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淋雨量模型
一摘要：本文主要研究人在雨中行走的淋雨量问题。在给定的降雨条 件下，分别建立相应的数学模型，分析人体在雨中奔跑时淋雨多少与奔跑速度、降雨方向等因素的关系。得出结论：若雨迎面落下，则以最大的速度跑完全程淋雨量最少；若雨从背后落下，则以降雨速度的水平分量时奔跑时淋雨量最少。
关键词：淋雨量雨速大小 雨速方向 跑步速度 路程远近
二、问题概述
要在雨中从一处沿直线跑到另一处，若雨速为常数且方向不变，试建立数学模型讨论是否跑得越快，淋雨量越少。
将人体简化成一个长方体，高a=1.5m（颈部以下），宽b=0.5m，厚c=0.2m，设跑步的距离d=1000m，跑步的最大速度vm=5m/s，雨速u=4m/s，降雨量ω=2cm/h，及跑步速度为v，按以下步骤进行讨论[17]：
（1）、不考虑雨的方向，设降雨淋遍全身，以最大速度跑步，估计跑完全程的总淋雨量;
（2）、雨从迎面吹来，雨线与跑步方向在同一平面内，且与人体的夹角为θ，如图1.建立总淋雨量与速度v及参数a，b，c，d，u，ω，θ之间的关系，问速度v多大，总淋雨里最少。计算θ=0，θ=30°的总淋雨量.
（3）、雨从背面吹来，雨线方向跑步方向在同一平面内，且与人体的夹角为α，如图2.建立总淋雨量与速度v及参数a，b，c，d，u，ω，α之间的关系，问速度v多大，总淋雨量最小。计算α=30°的总淋雨量.（说明：题目中所涉及的图形为网上提供）
（4）、以总淋雨量为7a686964616fe58685e5aeb9339纵轴，速度v为横轴，对（3）作图（考虑α的影响），并解释结果的实际意义.
（5）、若雨线方向跑步方向不在同一平面内，模型会有什么变化？
三、问题分析
淋雨量是指人在雨中行走时全身所接收到得雨的体积，可表示为单位时间单位面积上淋雨的多少与接收雨的面积和淋雨时间的乘积。
可得：
淋雨量（V）=降雨量（ω）×人体淋雨面积（S）×淋浴时间（t） ①
时间（t）=跑步距离（d）÷人跑步速度（v） ②
由①② 得： 淋雨量（V）=ω×S×d/v
四 模型假设
（1）、将人体简化成一个长方体，高a=1.5m（颈部以下），宽b=0.5m，厚c=0.2m.设跑步距离d=1000m，跑步最大速度vm=5m/s，雨速u=4m/s，降雨量ω=2cm/h，记跑步速度为v；
（2）、假设降雨量到一定时间时，应为定值；
（3）、此人在雨中跑步应为直线跑步；
（4）、问题中涉及的降雨量应指天空降落到地面的雨，而不是人工，或者流失的水量，因为它可以直观的表示降雨量的多少；
五、 符号
淋雨量 V
降雨量 ω
人体淋雨面积 S
淋浴时间 t
跑步距离 d
跑步速度 v
人高 a
人宽 b
人厚 c
六、模型求解：
（一）、模型Ⅰ建立及求解：
设不考虑雨的方向，降雨淋遍全身，则淋雨面积：
S＝2ab+2ac+bc
雨中奔跑所用时间为：
t=d/v
总降雨量
V＝ω×S×d/v
ω＝2cm/h=2×10/3600 (m/s)
将相关数据代入模型中，可解得：
S＝2.2（㎡）
V＝0.00244446 (cm3)=2.44446 (L)
（二）、模型Ⅱ建立及求解：
若雨从迎面吹来，雨线与跑步方向在同一平面内，且与人体的夹角为θ.，则淋雨量只有两部分：顶部淋雨量和前部淋雨量. （如图1）
-2
设雨从迎面吹来时与人体夹角为?. ，且 0°<?<90°，建立a，b，c，d，u，?，?之间的关系为：
（1）、考虑前部淋雨量：（由图可知）雨速的水平分量为u?sin?且方向与v相反，故人相对于雨的水平速度为：
?u?sin??v?
