【数学建模】矩形桌子能放平(初等模型)

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把一把四只脚的椅子往不平的地面上一放,通常只有三只脚着地,放不稳,然而只要稍挪动几次,就可以四脚着地,放稳了。如何解释这种现象?

1 模型假设

  1. 椅子四条腿一样长,椅脚与地面接触可视为一个点,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),即地面可视为数学上的连续曲面
  3. 对于椅脚的间距和椅脚的长度而言,地面是相对平坦的,使椅子在任何位置至少有三只脚同时着地。 

2 模型建立

为了用数学语言来表示椅子四只脚着地的条件和结论,首先用变量表示椅子的位置,由于椅脚的连线呈矩形,以中心为对称点,矩形形绕中心的旋转正好代表了椅子的位置的改变,于是可以用旋转角度θ这一变量来表示椅子的位置。其次要把椅脚着地用数学符号表示出来,如果用某个变量表示椅脚与地面的竖直距离,当这个距离为零时,表示椅脚着地了。

设A、B两脚与地面距离之和为f(θ),C、D两脚与地面距离之和为g(θ),θ为AC连线与x轴正向的夹角。显然f(θ)、g(θ)≥0,由模型假设2知f(θ)、g(θ)都是连续函数,再由模型假设3知f(θ)、g(θ)至少有一个为0。当θ=0时,不妨设g(θ)=0,f(θ)>0,这样改变椅子的位置使四只脚同时着地,就归结为如下命题1。 

命题1 已知f(θ)、g(θ)是θ的连续函数,对任意θ,f(θ)g(θ)=0,且g(0)=0,f(0)>0,则存在θ0,使g(θ0)=f(θ0)=0。

3 模型求解 

将椅子绕对称中心旋转180°(π),矩形ABCD变成C'D'A'B'了,即AB与CD互换。

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由g(0)=0,f(0)>0可知g(π)>0,f(π)=0。

令h(θ)=f(θ)-g(θ),则h(0)>0,h(π)<0。

由f(θ)、g(θ)的连续性知h(θ)也是连续函数,由零点定理可得,必存在θ0(0<θ0<π)使h(θ0)=0,即g(θ0)=f(θ0)。

由g(θ0)f(θ0)=0,所以g(θ0)=f(θ0)=0

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