内容正文:
湘教版数学必修第二册
第6章 数学建模
从洗衣服到包装彩绳的数学智慧
首页外框字体为:方正呐喊体
另外使用:方正静蕾简体
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走进异彩纷呈的数学建模世界
数学建模四步法
🧩 模型准备
🔍 模型假设
🧮 模型构建
🔬 模型验证
"背景分析" "目标明确" "信息收集"
请举例:生活中需要建模的问题
根据对象的特征和建模目的,对问题进行必要的、合理的简化,用明确的语言作出
假设,是建模至关重要的一步
根据所作的假设分析对象的因果关系,利用对象的内在规律和适当的数学工具,构造各个量间的等量关系或数学结构.
一道实际问题的解决往往需要复杂的计算,许多时候需要用计算机技术将运行情况模拟出来.
数学建模解决实际问题实例1
1. 问题
衣服脏了要洗,我们要节约用水,这就提出了一个数学问题,用一定量的水如何把
衣服洗得尽量干净?为了把问题说清楚,我们把实际问题数学化.
现在衣服已经搓揉的很充分了,需要漂洗,因为不可能把水完全拧干,故假设每次
拧干后,衣服上还残留1公斤含有污物的水,那么用20公斤清水来漂洗,怎样才能
漂洗的更干净?
数学建模解决实际问题实例1
2. 建模与解模
如果一下子把衣服放到20公斤清水里,那么连同那1公斤含有污物的水,一共21公
斤水,污物均匀分布在这21公斤水里,拧干后,衣服上还有1公斤水,所以污物残
留量是原来的 .
通常你不会这么办,你会把20公斤水分两次用,比如第一次用5公斤,使污物减少到 ,再用剩下来的15公斤,污物减少到 的 ,即 ,分两次洗得效果好多了.
方案一:分两次漂洗(5kg+15kg)→ 残留率:
对比结论 → 分次漂洗效果显著提升
一次性漂洗 → 污物残留率:
数学建模解决实际问题实例1
也可以每次用10公斤,每次都使污物减少到原来的 ,两次可以达到减少到原来的( )2= 的效果.
要是不怕麻烦,每次用5公斤水,分四次洗呢?每次都使污物减少到上一次的 ,四
次后,污物减少到原来的( )4= ,效果更好.
方案二:(两次10kg)→ ( )2=
方案三(四次5kg)→ ( )4=
趋势总结 → 分次越多,残留越少
数学建模解决实际问题实例1
第2次漂洗后,衣服上残留污物 m 2= ,
…
第 n 次漂洗后,衣服上残留物 mn = ,
第1次漂洗后,衣服上残留污物 m 1= ,
数学建模解决实际问题实例1
现在的问题是
是不是把水分的越均匀,洗得越干净?
对于固定的次数 n ,如何选取 a 1, a 2,…, an ,
才能使 mn = 最小呢?
数学建模解决实际问题实例1
注意到(1+ )+(1+ )+…+(1+ )= n + (定值),不难知道,
当1+ =1+ =…=1+ ,即 a 1= a 2=…= an 时,
(1+ )(1+ )…(1+ )取到最大值,此时 mn 取到最小值 ,这就告诉我们每次用水量相等时,洗得最干净.
数学建模解决实际问题实例2
案例2 包装彩绳
春节期间,佳怡去探望奶奶,她到商店买了一盒点心,为了美观起见,售货
员对点心盒做了一个捆扎(如图①),并在角上配了一个花结.售货员说,这样的捆
扎不仅漂亮,而且比一般的十字捆扎方式(如图②)包装更节省彩绳.你同意这种说
法吗?请给出你的理由.(注:长方体点心盒的高小于长、宽)
数学建模解决实际问题实例2
1. 问题数学化难点
数学建模常需将实际问题抽象化
几何直观论证是常见难点
2. 水平一要求
结合具体长方体盒子操作
通过测量比较得出结论
能归纳一般性猜想
无需严格证明
数学建模解决实际问题实例2
1. 水平二要求
能力表现:
用字母表示绳长(x, y, z)
展开长方体盒子 → 平面折线比较
"扎紧"转化为两点直线距离
结论 → 达到数学建模水平二
2. 绳长公式推导
假设条件:
忽略花结差异(或认为相同)
公式:
长方体尺寸:x(长)、y(宽)、z(高)
绳长公式:l = 2x + 2y + 4z
依据:
各面绳长与棱垂直 → 直接相加
数学建模解决实际问题实例2
m =| A ' A ″|<| A ' B |+| A ″ B |
=2 y +2 z +2 x +2 z
=2 x +2 y +4 z ,
即 l > m ,
因此,图①所示的捆扎方式节省材料.
如果学生能够完成以上工作,可以认为达到数学建模水平二的要求.如果思路清晰、
表达准确,还可以适当加分.
依据图①的捆扎方式,可以想象将长方体盒子展开在一个平面上,则彩绳的平面展开
图是一条由 A 到 A 的折线;在“扎紧”的情况下,彩绳的平面展开图是一条由 A 到 A
的线段,记为 A ' A ″(如图),这时用绳最短,绳长记作 m ,则在△ A ' BA ″中,由三
角形中两边之和大于第三边,得
总结
1. 简化复杂问题
生活问题 → 数学建模 = 难
策略:抓住关键,适度简化
2. 从简单到一般
先解简单情形 → 再推广
优势:启发思考,判断更客观
3. 数学与直觉结合
数学:污物永存
直觉:感觉干净
平衡:数学指导实践,但不钻牛角尖
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