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狼在兔子正东方向什么意思

02月10日 编辑 39baobao.com

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出自数学实验案例 狼追击兔子的问题

1.1 狼追击兔子问题的建模

1.1.1 问题重述与分析

狼追兔子问题是欧洲文艺复兴时代的著名人物达.芬奇提出的一个数学问题。当一个兔子正在它的洞穴南面60码处觅食时,一只恶狼出现在兔子正东的100码处。当两只动物同时发现对方以后,兔子奔向自己的洞穴,狼以快于兔子一倍的速度紧追兔子不放。狼在追赶过程中所形成的轨迹就是追击曲线。狼是否会在兔子跑回洞穴之前追赶上兔子?

为了研究狼是否能够追上兔子,可以先考虑求出狼追兔子形成的追击曲线,然后根据曲线来确定狼是否能够追上兔子。

1.1.2 变量说明

:兔子的速度(单位:码/秒)

:狼与兔子速度的倍数;

:狼的速度(单位:码/秒),显然有

:狼追击兔子的时刻(t=0时,表示狼开始追兔子的时刻)

:在时刻t,兔子跑过的路程(单位:码),

:在时刻t,狼跑过的路程(单位:码),

Q :表示在时刻t时,兔子的坐标

P :表示在时刻t时,狼子的坐标

1.1.3 模型假设

1、狼在追击过程中始终朝向兔子;

2、 狼追击兔子的轨迹看作是一条光滑的曲线,即将动点P 的轨迹看作一条曲线,曲线方程表示为 。

1.1.4 模型建立

(一)建模准备

以t=0时,兔子的位置作为直角坐标原点,兔子朝向狼的方向为x轴正向;

则显然有兔子位置的横坐标 。

对狼来说,当x=100,y=0,即

在t=0刚开始追击时,狼的奔跑方向朝向兔子,此时即x轴负方向,

则有

(二)建立模型

1、追击方向的讨论

由于狼始终朝向兔子,则在狼所在位置P 点过狼的轨迹处的切线方向在y轴上的截据为 。

设切线上的动点坐标为(X,Y),则切线方程为

(1)

在(1)中,令X=0,则截据 。

此时 。

则此时截据等于兔子所跑过的路程,即:

从而可得

(2)

2、狼与兔子速度关系的建模

在t时刻,兔子跑过的路程为

(3)

由于狼的速度是兔子的r倍,则狼跑的路程为

4)

狼跑过的路程可以用对弧长的曲线积分知识得到,如下。

(5)

联立(2)、(4)、(5)得

(6)

对(6)两边求对x的导数,化简得

(7)

微分方程(7)式的初始条件有:

3、是否追上的判断

要判定狼是否追上兔子,

可以通过(7)式判定。

对(7)式,

当x=0,如果计算求解得到 ,则视为没有追上;

当x=0,如果计算求解得到 ,则视为兔子被追上;

1.1.5 模型求解

由微分方程得到其Matlab函数

function yy=odefunlt(x,y)

%以狼在追击过程中的横坐标为自变量

yy(1,1)=y(2);

yy(2,1)=sqrt(1 y(2).^2)./(2.*x);

主程序:

tspan=100:-0.1:0.1;%以狼的x坐标为自变量

y0=[0 0];

%下面只知道狼是否追上兔子,但是不易推得兔子刚刚到达窝边时,狼与兔之间的距离

[T,Y] = ode45('odefunlt',tspan,y0);

n=size(Y,1);

disp('狼的坐标(x=0.1)')

disp(Y(n,1))%通过追击曲线计算当狼的横坐标为0.1(即tspan=0.1)时,狼的纵坐标

1.1.6 模型结果与分析

运行结果:

狼的坐标(x=0.1)

62.1932

通过上面运行结果可知,狼并没有追上兔子。

以下为关联文档:

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