数学建模部分课后习题解答中国地质大学能源学院华文静1.在稳定的椅子问题中，如设椅子的四脚连线呈长方形，结论如何？解：模型假设（1）椅子四条腿一样长，椅脚与地面接触处视为一点，四脚的连线呈长方形（2）地面高度是连续变化的，沿任何方向都不会出现间断（没有像台阶那样的情况），即从数学角度来看，地面是连续曲面。这个假设相当于给出了椅子能放稳的必要条件（3）椅子在任何位置至少有三只脚同时着地。为了保证这一点，要求对于椅脚的间距和椅腿的长度而言，地面是相对平坦的。因为在地面上椅脚间距和椅腿长度的尺寸大小相当的范围内，如果出现深沟或凸峰（即使是连续变化的），此时三只脚是无法同时着地的。模型建立在上述假设下，解决问题的关键在于选择合适的变量，把椅子四只脚同时着地表示出来。首先，引入合适的变量来表示椅子位置的挪动。生活经验告诉我们，要把椅子通过挪动放稳，通常有拖动或转动椅子两种办法，也就是数学上所说的平移与旋转变换。然而，平移椅子后问题的条件没有发生本质变化，所以用平移的办法是不能解决问题的。于是可尝试将椅子就地旋转，并试图在旋转过程中找到一种椅子能放稳的情形。注意到椅脚连线呈长方形，长方形是中心对称图形，绕它的对称中心旋转180度后，椅子仍在原地。把长方形绕它的对称中心旋转，这可以表示椅子位置的改变。于是，旋转角度这一变量就表示了椅子的位置。为此，在平面上建立直角坐标系来解决问题。设椅脚连线为长方形ABCD,以对角线AC所在的直线为x轴，对称中心O为原点，建立平面直角坐标系。椅子绕O点沿逆时针方向旋转角度后，长方形ABCD转至A1B1C1D1的位置，这样就可以用旋转角）0（表示出椅子绕点O旋转后的位置。其次，把椅脚是否着地用数学形式表示出来。当椅脚与地面的竖直距离为零时，椅脚就着地了，而当这个距离大于零时，椅脚不着地。由于椅子在不同的位置是的函数，因此，椅脚与地面的竖直距离也是的函数。由于椅子有四只脚，因而椅脚与地面的竖直距离有四个，它们都是的函数，而由假设（3）可知，椅子在任何位置至少有三只脚同时着地，即这四个函数对于任意的，其函数值至少有三个同时为0。因此，只需引入两个距离函数即可。考虑到长方形ABCD是对称中心图形，绕其对称中心O沿逆时针方向旋转180度后，长方形位置不变，但A,C和B,D对换了。因此，记A，B两脚与地面竖直距离之和为)(f，C,D两脚之和为)(g，其中，0，使得)()(00gf成立。模型求解如果0)0()0(gf，那么结论成立。如果)0(与)0(gf不同时为零，不妨设.0)0(,0)0(gf这时，将长方形ABCD绕点O逆时针旋转角度后，点A,B分别于与C，D互换，但长方形ABCD在地面上所处的位置不变，由此可知，f（π）＝g（0），g（π）＝f（0）.而由f（0）＞0，g（0）＝0，得g（π）＞0，f（π）＝0。令h（θ）＝f(θ)－g（θ），由f(θ)和g(θ)的连续性知h(θ)也是连续函数。又0)()()(,0)0()0()0(gfhgfh，根据连续函数介值定理，必存在），，0（0使得)()(即,0)(000gfh；又因为0)()(所以,0)()(0000?gfgf。于是，椅子的四只脚同时着地，放稳了。模型讨论用函数的观点来解决问题，引入合适的函数是关键．本模型的巧妙之处就在于用变量θ表示椅子的位置，用θ的两个函数表示椅子四只脚与地面的竖直距离．运用这个模型，不但可以确信椅子能在不平的地面上放稳，而且可以指导我们如何通过旋转将地面上放不稳的椅子放稳．2.人、狗、鸡、米均要过河，船需要人划，另外至多还能载一物，而当人不在时，狗要吃鸡，鸡要吃米。问人、狗、鸡、米怎样过河？模型假设人带着猫、鸡、米过河，从左岸到右岸，船除了需要人划之外，只能载猫、鸡、米三者之一，人不在场时猫要吃鸡，鸡要吃米。试设计一个安全过河方案，使渡河次数尽量地少。符号说明1X：代表人的状态，人在该左岸或船上取值为1，否则为0;2X：代表猫的状态，猫在该左岸或船上取值为1，否则为0；3X：代表鸡的状态，鸡在该左岸或船上取值为1，否则为0；4X：代表米的状态，米在该左岸或船上取值为1，否则为0:；),,,(4321XXXXSk:状态向量，代表时刻K左岸的状态；),,,(4321XXXXDk:决策向量，代表时刻K船上的状态；模型建立限制条件：22043321...