则前部单位时间单位面积淋雨量为：
?（?u?sin??v）/u
又因为前部的淋雨面积为：a?b，时间为： d/v
于是前部淋雨量V2为 ：
V2??a?b??????u?sin??v?/u???d/v?
即：
V2?a?b?d???u?sin??v?/?u?v? ①
（2）、考虑顶部淋雨量：（由图可知）雨速在垂直方向只有向下的分量， 且与v无关，所以顶部单位时间单位面积淋雨量为???cos??，顶部面积为?b?c? ，淋雨时间为?d/v? ，于是顶部淋雨量为：
V1?b?c???d?cos?/v ②
由①②可算得总淋雨量 :
V?V1?V2?b?c???d?cos?/v?a?b?d????u?sin??v?/?u?v?
代入数据求得：
V?cos??7.5sin??1.875v 1800?v
由V（v)函数可知：总淋雨量（V）与人跑步的速度（v）以及雨线与人的夹角（?）两者有关。
对函数V（v）求导，得：
V? ??cos??7.5?sin?
1800?v2
显然：V?<0， 所以V为v的减函数，V随v增大而减小。
因此，速度v=vm=5m/s ，总淋雨量最小。
（Ⅰ）当θ=0，代入数据，解得：
V＝0.0011527778（m3）≈1.153（L）
（Ⅱ）当θ=30°，代入数据，解得：
V＝0.0014025(m3)≈1.403（L）
（三）、模型Ⅲ建立及求解：
若雨从背面吹来，雨线方向与跑步方向在同一平面内，且与人体的夹角为α则淋雨量只有两部分：顶部淋雨量和后部淋雨量.（如图2）
高中数学建模的三种教学形式
作者（来源）：左双奇* 位育中学 发布时间：2007-09-06
高中数学建模的三种教学形式
左双奇* （位育中学）
问题的提出
数学建模的教学实践在我国己有十多年的探索了,新的国家课程标准和新的教材都将数学建模内容列入学生必修内容。在探究性学习的探索中，一些学校选择了数学建模做为突破口；在进行数学课题学习的教学实践中，数学建模是其中的一种重要形式。近年来，我校为配合上海市中学生数学知识应用竞赛，对数学建模教学进行了积极的探索，针对人为地将数学建模教学与曰常课堂教学相割裂、教师和学生对数学建模这种具有多样性、新奇性的学习形式存在的畏难心理等困难，我校在数学建模的教学中主要采用了以下循序渐近的三个不同层次的教学形式来克服以上的困难。
研究方法和过程
一、常规课堂教学中的数学建模教学
广义地说，一切数学概念、数学理论体系、数学公式、方程式和算法系统都可以称为数学模形。如“椭圆的方程及图象”就是一个数学模型，“用‘二分法’求方程的一个近似解”也是一个数学模型。针对学生在数学建模中不会对实际问题进行抽象、简化、假设变量和参数，形成明确的数学框架的困难，我们在常规的数学课堂教学中，有意识地选择合适的教学内容，模仿实际问题中建立数学模型的过程，来处理教材中常规的学习内容，从而为学生由实际问题来建立模型奠定基础。
譬如,对于二面角内容的教学,在学生原有生活经历中,有水坝面和水平面成适当的角的印象;有半开着的门与墙面形成角的印象,那么我们在让学生形成二面角的概念时,应当从学生已有的这些认识中,舍弃具体的水坝、门等对象,而抽象出“从一条直线出发的两个半平面所组成的图形叫做二面角”，在这里，半平面是相对于水坝拦水面、门等的具体对象而进行合理假设得到的理想化对象，而在进一步研究如何度量一个二面角的大小时，我们是让学生提出各种方案，然后通过讨论、比较各方案所定义的几何量对给定的二面角是不是不变量，同时又简洁表达了二面角中两个半平面闭合程度的大小。以上关于二面角的概念及其度量方法的教学过程，实际上就是建立数学模型并研究模型的过程。
