数学建模——投篮命中率的数学模型

1 投篮命中率的数学模型 摘要 随着篮球运动的普及 篮球比赛中紧张 激烈的气氛和更加具有攻击性的防 守等因素导致投篮命中率大大降低 根据研究显示 影响投篮命中率有两个关键 因素 出手角度和出手速度 本文主要运用运动力学的知识 建立有效的篮球投 射模型 从篮球投射时球的出手角度 出手速度 出手高度和篮球球心与篮框中 心的水平距离 篮球入射角之间的关系入手 分析各种因素对投篮命中率的影响 并作适当的假设 在合理估计出手点与篮框中心距离并保持出手速度稳定的情况 下 确定投篮的最佳出手角度和最佳出手速度 得出一个既能使投篮时不过多耗 费体力又能提高投篮命中率的结论 首先 本文将三角函数 导数 微分等数学知识及运动学 力学等物理知识 相互结合 在罚球投篮这一具体问题的相应具体情境下对此进行了深入分析 其 次 本文建立了与之相关的数学模型 通过不同投篮情况的图表分析归纳出对应 的公式 在多重公式的累加条件下最后整理得到满足要求的最终条件范围 得出 模型的结果 在求解过程中 本文使用了 MathType 数学软件对所用的数学符号 作了系统的整理 借此列出了各组公式 同时给出了详细的计算及分析过程 并 得出最终结果 本文在第一问中所设定的不考虑球出手后自身的旋转及球碰篮板或篮框的情 况 即在只针对空心球的情况下又限制变量 分别讨论篮框大小 篮球大小 空 气阻力及出手角度和速度的最大偏差这四个不同变量下命中率受到的的影响 给 出公式 计算出结果 最终 本文探讨出提高罚球命中率的方法是控制投篮时的 出手角度和出手速度 使之分别限制在一定的范围内 出手角度和速度的过高或 过低都会使罚球命中率不能保持在较高水平 在第二问中本文针对篮球擦板后进篮的情况 假定篮球在碰撞过程中没有能 量损耗的理想情况 讨论出了分别在限制区边线距篮框中心 30 度 45 度 90 度 罚球线 位置上这三种不同情境下出手角度 出手速度与投篮的命中率之间的 关系 当运动员所站的位置改变时 即投篮出手点到篮框的距离改变时 出手角 度和出手速度的增加或减少都影响了投篮的命中率 关键词 命中率 出手角度 出手速度 投篮出手点 篮框中心 MathType 数学软件 2 一 问题重述 在激烈的篮球比赛中 提高投篮命中率对于获胜无疑起着决定性作用 而出 手角度和出手速度是决定投篮能否命中的两个关键因素 第一问 在各种投篮方式中 罚球投篮是最简单也是很重要的投篮方式 这 一问只考虑罚球投篮这一简化模型 根据题目已给出的假设条件 假设罚球投篮 不考虑球出手后球自身的旋转及球碰篮板或篮框的情况 即只考虑空心球 在此 情况下 站在罚球线上怎样罚球才能使命中率高 第二问 考虑篮球擦板后进篮的情况 即篮球与篮板弹性碰撞的情况下 讨 论在限制区边线上分别距篮框中心 30 度 45 度 90 度这三种不同 罚球线 位 置上出手角度 出手速度与投篮的命中率之间的关系 二 问题分析 篮球是一项技术综合性较强的运动项目 需要队员们的共同努力与协作 但 是 个人的投篮得分也十分重要 就罚球投篮而言 这是最简单但也很重要的投 篮方式 投篮的关键是向上举球和起跳动作协调一致 同时保持篮球在空中最高 点被迅速稳定地投出 投球的过程可以认为是一个抛物的过程 球飞行的弧线 可看作是一条抛物线 据科学和实践证明 球的出手角度影响着球的飞行路线 球的飞行路线一般有低弧线 中弧线和高弧线三种 一般以中弧线为最佳 过去的种种实验表明 若投篮的抛物线过高 那么球飞行的时间会过长 路 程也大 受空气的阻力和风力的影响就大 这样不宜控制球的飞行方向 从而影 响到投篮的命中率 若篮球飞行的抛物线太低 那么球的入射角较小 在这种 情况下也难将篮球投中 为了在比赛中更好地取胜 就必须有效地提高投篮命中率 而影响投篮命中 率的两个最为关键的因素就是投球时的出手角度和出手速度 因此 考虑合适的 出手角度和出手速度是解决问题的最大关键 在这里 本文根据题目要求依次 研究如下问题 第一问 在不考虑球出手后球自身的旋转及球碰篮板或篮框的情况 根据以下分 类具体研究如何提高罚球命中率 1 只考虑篮框的大小 忽略空气阻力的影响 2 考虑篮球和篮框的大小 同样忽略空气阻力的影响 3 考虑出手角度和出手速度的最大偏差 4 考虑有空气阻力影响的情况 3 第二问 考虑篮球擦板后进篮的情况 此时忽略碰撞时的能量损耗 分别讨论以下 三种情况时出手角度 出手速度与投篮的命中率之间的关系 1 在限制区边线上距篮框中心 30 度位置 2 在限制区边线上距篮框中心 45 度位置 3 在限制区边线上距篮框中心 90 度位置 三 模型假设 假设一 运动员有良好的心理素质 