2017华师数学建模作业(1)

数学建模作业一、教材76页第1章习题1第7题（来自高中数学课本的数学探究问题，满分10分）表1.17是某地一年中10天的白昼时间（单位：小时），请选择合适的函数模型，并进行数据拟合.表1.17某地一年中10天的白昼时间日期1月1日2月28日3月21日4月27日5月6日白昼时间5.5910.2312.3816.3917.26日期6月21日8月14日9月23日10月25日11月21日白昼时间19.4016.3412.018.486.13解：根据地理常识，某地的白昼时间是以一年为周期而变化的，以日期在一年中序号为自变量x，以白昼时间为因变量y，则根据表1.17的数据可知在一年（一个周期）内，随着x的增加，y大约在6月21日（夏至）达到最大值，在12月21日（冬至）达到最小值，在3月21日（春分）或9月21日（秋分）达到中间值。选择函数2sin()365xyAb作为函数值。根据表1.17的数据，推测A,b和的值，作非线性拟合得26.9022sin()12.385365xy，预测该地12月21日的白昼时间为5.49小时。二、教材100页第2章习题2第1题（满分10分）继续考虑第2.2节“汽车刹车距离”案例，请问“两秒准则”和“一车长度准则”一样吗？“两秒准则”是否足够安全？对于安全车距，你有没有更好的建议？解(1)按照2.2节中的“汽车刹车距离”案例，“两秒准则”和“一车长度准则”在模型分析与模型建立差不多相同，只是K1的取值不同。D～前后车距（m）；v～车速（m/s）；K1～按照“两秒准则”，D与v之间的比例系数（s）.于是“两秒准则”的数学模型为：D=K1*v；(K1=2.0);(1.0)已经知道，刹车距离的数学模型为d=k1v+k22v;;(1.1)比较（1.0）与（1.1）式得d-D=（k1+k2v-K1）v;所以当k1+k2v-K10时，即前后车距大于刹车距离的理论值，可以为是足够安全；k1+k2v-K10时，可以为是不够安全。代入k1=0.75，k2=0.082678，K1=2.0，计算得到当车速超过15.11889m/s时，“两秒准则就不够安全了。(2)下面的程序及图像也是很好的证明。源程序：v=(20:5:80).*0.44704;d2=[18,25,36,47,64,82,105,132,162,196,237,283,33422,31,45,58,80,103,131,165,202,245,295,353,41820,28,40.5,52.5,72,92.5,118,148.5,182,220.5,266,318,376];d2=0.3048.*d2;K1=1.1185;k1=0.75;k2=0.082678;d=d2+d1;plot([0,40],[0,2*40],'--k',[0,40]),holdonplot(0:40,polyval([k2,k1,0],0:40),':k')plot([v;v;v],d,'ok','MarkerSize',2),holdofftitle('比较刹车距离实测数据、理论值、两秒准则')legend('两秒准则','刹车距离理论值',...'刹车距离的最小值、平均值和最大值',2)xlabel('车速v（m/s）'),ylabel('距离（m）')(3)根据汽车的最高速度一般不超过120km/h(约33.3m/s)，k2=0.082678,k1=0.75,33.3*k2+k1=2.753177s+0.75s=3.5s,所以我认为可以采取“3.5秒准则。这在理论上和实际上都是比较安全的。三、教材100页第2章习题2第3题（满分10分）继续考虑第2.3节“生猪出售时机”案例，做灵敏度分析，分别考虑农场每天投入的资金对最佳出售时机和多赚的纯利润的影响.解：（1）考虑每天投入的资金c发生的相对为cc，则生猪饲养的天数t发生的相对变化tt是cc的多少倍，即定义t对c的灵敏度为S（t,c）=△t/t△c/c因为△c→0，所以重新定义t对c的灵敏度为S（t,c）=△t/t△c/c=dtdc×ct①由课本上可知t=rp(0)-gω(0)-c2gr②所以t=rp(0)-gω(0)2gr-c2gr,所以t是c的减函数为了使t﹥0，c应满足rp(0)-gω(0)-c0结合①②可得S（t,c）=—crp(0)-gω(0)-c=－3.212-0.08×90－3.2=－2这个结果表示的意思是如果农场每天投入的资金c增加1%，出售时间就应该提前2%。（2）同理（1）总收益Q对每天投入资金c的灵敏度为S（Q,c）=dQdc×cQ③Qmax=[rp(0)－gω(0)－c]²4gr④结合③④得Qmax=－2crp(0)－gω(0)－c=－2×3.212－0.08×90－3.2=－4这结果表示的意思是如果每天投入的资金c增加1%，那么最大利润就会减少4%四、教材143页第3章习题3第2题（满分10分）某种山猫在较好、中等及较差的自然环境下，年平均增长率分别为1.68%、0.55%和-4.5%.假设开始时有100只山猫，按以下情况分别讨论山猫数量逐年变化的过程及趋势：(1)三种自然环境下25年的变化过程，结果要列表并图示；(2)如果每年捕获3只，山猫数量将如何变化？会灭绝吗？如果每年只捕获1只呢？(3)在较差的自然环境下，如果要使山猫数量稳定在60只左右，每年要人工繁殖多少只？