数学建模--微分方程建模

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1、微分方程模型徐海学院数学建模§3.1微分方程的几个简单实例在许多实际问题中，当直接导出变量之间的函数关系较为困难，但导出包含未知函数的导数或微分的关系式较为容易时，可用建立微分方程模型的方法来研究该问题，本节将通过一些最简单的实例来说明微分方程建模的一般方法。在连续变量问题的研究中，微分方程是十分常用的数学工具之一。例1（理想单摆运动）建立理想单摆运动满足的微分方程，并得出理想单摆运动的周期公式。从图3-1中不难看出，小球所受的合力为mgsinθ，根据牛顿第二定律可得：从而得出两阶微分方程：（3.1）这是理想单摆应满足的运动方程（3.1）是一个两阶非线性方程，不易求解。当θ很小时，sin

2、θ≈θ，此时，可考察（3.1）的近似线性方程：（3.2）由此即可得出（3.2）的解为:θ(t)=θ0cosωt其中当时,θ(t)=0故有MQPmg图3-1（3.1）的近似方程例2我方巡逻艇发现敌方潜水艇。与此同时敌方潜水艇也发现了我方巡逻艇，并迅速下潜逃逸。设两艇间距离为60哩，潜水艇最大航速为30节而巡逻艇最大航速为60节，问巡逻艇应如何追赶潜水艇。这一问题属于对策问题，较为复杂。讨论以下简单情形：敌潜艇发现自己目标已暴露后，立即下潜，并沿着直线方向全速逃逸，逃逸方向我方不知。设巡逻艇在A处发现位于B处的潜水艇，取极坐标，以B为极点，BA为极轴，设巡逻艇追赶路径在此极坐标下的方程为r=

3、r(θ)，见图3-2。BAA1drdsdθθ图3-2由题意，，故ds=2dr图3-2可看出，故有:即:（3.3）解为：（3.4）先使自己到极点的距离等于潜艇到极点的距离,然后按（3.4）对数螺线航行，即可追上潜艇。追赶方法如下：例3一个半径为Rcm的半球形容器内开始时盛满了水，但由于其底部一个面积为Scm2的小孔在t=0时刻被打开，水被不断放出。问：容器中的水被放完总共需要多少时间？解:以容器的底部O点为原点，取坐标系如图3.3所示。令h(t)为t时刻容器中水的高度，现建立h(t)满足的微分方程。设水从小孔流出的速度为v(t)，由力学定律，在不计水的内部磨擦力和表面张力的假定下，有：因体

4、积守衡，又可得：易见：故有：即：这是可分离变量的一阶微分方程，得RxySO图3-3hr例4一根长度为l的金属杆被水平地夹在两端垂直的支架上，一端温度恒为T1，另一端温度恒为T2，（T1、T2为常数，T1>T2）。金属杆横截面积为A，截面的边界长度为B，它完全暴露在空气中，空气温度为T3，（T3

5、T(x)。热传导现象机理：当温差在一定范围内时，单位时间里由温度高的一侧向温度低的一侧通过单位面积的热量与两侧的温差成正比，比例系数与介质有关。T1T2oxABT3ldt时间内通过距离O点x处截面的热量为：dt时间内通过距离O点x+dx处截面的热量为：由泰勒公式：金属杆的微元[x,x+dx]在dt内由获得热量为：同时，微元向空气散发出的热量为：系统处于热平衡状态，故有：所以金属杆各处温度T(x)满足的微分方程:这是一个两阶常系数线性方程，很容易求解为了保持自然资料的合理开发与利用，人类必须保持并控制生态平衡，甚至必须控制人类自身的增长。本节将建立几个简单的单种群增长模型，以简略分析一下这

6、方面的问题。种群的数量本应取离散值，但由于种群数量一般较大，为建立微分方程模型，可将种群数量看作连续变量,由此引起的误差将是十分微小的。§3.2Malthus模型与Logistic模型模型1马尔萨斯（Malthus）模型马尔萨斯在分析人口出生与死亡情况的资料后发现，人口净增长率r基本上是一常数，（r=b-d,b为出生率，d为死亡率），即：或（3.5）（3.6）（3.1）的解为：其中N0=N(t0)为初始时刻t0时的种群数。马尔萨斯模型的一个显著特点：种群数量翻一番所需的时间是固定的。令种群数量翻一番所需的时间为T，则有：故模型检验比较历年的人口统计资料，可发现人口增长的实际情况与马尔萨斯

7、模型的预报结果基本相符，例如，1961年世界人口数为30.6（即3.06×109），人口增长率约为2%，人口数大约每35年增加一倍。检查1700年至1961的260年人口实际数量，发现两者几乎完全一致，且按马氏模型计算，人口数量每34.6年增加一倍，两者也几乎相同。模型预测假如人口数真能保持每34.6年增加一倍，那么人口数将以几何级数的方式增长。例如，到2510年，人口达2×1014个，即使海洋全部变成陆地，每人也只有9.3平方英尺