这个教学案例说明，在常规的曰常课堂教学中，完全可以选定适当内容，创设出数学建模的教学情景来处理教学内容，从而为学生真正面对实际问题来建立模型、研究模型创造条件。
二、教师提供问题的数学建模教学
教师提供问题的数学建模，基本上同目前开展的大学生、中学生数学建模竞赛中需要完成的建模任务相同。这种形式的数学建模学生不需要自己选定实际问题研究，而是由教师选定适合于学生水平的实际问题呈现给学生，在教师的启发、引导下，学生小组通过讨论，自己完成模型选择和建立、计算、验证等过程,最后用小论文的形式呈现自己的研究成果,这种形式的数学建模学生已真正接触到实际问题,并经历建模的全过程。
经过了曰常课堂教学中的数学建模教学,学生对什么是数学建模已有了一定的认识,并已经历了由具体问题抽象出明确数学框架的锻练,因此,我们在这种形式的数学建模教学中,主要是加强以下几个方面的教学。
1．提供的实际问题必须难易适度,应当适合于学生的认知水平。对于较难的问题,我们往往给出必要提示,如启发学生通过提出合符常理的假设来将复杂的问题化为可以建模的问题;通过提示学生设定相关变量来达到使模型容易建立等。
教师可从选定的实际问题、模型假设、变量设定等方面来控制难度，其中模型假设和变量设定是直接影响到模型建立的关键因素，对此关键点教师没计适当的教学形式，是“教师给定问题型”建模教学的关键。
2.在“教师给定问题型”的数学建模的实践中，学生将经历建模的全过程，其中在模型的求解这一环节，往往需要借助计算机选择一个合适的数学软件平合，通过数学实验来求解模型。我校近年来，对这一环节的教学比较重视，每年都对将参加上海市中学生数学建模夏令营的学生团队进行数学软件Matlab的使用辅导，通过使学生精通一种软件的使用，再介绍学生自己钻研其它几种数学软件的使用，从而为学生正确求出模型的解，铺平了道路。
3.在近五年对学生的辅导过程中，我们感到以下一些问题可用来训练学生的数学建模能力，它们是：（1）路桥问题，（2）限定区域的驾驶问题，（3）交通信号灯管理问题，（4）球的内接多面体问题，（5）螺旋线问题，（6）最短路问题，（7）最小连接问题，（8）选址问题，（9）面包进货问题等。
4.在“教师给定问题型”的数学建模实践中，学生的研究结果，必须会用论文进行表达，会表达自己的研究思路及结果，是一个学生综合素质的体现。由于数e68a84e799bee5baa6362学建模论文的撰写有一定的格式要求，当然这种格式要求是为了更好地使作者展现自己的研究结果，也是对论文质量的保证。所以，我们在教学中对学生论文撰写的格式进行了专门的辅导，一般地说，中学生的数学建模论文格式，应当具有以下的形式。
（一） 论文摘要：做什么？用什么方法？借助什么工具？得出什么结论？为什么用这个工具？所得结果还有何推广应用？
关键词：用以体现论文主要特色的几个词汇。
（二） 问题的重述：用自己的语言将问题重述一遍，有自己的理解。
（三） 必要的假设或假定：（1）根据实际情况假定，要合乎常理，简化原始问题；（2）变量的定义和声明。
（四） 问题分析：变量之间会有什么关系？已知了什么？需在数学上解决什么？
（五） 模型：能够写成数学表达式的一定要写，可用几种不同的模型。
（六） 模型求解：用各种手段、包括借助计算器和计算机得出结论。
（七） 问题的讨论：模型及使用的工具的优缺点（准确性、局限性），所得结论和所用方法可否延伸到其他领域。