解：①解记第k年山猫xk,设自然坏境下的年平均增长率为r，则列式得xk+1=(1+r)xk,k=0,1,2…其解为等比数列xk=x0(1+r)k,k=0,1,2…当分别取r=0.0168,0.0055和-0.0450时，山猫的数量在25年内不同的环境下的数量演变为年较好中等较差01001001001102101962103101913105102874107102835109103796111103767112104728114104699116105661011810663111201066012122107581312410755141261085215128109501613110948171331104618135110441913711142201401124021142112382214411336231471133524149114332515211532（1）在较好的自然环境下即r=0.0168时，xk单调增趋于无穷大，山猫的数量将无限增长；（2）在中等的自然环境下即r=0.0055时，xk单调增并且趋于稳定值；（3）在较差的环境中即r=-0.0450时，xk单调衰减趋于0，山猫将濒临灭绝。②若每年捕获3只,b=－从上可以得出结论：3，则列式为Xk+1=(1+r)xk－b则山猫在25年内的演变为年较好中等较差01001001001999893297958539693784959072593886669285607908354889804998777431086753911847234128370291381672514796421157862171676591317745610187354619715132069480216746-3226543-6236340-9246137-11255935-14由图上可知，无论在什么环境下，如果每年捕获山猫3只，单调减趋于0，那么最终山猫的数量都会灭绝，在较差的环境中第20年就会灭绝。同理，如果每年人工捕获山猫1只，那么山猫在不同环境中的演变为年较好中等较差01001001001101100952101998931029984410398795104987561049770710597668106966291079659101079555111089551121099448131109445141119342151119339161129236171139234181149231191159129201169126211179024221189022231198920241208818251218816如果每年人工捕获山猫一只，在较好的环境下山猫的数量仍然会一直增加，在中等的环境下，山猫的数量趋于稳定，但会慢慢减少，在较差的环境下，山猫的数量一直在减少，很快就会灭绝。③若要使山猫的数量稳定在60只左右，设每年需要人工繁殖b只，到第k年山猫的数量为xk=(1+r)xk-1+b,k=0,1,2…这时xk=xk-1=60，r=-4.5%，代入上式得b≈3五、教材143页第3章习题3第4题（满分10分）某成功人士向学院捐献20万元设立优秀本科生奖学金，学院领导打算将这笔捐款以整存整取一年定期的形式存入银行，第二年一到期就支取，取出一部分作为当年的奖学金，剩下的继续以整存整取一年定期的形式存入银行……请你研究这个问题，并向学院领导写一份报告.报告：摘要：本文主要研究的是基金的最佳使用方案，通过最佳的基金使用计划来提高每年发给学生的奖金。首先，计算在只有银行存款的条件下，按照收益最大化原则，把基金存入银行使每年发放的奖金数目尽可能多，由于银行存款的期限最长为五年，所以把奖金发放制定成为期五年的发放计划，第六年即可划入下一个五年周期的奖金发放计划中。在满足基金使用要求的情况下，每年存入银行的各种存款的数目可以根据约束条件计算，然后分析银行存款和投资并存情况下各种资金的分配情况。存款与投资同时存在的情况。在不考虑风险的情况下，将投资看作是特殊的存款，其利率用平均收益率近似代替，按照第一步的方法计算此时奖学金发放所产生的资金分配，通过灵敏度分析得出：奖学金发放对投资的灵敏度较高。根据投资越分散风险越低，可知应将基金分散用于投资和存款，不应将基金大量用投资。在考虑风险的情况下，应保证基金收益能够满足奖学金的发放要求，期末基金余额应大体与基金初始金额相等。鉴于学校奖学金基金承担风险能力小，应采取谨慎的投资态度，因此应将学校奖学基金分为两部分：一部分用于保证奖学金的发放；一部分用于投资。20万可分为两部分，分别作为存款和投资资本。一方面银行存款以20万递减的趋势进行分析得出存款奖学金发放曲线，另一方面投资0万元开始以递增趋势进行分析得出投资奖学金发放曲线，两者的步长值相等且均为0.1万元，然后将存款奖学金曲线和投资奖学金曲线在同一图中合并为一条曲线，即得出总的奖学金发放曲线，存款奖学金曲线和投资奖学金曲线的交点即为奖学金均衡点，此时，存款与投资的比例较为合适，接着分析投资风险，通过分析得出奖学金发放最优的基金使用方式。关键词：动态优化资金合理分配投资收益率一、问题分析在只有存款的条件下，可利用迭代法进行计算，用上一年到期存款发放奖学金，发放奖学金后的余额作为剩余资金重新进行下期存款，得出每年应发放的奖学金最大数目及存入下期存款的种类。对于存款与投资同时存在的情况下，由于投资有收益率为负的情况，次种投资可看作为不存在的投资期限作简化处理，应为投资收益率为动态数据，因此无法进行精确计算，只能进行近似计算，在这种情况下将投资的平均收益率作为投资收益，这样不仅可以降低风险系数，简化计算。经过以上简化，在银行存款和投资并存的情况下，可以将投资看作是特殊的存款，这样可以利用与第一种情况相同的方法进行计算，这样计算出的基金使用方式比较合理，风险比较低，可以保证奖学金的发放。基于以上的条件将银行存款和投资并存的情况更详细的分析，把基金分为两部分，一部分用于投资，一部分用于存款，观察存款变化时，奖学金变化的情况。以次得到更稳健的资金利用方法。二、模型建立为了尽可能的资金被充分利用，模型中总是把扣除奖学金后所余的现有资金全部用来存款或投资。由于银行存款和投资最大期限不大于五年，而本问题面对的是一个六年的基金投资计划，所以针对目标情况，做五年期的投资存款计划，模型中对相应的参数做了相应的处理。第一种情况下只有银行存款，可以简单的将各种条件转化为约束条件，求出最优解，并将最优解作为只有存款条件下基金使用方案，在此把它看作是模型一。在二种情况下，投资作为一种选择出现使问题复杂化，