防守队员的防守不影响投篮的命中率 假设二 运动员掌握熟练的投篮技术 并能根据实际需要控制球的出手角度与相 应出手速度 准确判断出手点与篮框中心的水平距离 假设三 投球的运动曲线和篮圈中心在同一平面内 假设四 在考虑篮球擦板进篮时 篮球与球板的碰撞是完全弹性碰撞 没有能 量损失 假设五 出手后 篮球在空中的旋转不影响投篮效果 假设六 在第一问中不考虑球碰篮板或篮框的情况 假设七 在第二问中忽略空气阻力的影响 四 符号说明 s0 投篮出手点到篮框中心水平距离 单位为米 m 这里 s0 4 600m H0 篮框的高度 单位为米 m 这里 H0 3 050m R 篮框半径 单位为米 m 这里 R 0 225m D 篮框直径 单位为米 m 这里 D 0 450m d 篮球直径 单位为米 m h0 篮球运动员出手的高度 单位为米 m v 投篮出手速度 单位为米 秒 m s g 重力加速度 单位为米 秒 2 这里取 g 9 8m s2 投篮出手角度 单位为度 篮球入框时的入射角 单位为度 x 球入篮框时球心可以偏离 前后 的最大距离 单位为米 m A 入篮篮球空中运行轨迹位于图中两曲线之间区域 单位为平方米 L 限制区底边边长的一半 单位为米 m 这里 L 3 000m 4 五 模型建立与求解 对问题一的模型求解 1 只考虑篮框的大小 忽略空气阻力的影响 如图 设 P1P2为篮框横截面 篮框高为 H0 半径为 R 投篮出手点到篮框中心水平距离为 s0 出手高度为 h0 投篮出手角度为 速度为 v 入篮篮球空中运行轨迹位于图中两曲线之间 区域 其面积为 A 建立相应的数学模型及求解 显然 投球入篮与否与距离 s0 出手角度 出手速度 v 篮框高 半径等 因素有关 为了综合考虑这些因素 我们用入篮篮球的空中运行区域的大小来刻 画投篮的命中程度 于是 该问题转化为求一个角度 0 h0 s0 能使运行区域面积 A 最大 即 00 0 max h s AA V P1 P2 O h0 H0 S0 第一步 由运动学知弧 的方程为斜上抛运动轨迹方程 方程式为 A 1 OP A 2 OP 2 22 tan 2cos g yxx v 由于过点 则有 A 1 OP 1000 P sR Hh 000 222 0 tan 2cos sRHhg vsR 则的方程为 A 1 OP 2 000 2 0 tan tan sRHh yxx sR 图 1 5 同理 得方程为 A 2 OP 2 000 2 0 tan tan sRHh yxx sR 另外 直线 P1P2的方程为 00 yHh 第二步 求运动区域面积 A 运用定积分求面积 得 0 22 000000 22 0 00 tan tan tan tan sR sRHhsRHh Axxxxdx sRsR 0 0 2 000 00 2 0 tan tan sR sR sRHh xxHhdx sR 000 24 tan 33 s RR Hh 第三步 求 A 得极值点 由 A 的表达式可以看出 当 tan 越大 即 越大 33 1 此外 通过简单的计算 可以得出球心前后偏离框心的最大 距离 x 满足 sin22 dD x 由已知篮框直径 D 0 450 米 得 A D B O 图 2 8 3 考虑出手角度和出手速度的最大偏差 记出手角度和出手速度的允许的最大偏差的为 和 v 因为出手角度和出 手速度的最大偏差可以看作当罚球点到篮框的水平方向距离 L 变为 L x 引起的 偏差 此时篮框的高度是不发生变化的 于是式 2 可以用方程 代替 在式 中假设出手速度 v 不变 可以看作是 x 的函数 将式 对 x 求微分 并令 x L 代入 有 用 和 x 代替 d 和 dx 得到出手角度允许的最大偏差 与 x 的关系 类似地 将式 中的出手速度 v 只看成是 x 的函数 将式 对 x 求微 分 并令 x L 代入 有得到出手速度的允许的最大偏差 v 与 x 的关系 A B x D 图 3 9 4 考虑有空气阻力影响的情况 这里只考虑水平方向的阻力 不考虑垂直方向的阻力 因为投篮时对球运动 的阻力主要体现在水平方向上 通常水平方向的阻力与速度成正比 如果设比例 系数为 k 则篮球在水平方向上的运动可以由如下微分方程描述 cos 0 0 0 0 2 2 v dt dx x dt dx k dt xd t 这是常系数线性微分方程 用高等数学中的特征方程法可以求出它的解 cos 1 v k e tx kt 于是得到如下球的运动参数方程 2 sin cos 1 2 gt tvty v k e tx kt 注意到通常罚球时阻力并不大 阻力系数一般不超过 0 05 秒 