数学建模-椅子摆放问题


(公式通过markdown编写,格式可能有问题)

1.题目

在“椅子摆放问题”的假设条件中,将四脚的连线呈正方形,改为呈长方形,其余条件不变。试构造模型并求解。

2.模型假设

  • 椅子四条腿一样长,椅脚与地面的接触为一点, 四脚的连线为长方形;
  • 地面是光滑的曲面;
  • 地面是相对平坦的,椅子在任何一个位置至少可以有三条腿同时着地。

3.模型分析

设椅子四角连线呈长方形$ABCD$,长方形的两条对称轴分别为x, y轴,中心点为O,沿中心点O旋转的角度为$\theta$,建立直角坐标系。记A, B与地面距离之和为$f(\theta)$,C, D与地面距离之和为$g(\theta)$,将椅子沿中心点O旋转$180^。$,得到长方形$A’B’C’D’$,此时$\theta$等于$\pi$,如图1所示。

图1-椅子所在地面处的平面直角坐标系

4.建立模型

已知:fg均为连续函数,且满足

式1

问:是否存在$\theta_0$使$f(\theta_0)=g(\theta_0)=0$?

5.模型求解

构造函数$h(\theta)=f(\theta)-g(\theta)$,假设$f(0)>0,g(0)=0$,从而$h(0)>0$,

又因为$h(\pi)=f(\pi)-g(\pi)=g(0)-f(0)<0$,

h的连续性和连续函数的介值定理可知,存在$\theta_0$属于$(0, \pi/2)$,使得$h(\theta_0)=0$,所以存在$\theta_0$,使$f(\theta_0)=g(\theta_0)=0$。

6.得出结论

四条腿长度相等的椅子放在起伏不平的地面上,四条腿一定能同时着地。


文章作者: 易安
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