（八） 附录：引用的原始资料，编写的程序等。
从以上八个方面对学生进行辅导，提出要求，将会有效保证学生正确用论文表达自己的研究结果。
三，学生自选问题的数学建模教学。
有了前面两种形式的建模教学。学生具备了一定的建模水平后，就可进入学生自选问题的数学建模教学阶段了。这一阶段是要求学生依据自己已掌握的建模知识和具备的经验，自己选定一个实际问题，通过建立数学模型加以解决，最后以论文的形式反映自已的研究成果。这一阶段的数学建模教学实践，若开展的好，则广大学生在解决实际问题中所表现出的挑战困难的勇气和丰富的想象力都将是我们老师始料未及的。近年来我校在这种形式的建模教学实践中，主要是加强了如下三个方面的指导。
首先要明确撰写论文的目的.数学建模通常是由一些部门根据实际需要而提出的,也许那些部门还在经济上提供了资助,这时论文具有向特定部门汇百报的目的,但即使在其他度情况下,都要求对建模全过程作一个全面的、系统的小结。
使有关的技术人员（竞赛时的阅卷人员）读了之后,相信模型假设的合理性,理解在建立模型过程中所用数学方法的适用性,从而确信该模型的数据和结论,放心地应用于实践中.当然,一篇好的论文是以作者所建立的数学模型的科学性为前提的. 其次,要注意论文的条理性.
如何撰写数学建模论文兼谈数学建模竞赛答卷要求当我们完成一个数学建模的全过程后,就应该把所作的工作进行小结,写成论文.撰写数学建模论文和参加大学生数学建模时完成答卷,在许多方面是类似的.事实上数学建模竞赛也包含了学生写作能力的比试,因此,论文的写作是一个很重要的问题.首先要明确撰写论文的目的.数学建模通常是由一些部门根据实际需要而提出的,也许那些部门还在经济上提供了资助,这时论文具有向特定部门汇报的目的,但即使在其他情况下,都要求对建模全过程作一个全面的、系统的小结,使有关的技术人员（竞赛时的阅卷人员）读了之后,相信模型假设的合理性,理解在建立模型过程中所用数学方法的适用性,从而确信该模型的数据和结论,放心地应用于实践中.当然,一篇好的论文是以作者所建立的数学模型的科学性为前提的.其次,要注意论文的条理性.下面就论文的各部门应当注意的地方具体地来作一些分析.（一）问题提出和假设的合理性在撰写论文时,应该把读者想象为对你所研究的问题一无所知或知之甚少的一个群体,因此,首先要简单地说明问题的情景,即要说清事情的来龙去脉.列出必要数据,提出要解决的问题,并给出研究对象的关键信息的内容,它的目的在于使读者对要解决的问题有一个印象,以便擅于思考的读者自己也可以尝试解决问题.历届数学建模竞赛的试题可以看作是情景说明的范例.对情景的说明,不可能也不必要提供问题的每个细节.由此而来建立数学模型还是不够的,还要补充一些假设,模型假设是建立数学模型中非常关键的一步,关系到模型的成败和优劣.所以,应该细致地分析实际问题,从大量的变量中筛选出最能表现问题本质的变量,并简化它们的关系.这部分内容就应该在论文的“问题的假设”部分中体现.由于假设一般不是实际问题直接提供的,它们因人而异,所以在撰写这部分内容时要注意以下几方面：（1）论文中的假设要以严格、确切的数学语言来表达,使读者不致产生任何曲解.（2）所提出的假设确实是建立数学模型所必需的,与建立模型无关的假设只会扰乱读者的思考.（3）假设应验证其合理性.假设的合理性可以从分析问题过程中得出,例如从问题的性质出发作出合乎常识的假设；或者由观察所给数据的图象,得到变量的函数形式；也可以参考其他资料由类推得到.对于后者应指出参考文献的相关内容.