1 而罚球后球的 运动时间也很短 大约 1 秒左右 因此 我们可以把运动方程 16 中的 e kt 在 t 0 处做泰勒展开并略去 t 的二次幂以上的项 就可以得到更为简洁的运动方 程 2 sin 2 cos cos 2 2 gt tvty tkv tvtx 将此式与式 1 相比 可以看到阻力对 x t 的影响因子为 1 kt 2 因为 k 0 05 t 1 因此有阻力对命中率的影响约为 0 05 2 3 此外 如果不考虑篮 球和篮框的大小 就有球心命中框心的条件为 0 2 sin 0 2 cos cos 2 2 hH gt tv L tkv tv 10 5 计算结果与分析 5 1 以出手点高 2 9m为例 篮球运动员投空心篮时 利用公式 26 可以求 0 h 得在不同的落球点的相应出手角度范围如下 投空心篮时落球点与出手角度的情况统计表 x8 256 255 254 2532 45 50 45 54 45 67 45 71 45 80 45 85 45 97 46 60 46 34 46 50 46 34 47 40 5 2 以出手点高为 2 5m 运动员投空心篮时 可以利用公式 26 在不同的 0 h 落球点的相应出手角度范围如下 投空心篮时落球点与出手角度的情况统计表 x8 256 255 254 25 32 46 85 46 95 47 44 47 50 47 88 48 10 48 52 48 87 48 88 50 56 52 01 53 50 因此 从表中可以看出 当投篮的出手点高 2 5m 在罚线线投球的最佳 0 h 出手角度是 这与现实中的投篮结果差异很小 49 对问题二的求解 11 1 针对在限制区边线上距篮框中心 90 度 罚球线 位置上的投篮 现在假设与篮球板背面的那边也有一个 篮框 这时根据假设 补出篮板 背面的部分 篮球运动的曲线也构成一条抛物线 这种情况考虑为这条抛物线也 通过篮板后面的那个篮框 但这时球员要正确估计球出手点到虚拟篮框圈心的水 平距离 这时投篮的情况转化为投空心篮的情况给予考虑 原变为 0 s 0 750 计算机程序如附录 如图 4 0 s 2 针对在限制区边线上距篮框中心 30 度 罚球线 位置上的投篮 同样假设与篮球板背面的那边也有一个 篮框 这时根据假设 补出篮板 背面的部分 篮球运动的曲线也构成一条抛物线 这种情况考虑为这条抛物线也 通过篮板后面的那个篮框 但这时球员要正确估计球出手点到虚拟篮框圈心的 距离 这时投篮的情况转化为投空心篮的情况给予考虑 原变为 0 s 1 S y ox 图 4 图 5 12 如图所示 A 为篮框中心正下面 B C D 为限制区边线 E 为人所站的在限制区 边线上距篮框中心 30 度的位置 先求出 AE 的长度 再进而算出 1 S 在如图所示中 有 Rt CHE Rt CGB CHEH CGBG 又 BG L R CG 0 S 设 AE S 则 EH SCOS R 0 30 求得 0 0 S S cos30R CH L R 又 CH AF 即 0 S 0 0 S S cos30R L R 0 S sin30 0 S 解得 00 00 0 S RS LR S S cos30 LR sin30 又在图中 由余弦定理得 222 0 1 S0 75S cos120 0 15S 即 2220 1 SS0 750 15S cos120 从而可解得 202 0000 1 0000 00 S RS LR S RS LR S 1 5 cos1200 75 S cos30 LR sin30S cos30 LR sin30 3 针对在限制区边线上距篮框中心 45 度 罚球线 位置上的投篮 同样假设与篮球板背面的那边也有一个 篮框 这时根据假设 补出篮板 背面的部分 篮球运动的曲线也构成一条抛物线 这种情况考虑为这条抛物线也 通过篮板后面的那个篮框 但这时球员要正确估计球出手点到虚拟篮框圈心的 H G F E CD AB E A M 13 距离 这时投篮的情况转化为投空心篮的情况给予考虑 原变为 0 s 2 S 如图所示 A 为篮框中心正下面 B C D 为限制区边线 N 为人所站的在限制区 边线上距篮框中心 45 度的位置 先求出 AN 的长度 再进而算出 2 S 在如图所示中 有 Rt CHN Rt CGB NCHH CGBG 又 BG L R CG 0 S 设 AN k 则 NH kCOS R 0 45 求得 0 0 S k cos45R CH L R 又 CH AF 即 0 S 0 0 S k cos45R L R 0 k sin45 0 S 解得 00 00 0 S RS LR k