出 50)5090(975.075+-=n (5) 得到n=19,即每周吸收热量保持下限10000kcal ,再有19周体重减至75kg 。 2)为了加快进程,第二阶段增加运动 。 经调查资料得到以下各项运动每公斤体重消耗的热量(单位: