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        建模培訓(xùn)習(xí)題

        發(fā)布時(shí)間:2020-09-17 來源: 精準(zhǔn)扶貧 點(diǎn)擊:

         MAT LB AB 程序設(shè)計(jì)語言

         實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告 專業(yè)及班級(jí) 。

         。。

         。

        。撸 高分子 14 — 3

         . .。

         。

         __ 無機(jī) 14 - 1 。

         。。

         。

         ___ _ 材型 14- -4 4

          姓

         名

         . . 。

         __

         楊洋

         _ _。

         。

         。

         ___

         李想

         . ._ _ 。. . __(dá) _ _

         汝偉男

          學(xué)

         號(hào)

         1402030328

         1402020107

          1402040419

         日

         期

         _ _ __(dá) _ ___(dá) _2 2 0 16

         07

         16

          組號(hào)

         4 4 9

          實(shí)驗(yàn)一

          MAT LAB 得基本使用 一、

         實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1、 了解 MATALB程序設(shè)計(jì)語言得基本特點(diǎn),熟悉 MATLAB 軟件得運(yùn)行環(huán)境; 2、 掌握變量、函數(shù)等有關(guān)概念,掌握M文件得創(chuàng)建、保存、打開得方法,初步具備將一般數(shù)學(xué)問題轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)計(jì)算機(jī)模型處理得能力; 3、 掌握二維圖形繪制得方法,并能用這些方法實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果得可視化。

         二、

         MATL AB得基礎(chǔ)知識(shí) 通過本課程得學(xué)習(xí),應(yīng)基本掌握以下得基礎(chǔ)知識(shí):

         1、 MATLAB 簡(jiǎn)介 2、 MATLAB 得啟動(dòng)與退出

         3、 MATLAB 使用界面簡(jiǎn)介 4、 幫助信息得獲取 5、 MATLAB 得數(shù)值計(jì)算功能 6、 程序流程控制 7、 M 文件 8、 函數(shù)文件 9、 MATLAB得可視化 三、

         上機(jī)練習(xí) 1、 熟悉 MATLAB環(huán)境,將第二部分得例子在計(jì)算機(jī)上練習(xí)一遍; 2、 Fibonacci數(shù)組得元素滿足 Fibonacci 規(guī)則:;且,F(xiàn)要求該數(shù)組中第一個(gè)大于 10000得元素。

        。1)

         在命令窗口中完成;

          (2)

         利用 M 文件完成;

        。3)

         自己定義一個(gè)函數(shù)文件,并在命令窗口中調(diào)用該函數(shù)完成。

          3、 在同一個(gè)圖形窗口得兩個(gè)子窗口中分別畫出(紅色、虛線)與 (藍(lán)色、星號(hào))得波形,要求有標(biāo)題,x、y 軸有標(biāo)注。u

          4、 思考回答: (1)

         在語句末加分號(hào)“;”與不加分號(hào)有什么區(qū)別? 第 21 個(gè)數(shù)據(jù),10946

         第 21 個(gè)數(shù)據(jù),10946 這就是求出得該數(shù)組中第一個(gè)大于10000 得元素

          10946

         不加分號(hào)會(huì)直接執(zhí)行直接進(jìn)行運(yùn)算;加分號(hào)代表這就是一個(gè)語句,要繼續(xù)寫程序,才能完成算法 (2)

         矩陣乘(*)與數(shù)組乘(、*)有何不同? A*A 中得乘法與書面上我們?cè)诟叩却鷶?shù)里面學(xué)到得一樣;A、*A 就是對(duì)應(yīng)元素相乘 實(shí)驗(yàn)二

          微 分 方 程 一、

         實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1、學(xué)會(huì)用 Matlab求簡(jiǎn)單微分方程得解析解; 2、學(xué)會(huì)用 Mat(yī)lab 求微分方程得數(shù)值解; 3、掌握二維圖形繪制得方法,并能用這些方法實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果得可視化。

         二、

         實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1、求簡(jiǎn)單微分方程得解析解; 2、求微分方程得數(shù)值解; 3、數(shù)學(xué)建模實(shí)例。

          三、

         上機(jī)練習(xí) 1、 導(dǎo)彈追蹤問題( 示例)

         設(shè)位于坐標(biāo)原點(diǎn)得甲艦向位于 x 軸上點(diǎn) A(1, 0)處得乙艦發(fā)射導(dǎo)彈,導(dǎo)彈頭始終對(duì)準(zhǔn)乙艦、如果乙艦以最大得速度v 0 (就是常數(shù))沿平行于y軸得直線行駛,導(dǎo)彈得速度就是 5v 0 ,求導(dǎo)彈運(yùn)行得曲線方程、又乙艦行駛多遠(yuǎn)時(shí),導(dǎo)彈將它擊中? 解法一(解析法)

         假設(shè)導(dǎo)彈在 t 時(shí)刻得位置為 P(x(t), y(t)),乙艦位于、

          由于導(dǎo)彈頭始終對(duì)準(zhǔn)乙艦,故此時(shí)直線PQ就就是導(dǎo)彈得軌跡曲線弧OP在點(diǎn)P處得切線,

         即有

          即

         又根據(jù)題意,弧 OP得長(zhǎng)度為得 5 倍,

         即

          解法二(數(shù)值解) 令y 1 =y’,y 2 =y 1 ’,將方程(3)化為一階微分方程組。

          建立 m-文件 eq1、m

          function dy=eq1(x,y)

          %自定義函數(shù) 將微分方程表示出來

          dy=zeros(2,1);

          dy(1)=y(2);

         dy(2)=1/5*sqrt(1+y(1)^2)/(1—x);

         、

         。 0 =0,x f =0、9999,建立主程序 ff6、m如下:

         x0=0

        。鴉=0、9999

        。踴,y]=ode15s(’eq1",[x0 xf],[0 0]);

          plot(x,y(:,1),"b、')

          hold on

          y=0:0、01:2;

          plot(1,y,'b*")

         結(jié)論:

          導(dǎo)彈大致在(1 ,0 、2) 處擊中乙艦 解法三(建立參數(shù)方程求數(shù)值解)

         設(shè)時(shí)刻 t 乙艦得坐標(biāo)為(X(t),Y(t)),導(dǎo)彈得坐標(biāo)為(x(t),y(t))、 1.設(shè)導(dǎo)彈速度恒為,則

          由于彈頭始終對(duì)準(zhǔn)乙艦,故導(dǎo)彈得速度平行于乙艦與導(dǎo)彈頭位置得差向量,

         即:

          ,

          消去λ得:

          3。因乙艦以速度 v 0 沿直線 x=1 運(yùn)動(dòng),設(shè) v 0 =1,則 w=5,X=1,Y=t 因此導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)軌跡得參數(shù)方程為:

          4、 解導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)軌跡得參數(shù)方程 建立 m—文件 eq2、m 如下:

          function dy=eq2(t,y)

         dy=zeros(2,1);

         dy(1)=5*(1—y(1))/sqrt((1—y(1))^2+(t—y(2))^2);

         dy(2)=5*(t-y(2))/sqrt((1—y(1))^2+(t-y(2))^2); 取 t 0 =0,t f =2,建立主程序 chase2、m如下:

          [t,y]=ode45("eq2’,[0 2],[0 0]);

          Y=0:0、01:2;

          plot(1,Y,"—’), hold on

          plot(y(:,1),y(:,2),’*’) 5、 結(jié)果見圖 1 導(dǎo)彈大致在(1,0、2)處擊中乙艦,與前面得結(jié)論一致、 在 chase2、m中,按二分法逐步修改 t f ,即分別取 t f =1,0、5,0、25,…,直到t f =0、21 時(shí),得圖 2、 刻 結(jié)論:時(shí)刻 t =0 、21 1 時(shí), 導(dǎo)彈在(1 ,0 、21 1 )處擊中乙艦。

          2、 慢跑者與狗 圖圖 1 圖 2

         一個(gè)慢跑者在平面上沿橢圓以恒定得速率v=1 跑步,設(shè)橢圓方程為:

          x=10+20cost,

          y=20+5sint、

          突然有一只狗攻擊她、 這只狗從原點(diǎn)出發(fā),以恒定速率 w 跑向慢跑者,狗得運(yùn)動(dòng)方向始終指向慢跑者、用 MATLAB分別求出 w=20,w=5 時(shí)狗得運(yùn)動(dòng)軌跡、分析狗追上慢跑者得情況。