S cos45 LR sin45 又在图中 由余弦定理得 B G HN CD F A N A M 图 6 14 222 0 2 k0 75S cos135 0 15S 即 2220 2 Sk0 750 15k cos135 从而可解得 202 0000 2 0000 00 S RS LR S RS LR S 1 5 cos1350 75 S cos45 LR sin45S cos30 LR sin45 4 结果分析 当出手高度为 2 5m 投碰板篮 运动员投碰板篮时 可以利用公式 26 在不 0 h 同的落球点的相应出手角度范围如下 投碰板篮时落球点与出手角度范围的情况统计表 x8 256 255 254 25 32 46 50 46 75 47 25 47 55 47 62 47 80 48 14 48 35 48 91 50 40 50 20 50 51 六 模型评价与推广 本文所用的模型是建立在罚球投篮的基础上 通过对具体投篮问题中具体情 况的详细分析 给出了满足不同情况下有效提高投篮命中率对出手角度和出手速 度的要求 本模型用数学语言即数字 图表以及公式符号等来表达出罚球投篮这 一实际问题 更科学具体地分析了投球过程中影响命中率的两个条件对命中率的 具体影响所在 此外 模型通过具体的公式计算得出适合投篮的最佳出手角度和 速度范围 使这三者之间的相互关系有了数据的支持和保障 同时 本模型最终 结论和结果给了篮球运动员们合理训练的科学依据 也方便研究人员在此基础上 展开对投篮运动的深入研究 此次建立的数学模型还可用于制定有针对性的训练计划 包括专门针对不同 身高的篮球运动员的投篮训练计划以及运动员不同距离下的投篮训练 在现实篮 球运动中 还有很多情况可以通过建立数学模型进行有效分析 数学模型也表现 出越来越广泛的作用 用数学方法研究体育运动 说明数学在体育训练中也在发 15 挥着越来越明显的作用 所用到的数学知识也越来越深入 七 参考文献 郭鼎文 投篮的技巧 M 北京 北京体育大学出版社 2003 年 投篮命中率 杨远波 第六届中国大学生篮球联赛男子 强攻防能力研究 J 成都体育学 院学报 1 72 74 2006 年 何惠民 对 CUBA 男篮得分能力的研究与分析 J 杭州师范学院学报 10 16 18 2003 年 张新仪 寇振声 篮球运动理论与方法 M 山东 石油大学出版社 2001 年 程守洙 江之永 普通物理学 M 北京 高等教育出版社 2001 年 翁荔 CUBA若干技术指标与队员比赛能力的分析和探究 J 上海体育学院学 报 1 37 38 2003年 16 八 附录 为了得到关于最小出手速度和出手角度的计算结果 取在出手高度 h 1 8 2 1 m 下 由式 8 和 9 编程计算出最小出手速度和相应的最小出手角度 程序为 H 3 05 l 4 60 Do v 9 8 H h Sqrt l 2 H h 2 a0 ArcTan v 9 8 l 180 Pi N v Sqrt v Print h h vmin v a0 a0 h 1 8 2 1 0 1 执行的计算结果为 h 1 8 vmin 7 67885 a0 52 6012 h 1 9 vmin 7 59851 a0 52 0181 h 2 vmin 7 51861 a0 51 429 h 2 1 vmin 7 43917 a0 50 8344 这里出手角度 a0 的单位为度 出手高度 h 的单位为米 速度单位为米 秒 这个计算结果说明最少出手速度和相应的最小出手角度都是随着出手高度 的增加而有所减少 而出手速度一般不要小于 8m s 为了得到出手速度和出手高度对出手角度的计算结果 取出手速度 v 8 0 9 0 m s 和出手高度 h 1 8 2 1 m 下 由式 5 和 10 编程计算出手 角度 1 和 2 及对应的入射角度 1 和 2 程序为 H 3 05 l 4 60 Do v2 v 2 at Sqrt 1 2 9 8 H h 9 8 l 2 2v2 v2 17 a1 v2 1 at 9 8 l a2 v2 1 at 9 8 l b1 a1 2 H h l b2 a2 2 H h l a1 ArcTan a1 180 Pi N a2 ArcTan a2 180 Pi N b1 ArcTan b1 180 Pi N b2 ArcTan b2 180 Pi N Print v v h h Print a1 a1 a2 a2 b1 b1 b2 b2 v 8 0 9 0 0 5 h 1 8 2 1 0 1 执行的计算结果为 v 8 h 1 8 a1 62 4099 a2 42 7925