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线性代数在数学建模中的应用举例 2.pdf
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"线性代数在数学建模中的应用举例 2" 本文主要讨论了线性代数在数学建模中的应用,通过两个实例来展示线性代数在数学建模中的重要性。 我们讨论了基因频率的表示问题。在这个问题中,我们使用单位向量来表示每一个群体的基因频率,然后利用向量间的夹角来表示两个对应的群体间的“距离”。这里,我们使用了 cosθ = a1·a2 来计算两个向量之间的夹角,然后通过反余弦函数来计算对应的角度。通过这种方法,我们可以计算出不同群体间的基因“距离”,并发现班图人与英国人之间的基因“距离”最小,而爱斯基摩人与班图人之间的基因“距离”最大。 我们讨论了四面体的体积问题。在这个问题中,我们使用了向量的数量积来计算四面体的体积。我们建立了一个坐标系,并设定了四面体的六条棱长分别为 l, m, n, p, q, r。然后,我们使用了向量 OA, OB, OC 来计算四面体的体积 V。我们发现,V 等于以向量 OA, OB, OC 组成右手系时,以它们为棱的平行六面体的体积 V6 的一半。我们使用了向量的数量积的坐标表示,来计算四面体的体积 V。 在这两个实例中,我们可以看到线性代数在数学建模中的重要性。线性代数提供了一种-powerful工具,用于解决数学建模中的问题。通过使用向量和矩阵,我们可以更方便地解决问题,并获得更加准确的结果。 本文展示了线性代数在数学建模中的应用,通过两个实例来展示线性代数在数学建模中的重要性。我们可以看到,线性代数提供了一种-powerful工具,用于解决数学建模中的问题。
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线性代数在数学建模中的应用举例 2
线性代数在数学建模中的应用举例
1 基因间“距离”的表示
在ABO 血型的人们中,对各种群体的基因的频率进行了研究。如果我们把
四种等位基因 A
1
,A
2
,B,O 区别开,有人报道了如下的相对频率,见表 1、1。
表 1、1 基因的相对频率
爱斯基摩人 f1
i
0.2914
0、0000
0.0316
0、6770
1.000
班图人
f
2i
0.1034
0、0866
0、1200
0.6900
1、000
英国人
f
3i
0、2090
0、0696
0、0612
0.6602
1、000
朝鲜人 f4i
0、2208
0.0000
0、2069
0、5723
1、000
A
1
A
2
B
O
合计
问题 一个群体与另一群体的接近程度如何?换句话说 ,就就是要一个表
示基因的“距离”的合宜的量度。
解 有人提出一种利用向量代数的方法。首先 ,我们用单位向量来表示每一
个群体。为此目的,我们取每一种频率的平方根,记
x
ki
4 4
f
ki
、由于对这四种群体
2
1
、的每一种有
f
ki
1
,所以我们得到
x
ki
这意味着下列四个向量的每个都就
i1 i1
是单位向量、记
x11
x21
x31
x41
x12
x22
x32
x42
, a
3
, a
4
.a
1
, a
2
x13
x23
x33
x43
x14 x24 x34 x44
线性代数在数学建模中的应用举例 2
在四维空间中,这些向量的顶端都位于一个半径为 1 的球面上、
现在用两个向量间的夹角来表示两个对应的群体间的“距离”似乎就是合理
的、如果我们把
a
1
与
a
2
之间的夹角记为θ,那么由于| a
1
|=| a
2
|=1,再由内
只公式,得
cos
a
1
a
2
而
0.5398
0.3216
0.0000
0.2943
, a
2
.a
1
0.1778
0.3464
0.8228
0.8307
故 cos
a
1
a
2
0.9187
得
23.2
°.
按同样的方式,我们可以得到表 1.2.
表 1、2 基因间的“距离”
爱斯基摩人
班图人
英国人
朝鲜人
爱斯基摩人
0°
23、2°
16、4°
16、8°
班图人
23、2°
0°
9、8°
20、4°
英国人
16.4°
9、8°
0°
19.6°
朝鲜人
16、8°
20.4°
19.6°
0°
由表 1、2 可见,最小的基因“距离”就是班图人与英国人之间的“距离”,
而爱斯基摩人与班图人之间的基因“距离”最大、
2 Euler的四面体问题
问题 如何用四面体的六条棱长去表示它的体积?这个问题就是由
Euler(欧拉)提出的、
解 建立如图 2、1 所示坐标系,设
A
,
B
,
C
三点的坐标分别为(a
1
,b
1
,c
1
),( a
2
,b
2
,c
2
)
与(a
3
,b
3
,c
3
),并设四面体 O-ABC 的六条棱长分别为
l, m, n, p, q, r.