（二）模型的建立在作出假设后,我们就可以在论文中引进变量及其记号,抽象而确切地表达它们的关系,通过一定的数学方法,最后顺利地建立方程式或归纳为其他形式的数学问题,此处,一定要用分析和论证的方法,即说理的方法,让读者清楚地了解得到模型的过程上下文之间切忌逻辑推理过程中跃度过大,影响论文的说服力,需要推理和论证的地方,应该有推导的过程而且应该力求严谨；引用现成定理时,要先验证满足定理的条件.论文中用到的各种数学符号,必须在第一次出现时加以说明.总之,要把得到数学模型的过程表达清楚,使读者获得判断模型科学性的一个依据.（三）模型的计算e799bee5baa6e59b9ee7ad94338与分析把实际问题归结为一定的数学问题后,就要求解或进行分析.在数值求解时应对计算方法有所说明,并给出所使用软件的名称或者给出计算程序（通常以附录形式给出）.还可以用计算机软件绘制曲线和曲面示意图,来形象地表达数值计算结果.基于计算结果,可以用由分析方法得到一些对实践有所帮助的结论.有些模型（例如非线性微分方程）需要作稳定性或其他定性分析.这时应该指出所依据的数学理论,并在推理或计算的基础上得出明确的结论.在模型建立和分析的过程中,带有普遍意义的结论可以用清晰的定理或命题的形式陈述出来.结论使用时要注意的问题,可以用助记的形式列出.定理和命题必须写清结论成立的条件.（三）模型的讨论对所作的数学模型,可以作多方面的讨论.例如可以就不同的情景,探索模型将如何变化.或可以根据实际情况,改变文章一开始所作的某些假设,指出由此数学模型的变化.还可以用不同的数值方法进行计算,并比较所得的结果.有时不妨拓广思路,考虑由于建模方法的不同选择而引起的变化.通常,应该对所建立模型的优缺点加以讨论比较,并实事求是地指出模型的使用范围.除正文外,论文和竞赛答卷都要求写出摘要.我们不要忽视摘要的写作.因为它会给读者和评卷人第一印象.摘要应把论文的主要思路、结论和模型的特色讲清楚,让人看到论文的新意.语言是构成论文的基本元素.数学建模论文的语言与其他科学论文的语言一样,要求达意、干练.不要把一句句子写得太长,使人不甚卒读.语言中应多用客观陈述句,切忌使用你、我、他等代名词和带主观意向的语句.在英语论文写作中应多用被动语态,科学命题与判断过程一般使用现在时态.最后,论文的书写和附图也都很重要.附图中的图形应有明确的说明,字迹力求端正.有条件的,最好能把文章用计算机打印出来.如何写好数学建模竞赛答卷一、写好数模答卷的重要性1.评定参赛队的成绩好坏、高低,获奖级别,数模答卷,是唯一依据.2.答卷是竞赛活动的成绩结晶的书面形式.3.写好答卷的训练,是科技写作的一种基本训练.二、答卷的基本内容,需要重视的问题1评阅原则：假设的合理性,建模的创造性,结果的合理性,表述的清晰程度.2答卷的文章结构0．摘要1．问题的叙述,问题的分析,背景的分析等,略2．模型的假设,符号说明（表）3．模型的建立（问题分析,公式推导,基本模型,最终或简化模型等）4．模型的求解▲计算方法设计或选择；算法设计或选择,算法思想依据,步骤及实现,计算框图；所采用的软件名称；▲引用或建立必要的数学命题和定理；▲求解方案及流程5．结果表示、分析与检验,误差分析,模型检验……6．模型评价,特点,优缺点,改进方法,推广…….7．参考文献8．附录计算框图详细图表……3要重视的问题0．摘要.包括：a.模型的数学归类（在数学上属于什么类型）b.建模的思想（思路）c.算法思想（求解思路）d.建模特点（模型优点,建模思想或方法,算法特点,结果检验,灵敏度分析,模型检验…….）e.