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水库捕鱼问题 (2).docx
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水库捕鱼优化问题
摘要
本文针对水库放水除草,计算捕鱼的最大收益问题,分别建立了草鱼的日销
售收益分段函数模型、捕捞成本指数函数模型、捕鱼方案优化模型以及冻鱼收益
与活鱼收益之间的不等式模型对题中的四个问题进行了分析和求解。
问题一:通过建立分段函数,我们确定了草鱼的日销售收益和不同日供应量
之间明确的函数关系。
问题二:根据实际情况中捕捞成本与水位之间的变化趋势以及题中所给的水
位与时间的一次线性关系,我们以水位作为中间变量建立了捕捞成本与时间变化
的指数函数模型。
问题三:由于水温以及氧气含量对鱼类生存的影响很大,当水位降低到 6
米以下时,水层温度和含氧量将发生明显变化,鱼所适宜的生存空间将随水位的
降 低 不 断 减 少 , 捕 鱼 的 损 失 率 将 按 照 不 同 的 函 数 关 系 发 生 变 化 , 我
们同样以水位作为中间变量建立捕鱼了的损失率关于水位高低的分段函数。
问题四:(1).在日供应量不超过市场饱和需求量的前提下,建立捕捞的最
优化模型,我们采用累加法,计算出每一天的最大收益,然后加和求出最后的总
收益,运用 Lingo 软件,得出最佳捕捞方案,最大收益为 316795.8 元。
(2).在日供应量超过市场饱和需求量的情况下,我们综合的考虑了出售冻鱼
的情况,考虑了冻鱼和活鱼的价格差 M, 单位冻鱼单位时间的储存成本 V 与最
大收益之间的关系,建立了出售冻鱼和出售活鱼两者之间的利润的不等式关系模
型。得出当 大于 2.3 元, 在 0.1 到 0.5 元之间时,只出售活鱼。
M
V
关键词:日销售收益分段函数;捕捞成本指数模型;捕鱼方案优化模型;冻鱼收
益与活鱼收益的不等式模型
一、问题重述
由个人承包的一个水库,需要对水库里的杂鱼做一次彻底清理,因此要放水
清库。水库现有水位平均为 10 米,每天水位下降为 0.4 米,最低水位为 2 米,
预计需要 20 天时间,水位可达目标。水库内尚有草鱼二万公斤,鲜活草鱼日供
应量在 400 公斤以下,价格为 20 元/公斤,日供应量在 400~1200 公斤,超过部
分价格降至 18 元/公斤,日供应量超过 1200 公斤时,超过部分价格降至 15 元/
公斤以下,日供应量到 1800 公斤处于饱和。捕捞草鱼的成本,水位为 10 米时,
每公斤 5 元;当水位降至 2 米时,每公斤 1 元。随着水位的下降草鱼死亡和捕捞
造成损失增加,至最低水位 2 米时损失率为 20%。联系鱼的总量,水位和损失率
等综合因素,试解决下列问题:
问题 1:建立草鱼的销售收益随供应量变化的函数关系;
问题 2:建立草鱼的捕捞成本随时间变化的函数关系;
问题 3:讨论损失率与水位关系,并进一步建立简明合理的草鱼损失率随时
间变化的函数关系;
问题 4:在日捕捞量不超过市场饱和需求量(1800 公斤)以及超过市场饱和
需求量两种情况下,效益的最佳。其中,如果日供应量超过饱和值时,可以将鲜
鱼冷冻起来,假设冻鱼的销售价格比当日鲜鱼的价格低 ,而且每公斤每天的
M
储存费用为 。
V
二、模型假设
1.假设在此期间草鱼的总数不发生变化。
2.假设在此期间不考虑草鱼的出生率和死亡率。
3.假设每天捕捞的草鱼全都卖完,不存在死鱼的情况。
4.假设捕捞的损失率主要包括水位的变化导致鱼的死亡以及捕捞过程中鱼
受伤导致的死亡。
三、符号说明
y
x
第i天的销售收益(i 1,�,2 1)
第i天的供应量(i 1,�,21)
第i天的捕捞量(i 1,�,21)
第i天的捕捞成本(i 1,�,21)
第i天的损失率(i 1,�,21)
水位高低
i
i
i
i
S
q
C
i
H
W
第i天的收益(i 1,�,21)
i
四、问题分析
本题是有关如何求出最大效益及建立销售收益和供应量、捕捞成本与时间的