由立体几何知
道,该四面体的体积V等于以向量
OA,OB,OC
组成右手系时,以它们为棱的平行
线性代数在数学建模中的应用举例 2
1
六面体的体积V
6
的 .而
6
V
6
OA OB OC a
2
a
3
a
1
b
1
b
2
b
3
a
1
b
1
b
2
b
3
c
1
c
1
c
2
.
c
3
于就是得
6V a
2
a
3
将上式平方,得
c
2
.
c
3
a
1
36V
2
a
2
a
3
2
1
b
1
b
2
b
3
2
1
c
1
a
1
c
2
a
2
c
3
a
3
2
1
b
1
b
2
b
3
c
1
c
2
c
3
a
1
a
3
b
1
b
3
c
1
c
3
a
2
a
3
b
2
b
3
c
2
c
3
.
2 2 2
a
3
b
3
c
3
a b c
a
1
a
2
b
1
b
2
c
1
c
2
a
1
a
3
b
1
b
3
c
2
c
3
a
1
a
2
b
1
b
2
c
1
c
2
2 2 2
a
2
b
2
c
2
a
2
a
3
b
2
b
3
c
2
c
3
根据向量的数量积的坐标表示,有
OA OA a
1
2
b
1
2
c
1
2
, OA OB a
1
a
2
b
1
b
2
c
1
c
2
,
2 2 2
OA OC a
1
a
3
b
1
b
3
c
1
c
3
, OB OB a
2
b
2
c
2
2 2
OB OC a
2
a
3
b
2
b
3
c
2
c
3
, OC OC a
3
b
3
2
c
3
.
于就是
OAOA
36V
2
OA OB
OAOB
OB OB
OAOC
OB OC .
(2、1)
OAOC OB OC OC OC
由余弦定理,可行
p
2
q
2
n
2
OAOB p q cos
.
2
同理
p
2
r
2
m
2
q
2
r
2
l
2
OAOC , OB OC .
2 2
将以上各式代入(2、1)式,得
线性代数在数学建模中的应用举例 2
p
2
q
2
n
2
2
p
2
p
2
r
2
l
2
2
p
2
r
2
m
2
2
2
p r
2
l
2
.
(2、2)
2
r
2
p
2
2
p
2
q
2
n
2
36V
2
2
p r
2
m
2
2
这就就是 Euler 的四面体体积公式.
例 一块形状为四面体的花岗岩巨石,量得六条棱长分别为
l
=10m, m=15m, n=12m,
p=14m, q=13m, r=11m、
则
p2 q2 n2
110.5,
2
代入(2、1)式,得
196
36V 2 110.5
46
p2 r2 m2
46,
2
110.5
169
95
46
p2 r2 l2
95.
2
95 1369829.75.
121
于就是
V 2 38050.82639 (195m
3
)
2
.
即花岗岩巨石的体积约为 195m
3
、
古埃及的金字塔形状为四面体 ,因而可通过测量其六条棱长去计算金字塔的
体积、
3 动物数量的按年龄段预测问题
问题 某农场饲养的某种动物所能达到的最大年龄为15 岁,将其分成三个
年龄组:第一组,0~5 岁;第二组,6~10 岁;第三组,11~15 岁、动物从第二年龄组起
开始繁殖后代,经过长期统计,第二组与第三组的繁殖率分别为 4 与3、第一年龄
与第二年龄组的动物能顺利进入下一个年龄组的存活率分别为
错误!
与
错误!
、假设
农场现有三个年龄段的动物各100 头,问15 年后农场三个年龄段的动物各有多
少头?
问题分析与建模 因年龄分组为 5 岁一段,故将时间周期也取为 5 年.15年
后就经过了 3 个时间周期.设
x
i
(k )
表示第
k
个时间周期的第 i 组年龄阶段动物的数
量(
k
=1,2,3;i=1,2,3).
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