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一篇贴近生活的数学建模

02月09日 编辑 39baobao.com

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建模实例2:四条腿长度相等的椅子放在起伏

不平的地面上,四条腿能否一定同时着地?

假设(1)椅子的四条腿一样长,四脚的连线是正

方形;

(2)地面是数学上的光滑曲面,即沿任意方向,

切面能连续移动。

分析与建模建模的关键在于恰当地寻找表示

椅子位置的变量,并把要证明的“着地”这个结论归

结为某个简单的数学关系。假定椅子中心不动,四

条腿的着地点用A、B、C、D表示,将AC、BD连线看

作x轴和y轴,建立如图2所示的坐标系。

当椅子一次放不平稳时,人们总会转动一下椅

子(假定椅子中心不动)。设0为对角线AC转动后

与初始位置x轴的夹角。所谓“着地”就是椅脚与地

面的距离等于零,由于椅子位于不同位置,椅脚与地

面距离不同,因而这个距离为0的函数。设f(O)为

A、c两脚与地面距离之和;g(O)为B、D两脚与地面

距离之和。因地面光滑,显然f(o)、g(o)连续,而椅

子在任何位置总有三只脚可同时“着地”,即对任意

o,f(o)和g(O)总有一个为零,有f(o)-g(O)=o。不

失一般性,设g(O)=0,f(o)>0,于是椅子四条腿能

否同时着地的问题抽象成如下数学问题(郎数学模

型):

已知f(o)、g(0)是。的连续函数,g(0)=0,f(o)

>0,且对任意o,f(o)·g(o)=o。求证存在BD,使得

f(oo):g(oo)=o,O

事实上,令h(o)=f(0)一g(o),则h(o)=f(o)一

g(O)=f(o)>o。将椅子转动詈,对角线互换,由

g(0)=0及f(0)>0,得f(号)=0及g(号)>0,从而

h(詈)<0。而h(0)在[o,罟]上连续,由介值定理,

,

必存在%∈(o,詈),使得h(0o)=0,即f(oo)=g(Oo)。

又因对任意0,f(o)·g(O)=o,所以f(eo)=g(Oo)=0。

由此,问题得到了肯定的回答,即在% 方向上

四条腿能同时着地。

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