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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。
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