          模型建立如下: 設(shè)時(shí)刻 t 慢跑者得坐標(biāo)為(X(t),Y(t)),狗得坐標(biāo)為(x(t),y(t))、 則X=10+20cost,

         Y=20+15sint, 狗從(0,0)出發(fā),與導(dǎo)彈追蹤問題類似,建立狗得運(yùn)動(dòng)軌跡得參數(shù)方程

          3、 地中海鯊魚問題 意大利生物學(xué)家Ancona 曾致力于魚類種群相互制約關(guān)系得研究,她從第一次世界大戰(zhàn)期間,地中海各港口捕獲得幾種魚類捕獲量百分比得資料中,發(fā)現(xiàn)鯊魚等得比例有明顯增加(見下表),而供其捕食得食用魚得百分比卻明顯下降、顯然戰(zhàn)爭(zhēng)使捕魚量下降,食用魚增加,鯊魚等也隨之增加,但為何鯊魚得比例大幅增加呢?

         她無法解釋這個(gè)現(xiàn)象,于就是求助于著名得意大利數(shù)學(xué)家 V、Volterra,希望建立一個(gè)食餌—捕食系統(tǒng)得數(shù)學(xué)模型,定量地回答這個(gè)問題、 1)

        。

         。符號(hào)說明: ——食餌在 t 時(shí)刻得數(shù)量; —-捕食者在 t 時(shí)刻得數(shù)量; ——食餌獨(dú)立生存時(shí)得增長(zhǎng)率;——捕食者獨(dú)自存在時(shí)得死亡率; --捕食者掠取食餌得能力; ——食餌對(duì)捕食者得供養(yǎng)能力、 e—捕獲能力系數(shù) 2) 。基本假設(shè):

        。1)

         食餌由于捕食者得存在使增長(zhǎng)率降低,假設(shè)降低得程度與捕食者數(shù)量成正比;

          (2)捕食者由于食餌為它提供食物得作用使其死亡率降低或使之增長(zhǎng),假定增長(zhǎng)

         得程度與食餌數(shù)量成正比。

         3 ). 模型建立與求解

         模型(一)

         不考慮人工捕獲

         該模型反映了在沒有人工捕獲得自然環(huán)境中食餌與捕食者之間得制約關(guān)系,沒有考慮食餌與捕食者自身得阻滯作用,就是 Volterra 提出得最簡(jiǎn)單得模型、

          針對(duì)一組具體得數(shù)據(jù)用 Matlab 軟件進(jìn)行計(jì)算:

          設(shè)食餌與捕食者得初始數(shù)量分別為,。對(duì)于數(shù)據(jù),得終值經(jīng)試驗(yàn)后確定為 15,即模型為:

          模型(二)

         考慮人工捕獲 2 22 2(10 20cos )(10 20cos ) (20 15sin )(20 15sin )(10 20cos ) (20 15sin )(0) 0,

          (0) 0dx wt xdtt x t ydy wt ydtt x t yx y?? ? ??? ? ? ? ????? ? ??? ? ? ? ???? ??年代 1914 1915 1916 1917 1918 百分比 11.9 21.4 22.1 21.2 36.4 年代 1919 1920 1921 1922 1923 百分比 27.3 16.0 15.9 14.8 19.7

         設(shè)表示捕獲能力得系數(shù)為e,相當(dāng)于食餌得自然增長(zhǎng)率由r1 降為r1-e,捕食者得死亡率由 r2 增為 r2+e

          設(shè)戰(zhàn)前捕獲能力系數(shù) e=0、3, 戰(zhàn)爭(zhēng)中降為 e=0、1, 則戰(zhàn)前與戰(zhàn)爭(zhēng)中得模型分別為:

         模型求解:

         1、分別用 m—文件 shier1、m 與 shier2、m 定義上述兩個(gè)方程; 2、建立主程序shark1、m, 求解兩個(gè)方程,并畫出兩種情況下鯊魚數(shù)在魚類總數(shù)中所占比例 x 2 (t)/[x 1 (t)+x 2 (t)]。

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