数学建模习题--第五章.doc

习 题1、对于5.1节传染病的SIR模型证明；若，则先增加，在处达到最大 ，然后减少并趋于零；单调减少至。若，则单调减少并趋于零，单调减少至。2、对于传染病的SIR模型证明(20)(22)式。3、在5.2节经济增长模型中，为了适用于不同的对象可将产量函数折算成现金，仍用表示。考虑到物价上升因素我们记物价上升指数为(设)。则产品的表面价值、实际价值和物价指数之间满足。导出、的相对增长率之间的关系，并作解释。设雇佣工人数目为，每个工人工资为，企业的利润简化为从产品的收入中扣除工人的工资和固定的成本。利用5.2节的（5）式讨论，企业应雇佣多少工人能使利润最大。4、在5.4节的房室模型中证明方程（3）对应的齐次方程通解如（4）、（5）式所示，说明方程的两个特征根和一定是负实根。5、模仿5.4节建立的二室模型建立一室模型（只有中心室），在快速静脉注射、恒速静脉滴注（持续时间为）和口服或肌肉注射3种给药方式下求解血药浓度，并画出浓度曲线图。6、利用上题建立的一室模型，讨论按固定时间间隔每次给予固定剂量的多次重复给药方式。为了维持药品的疗效和保证机体的安全，要求血药浓度控制在（）范围内。设中心室容积为已知。 在快速静脉注射的多次重复给药方式下，写出血药浓度表达式并作图，讨论怎样确定和使血药浓度的变化满足上述要求。 在恒速静脉滴注和口服（或肌肉注射）的多次重复给药方式下，给出血药浓度变化的简图，并在这两种方式选择一种来讨论确定和的问题。7、在5.5节香烟过滤嘴模型中， 设毫克，毫米，毫米，（1/秒），（1/秒），毫米/秒，求和。若有一支不带过滤嘴的香烟，参数同上。比较全部吸完和只吸到处的情况下，进入人体毒物量的区别。8、在5.6节水电站调压塔模型中，设调压塔出口水流速度在稳定值附近有一阶跃变化，即利用方程（8）讨论调压塔水位在稳定值附近的变化过程。9、在5.7节人口的预测和控制模型中，总和生育率和生育模式是两种控制人口增长的手段。试说明我国目前的人口政策，如提倡一对夫妇只生一个孩子，晚婚晚育，及生第2胎的一些规定，怎样通过这两种控制手段加以实施。10、在5.8节连续交通流模型中，考察在内公路段的流量和密度的变化，直接导出交通流方程（5）。11、在5.8节红绿灯模型中，讨论初始密度是拥挤流即时密度函数的变化（类似于图5-23对于稀疏流的分析，画出分阶段的示意图，求出“追上车队”和“堵塞消失”的时刻，分析间断点的变化规律等）。12、证明红绿灯模型中左右间断线和当足够大后以相同速度向前移动。13、讨论绿灯模型。设初始密度（）为画出时的示意图。证明（）时位于处的车辆通过的时刻为。证明内通过的车辆数为。14、将5.10节得到的万有引力定律（18）式与熟知的形式（19）进行比较。查询太阳质量、地球运行轨道（椭圆）的长半轴、引力常数等数据，说明二者是一致的。*15. 对于技术革新的推广，在下列几种情况下分别建立模型。 推广工作通过已经采用新技术的人进行，推广速度与已采用新技术的人数成正比，推广是无限的。 总人数有限，因而推广速度随着尚未采用新技术人数的减少而降低， 在的前提下还要考虑广告等媒介的传播作用。*16. 建立耐用消费品市场销售量的模型。如果知道了过去若干时期销售量的情况，如何确定模型的参数。*17、 根据经验当一种新商品设入市场后，随着人们对它的拥有量的增加，其销售量的下降速度与成正比。广告宣传可给销量添加一个增长速度，它与广告费成正比，但广告只能影响这种商品在市场上尚未饱和的部分（设饱和量为）。建立销量的模型。若广告宣传只进行有限时间，且广告费为常数，问如何变化。*18.人工肾是帮助人体从血液中带走废物的装置。它通过一层薄膜与需要带走废物的血管相通（见图5-26）。人工肾中通以某种液体，其流动方向与血液在血管中的流动方向相反，血液中的废物透过薄膜进入人工肾。设血液和人工肾中液体的流速均为常数，废物进入人工肾的数量与它在这两种液体中的浓度差成正比。人工肾总长。建立单位时间内人工肾带走废物数量的模型。*19. 在鱼塘中投放尾鱼苗，随着时间的增长，尾数将减少而每尾的重量将增加。 设尾数的相对减少率为常数；由于喂养引起的每尾鱼量的增加率与鱼表面积成正比，由于消耗引起的每尾鱼量的减少率与鱼重量成正比。分别建立尾数和每尾鱼重的微分方程，并求解。 用控制网眼的办法不捕小鱼，到时刻才开始捕捞，捕捞能力用尾数的相对减少量表示，记作，即单位时间捕获量是。问如何选择和，使从开始的捕获量最大 。*20. 侦察机搜索潜艇。设时艇在点，飞机在点，海里（见图5-27）。此时艇潜入水中并沿着飞机不知道的某一方向以直线形式逃去，艇速20海里/时，飞机以速度40海里/时按照待定的航线搜索潜艇，当且仅当飞到艇的正上方时才可发现它。 在极坐标系中设时刻飞机在（），艇在（）。证明飞机为了与艇在相遇，航线必是对数螺线，其中是满足的某一点的坐标，例如。即飞机先由点沿直线飞到点，再沿对数螺线飞行。画出航线示意图。说明飞机最多沿螺线飞一周（）总可发现潜艇。证明；为了使整条航线是一条光滑曲线，飞机应先飞到点，再沿螺线飞行。在所有可以发现潜艇的航线中哪一条航线最短，长度若干。光滑航线的长度又若干。*21. 建立铅球掷远模型。不考虑阻力，设铅球初速为，出手高度为，出手角度为（与地面夹角），建立投掷距离与、的关系式，并在、一定的条件下求最佳出手角度。*22. 建立肿瘤生长模型。通过大量医疗实践发现肿瘤细胞的生长有以下现象：i）当肿瘤细胞数目超过时是临床可观察的；ii）在肿瘤生长初期几乎每经过一定时间肿瘤细胞就增加一倍；iii)在肿瘤生长后期由于各种生理条件限制肿瘤细胞数目趋向某个稳定值。 比较Logistic模型与Gompertz模型：，其中是细胞数，是极值，是参数。说明上述两个模型是Usher模型：的特例，解释参数的意义。*23. 建立一个模型说明要用三级火箭发射人造卫星的道理。 设卫星绕地球作匀速圆周运动，证明其速度为，为地球半径，为卫星与地心距离，为地球表面重力加速度。也就是火箭的末速。问要把卫星送上离地面600公里的轨道，火箭末速应为多少。 设火箭飞行中速度为，质量为，初速为零，初始质量，火箭喷出的气体相对于火箭的速度为，忽略重力和阻力对火箭的影响。用动量守恒原理证明。由此你认为要提高火箭的末速应采取什么措施。 火箭质量包括3部分；有效载荷（卫星）；燃料；结构（外壳、燃料仓等）。其中在+中的比例难以小于10%。证明当=0（火箭不带卫星），燃料用完时火箭达到的最大速度为。已知目前的千米/秒，取=10%，求。这个结果说明什么。 假设火箭燃料燃烧的同时，不断丢弃无用的结构部分，即结构质量与燃料质量以和的比例同时减少。用动量守恒原理证明。问燃料用完时火箭末速为多少。与前面的结果有何不同。是个理想化的模型，实际上只能用建造多级火箭的办法一段段地丢弃无用的结构。记为第级火箭质量（燃料和结构），为结构质量（对