主要结果（数值结果,结论）（回答题目所问的全部“问题”）▲表述：准确、简明、条理清晰、合乎语法、字体工整漂亮；打印最好,但要求符合文章格式.务必认真校对.1．问题重述.略2．模型假设跟据全国组委会确定的评阅原则,基本假设的合理性很重要.（1）根据题目中条件作出假设（2）根据题目中要求作出假设关键性假设不能缺；假设要切合题意3．模型的建立（1）基本模型：1)首先要有数学模型：数学公式、方案等2)基本模型,要求完整,正确,简明（2）简化模型1）要明确说明：简化思想,依据2）简化后模型,尽可能完整给出（3）模型要实用,有效,以解决问题有效为原则.数学建模面临的、要解决的是实际问题,不追求数学上：高（级）、深（刻）、难（度大）.能用初等方法解决的、就不用高级方法；能用简单方法解决的,就不用复杂方法；能用被人看懂、理解的方法,就不用只能少数人看懂、理解的方法.（4）鼓励创新,但要切实,不要离题搞标新立异,数模创新可出现在▲建模中,模型本身,简化的好方法、好策略等,▲模型求解中▲结果表示、分析、检验,模型检验▲推广部分（5）在问题分析推导过程中,需要注意的问题：分析：中肯、确切术语：专业、内行原理、依据：正确、明确,表述：简明,关键步骤要列出切忌：外行话,专业术语不明确,表述混乱,冗长.4．模型求解（1）需要建立数学命题时：命题叙述要符合数学命题的表述规范,尽可能论证严密.（2）需要说明计算方法或算法的原理、思想、依据、步骤.若采用现有软件,说明采用此软件的理由,软件名称（3）计算过程,中间结果可要可不要的,不要列出.（4）设法算出合理的数值结果.5．结果分析、检验；模型检验及模型修正；结果表示（1）最终数值结果的正确性或合理性是第一位的；（2）对数值结果或模拟结果进行必要的检验.结果不正确、不合理、或误差大时,分析原因,对算法、计算方法、或模型进行修正、改进；（3）题目中要求回答的问题,数值结果,结论,须一一列出；（4）列数据问题：考虑是否需要列出多组数据,或额外数据对数据进行比较、分析,为各种方案的提出提供依据；（5）结果表示：要集中,一目了然,直观,便于比较分析▲数值结果表示：精心设计表格；可能的话,用图形图表形式▲求解方案,用图示更好（6）必要时对问题解答,作定性或规律性的讨论.最后结论要明确.6．模型评价优点突出,缺点不回避.改变原题要求,重新建模可在此做.推广或改进方向时,不要玩弄新数学术语.7．参考文献8．附录详细的结果,详细的数据表格,可在此列出.但不要错,错的宁可不列.主要结果数据,应在正文中列出,不怕重复.检查答卷的主要三点,把三关：模型的正确性、合理性、创新性；结果的正确性、合理性；文字表述清晰,分析精辟,摘要精彩.三、对分工执笔的同学的要求四、关于写答卷前的思考和工作规划答卷需要回答哪几个问题――建模需要解决哪几个问题；问题以怎样的方式回答――结果以怎样的形式表示；每个问题要列出哪些关键数据――建模要计算哪些关键数据；每个量,列出一组还是多组数――要计算一组还是多组数……五、答卷要求的原理准确――科学性实用――实际问题要求.建模理念：1.应用意识：要解决实际问题,结果、结论要符合实际；模型、方法、结果要易于理解,便于实际应用；站在应用者的立场上想问题,处理问题.2.数学建模：用数学方法解决问题,要有数学模型；问题模型的数学抽象,方法有普适性、科学性,不局限于本具体问题的解决.3.创新意识：建模有特点,更加合理、科学、有效、符合实际；更有普遍应用意义；不单纯为创新而创新