关系、损失率与时间的关系的模型,可用数学规划方法分析问题。
针对问题一:根据日供应量草鱼价格不同,它们之间存在比例关系,可将销
售收益与供应量描述成一种函数关系,应用 MATLAB模拟函数图像直观分析二
者之间的关系。
针对问题二:随着水位的下降,草鱼的捕捞成本逐渐降低。并且,根据实际
情况可知,捕捞成本下降的速率随水位的降低而降低,故由题中信息可建立草鱼
的捕捞成本与水位的高低之间的某种函数关系,而水位的高低与时间呈现一种线
性关系,由此可得出捕捞成本与时间之间的一种函数关系,应用 MATLAB模拟
函数图像对二者进行分析。
针对问题三:根据生活经验,鱼的存活率跟水的温度和水中的含氧量有关。
由参考文[1]可知水的导热性能比较差,阳光射到水面的热能大部分为水面下 1
米左右的水层所吸收,大约只有 5%的热能传到 5 米深的水域,故认为当水位降
低到 6 米以下时,水层温度和含氧量将发生明显变化,鱼所适宜的生存空间将随
水位的降低不断减少,所以我们以 6 米作为一个分界点来建立捕鱼的损失率关于
水位高低的分段函数。
针对问题四:在日捕捞量小于市场饱和需求量的情况下,制定合理的捕鱼方
案,使得收益最佳,为了保证二十天总收益的最大化,在放水的过程中,使得每
一天的收益最大化,因此,应用非线性规划方法,建立一个最优收益模型。在捕
捞量超过市场饱和需求量的情况下,为保证收益最大化,对出售冻鱼和出售活鱼
两者的利润建立不等式关系,得出最佳方案为只出售活鱼时,冻鱼的保存成本
M
以及降价量 所满足的条件。
V
五、模型的建立与求解
5.1 供应量与销售收益的关系
由题中所述可知:水库内共有草鱼总量二万公斤,根据供应量的不同,草鱼
的销售价格不同,具体如下:当日供应量在 400 公斤以下时,价格为 20 元/公斤,
日供应量在 400~1200 公斤时,超过部分价格降至 18 元/公斤,日供应量超过 1200
公斤时,超过部分价格降至 15 元/公斤以下,日供应量到 1800 公斤处于饱和,
由此可得表 1:
表 1 草鱼的销售价格随供应量变化的关系
400~1200
超过 400 价格降至 18
超过 1200 价格降至 15 以下
达到饱和
1200~1800
1800~20000
由表 1 及分析可得,第 天的销售收益 和第 天的供应量 的函数关系为分
i
y
i
x
i
i
段函数,其中 1, ,20,具体如下:
i
20x
0 x 400
i
i
18x 800
400 x 1200
y (x)
(1)
i
i
15x 4400
1200 x 1800
i
i
i
31400
1800 x 20000
i
用 MATLAB对上述分段函数(1)作图 1:
图 1 供应量与销售收益的关系
图 1 说明了供应量在 0—400,400—1200,1200—1800 公斤时,销售收益与供
应量呈线性关系,当销售量大于 1800 小于 20000 时,日供应量已经达到市场饱
和需求,故销售收益不随供应量的变化而变化,而稳定在一个值保持不变。
5.2 草鱼的捕捞成本随时间变化的函数关系
由题中信息可得,要求得出草鱼的捕捞成本随时间变化的函数关系,前提是
求出草鱼的捕捞成本与水位的关系,再根据水位随时间的线性变化关系,从而得
出捕捞成本随时间的变化关系。
1 捕捞成本与水位的函数关系
由文[5]可知:水库由于存在数目草鱼的捕捞成本随着水位的下降而逐渐降
低,由实际情况可知,捕捞成本下降的速率随水位的降低而降低,所以捕捞成本
与水位是非线性的关系,所以我们根据假设建立了捕捞成本 与水位 的指数
H
q
i
关系,其中 1, ,20,关系式如下:
i
q (H) ke
aH
(2)
由题意可知,当水位为 10 米时,捕捞成本为每公斤 5 元;当水位降至 2 米
时,捕捞成本为每公斤 1 元。因此,当 10 时, 5,当 2 时, 1,
i
H
q
H
q
代入式(2),可解得:
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