线性代数在数学建模中的应用举例(2)
线性代数理论在计算机图形学中的应用

线性代数理论在计算机图形学中的应用随着计算机技术的不断进步,计算机图形学以其独特的视觉效果成为了众多计算机领域中最具有趣味和挑战性的研究领域之一。
在计算机图形学中,线性代数是一个非常重要的数学工具和基础理论,不仅在三维图形的建模、渲染和动画中都有广泛的应用,还在计算机视觉、机器学习和模式识别等领域起着重要的作用。
一、矩阵和向量在计算机图形学中,矩阵和向量是最基本的数学概念之一。
矩阵和向量可以用来表示物体、光源、场景等重要的信息。
在3D图像建模中,矩阵和向量被用来描述三维坐标,来表示物体的方向、位置和方向向量。
在计算机图形学中,一个对象通常是由许多点所组成的,而每一个点都是一个三维向量。
我们可以用矩阵和向量表示这些点,通过矩阵变换来改变它们的位置和方向。
常见的变换包括:平移、旋转、缩放和剪裁。
二、线性变换在计算机图形学中,线性变换是一种重要的变换方式,它能够对一个物体进行平移、旋转和缩放等操作。
线性变换的本质是一种矩阵变换,即通过乘以矩阵来改变向量的位置和方向。
其中最常见的线性变换包括:旋转变换、平移变换和缩放变换。
线性变换在计算机图形学中的应用非常广泛。
例如,在多边形绘制中,我们可以通过对多边形进行线性变换来使其旋转、平移和缩放。
在图像处理中,像素点的位置可以使用线性变换进行改变。
此外,线性变换还可以用于计算光照和阴影,以及在3D电影和动画中建立动态场景。
三、计算矩阵计算机图形学中,矩阵是一个非常重要的工具,用于描述物体的位置、方向和形状等信息。
计算矩阵可以通过数学运算来实现,例如矩阵乘法和矩阵求逆。
计算矩阵可以帮助我们快速地进行变换,并且可以在图形渲染过程中提高性能和减少计算量。
计算矩阵在计算机图形学中有许多常见的应用。
例如,在3D模型中,我们可以使用计算矩阵来执行物体的旋转、平移和缩放等操作。
在图像处理中,我们可以使用计算矩阵来对图像进行扭曲、映射和变换等操作。
此外,计算矩阵还可以用于计算光照模型和阴影效果,以及计算物体的动态效果。
线性代数在数学建模中的应用举例

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基因的相对频率问题 一个群体与另一群体的接近程度如何?换句话说,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ki ki f x =.由于对这四种群体的每一种有141=∑=i ki f ,所以我们得到∑==4121i kix .这意味着下列四个向量的每个都是单位向量.记.44434241,34333231,24232221,141312114321⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=x x x x a x x x x a x x x x a x x x x a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”似乎是合理的.如果我们把a 1和a 2之间的夹角记为θ,则由于| a 1|=| a 2|=1,再由内只公式,得21cos a a ⋅=θ而.8307.03464.02943.03216.0,8228.01778.00000.05398.021⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=a a 故 9187.0cos 21=⋅=a a θ 得 2.23=θ°. 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”是班图人和英国人之间的“距离”,而爱斯基摩人和班图人之间的基因“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)和(a 3,b 3,c 3),并设四面体O-ABC 的六条棱长分别为.,,,,,r q p n m l 由立体几何知道,该四面体的体积V 等于以向量→→→OC OB OA ,,组成右手系时,以它们为棱的平行六面体的体积V 6的16.而)(.3332221116c b a c b a c b a OC OB OA V =⋅⨯= 于是得 .6333222111c b a c b a c b a V = 将上式平方,得.362323233232323231313232322222221212131313121212121212133322211133322211122c b a c c b b a a c c b b a a c c b b a a c b a c c b b a a c c b b a a c c b b a a cb ac b a c b a c b a c b a c b a c b a V ++++++++++++++++++=⋅=根据向量的数量积的坐标表示,有.,,,,232323323232222222313131212121212121c b a OC OC c c b b a a OC OB c b a OB OB c c b b a a OC OA c c b b a a OB OA c b a OA OA ++=⋅++=⋅++=⋅++=⋅++=⋅++=⋅ 于是362OC OC OB OC OB OBOB OBOA OB OA OAV ⋅⋅⋅= (2.1)由余弦定理,可行.2cos 222n q p q p OB OA -+=⋅⋅=⋅θ同理.2,2222222l r q OC OB m r p OC OA -+=⋅-+=⋅将以上各式代入(2.1)式,得.222222362222222222222222222222r l r p m r p l r p p n q p m r p n q p pV -+-+-+-+-+-+=(2.2)这就是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.952222,462222,5.1102222=-+=-+=-+l r p m r p n q p代入(2.1)式,得.75.13698291219546951695.110465.110196236==V 于是.)195(82639.38050223m V ≈≈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,第二组和第三组的繁殖率分别为4和3.第一年龄和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12 和14 .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)(k i x 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).因为某一时间周期第二年龄组和第三年龄组动物的数量是由上一时间周期上一年龄组存活下来动物的数量,所以有).3,2,1(41,21)1(2)(3)1(1)(2===--k x x x x k k k k又因为某一时间周期,第一年龄组动物的数量是由于一时间周期各年龄组出生的动物的数量,所以有).3,2,1(34)1(3)1(2)(1=+=--k x x x k k k于是我们得到递推关系式:⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧==+=----.41,21,34)1(2)(3)1(1213)1(2)(1k k k k k k k x x x x x x x 用矩阵表示).3,2,1(0410021340)1(3)1(2)1(1)(3)(2)(1=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡---k x x x x x x k k k k k k则).3,2,1()1()(==-k Lx x k k其中.100010001000,04100021340)0(⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=x L 则有),3,2,1()(3)(2)(1)(=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=k x x x x k k k k,250500700010001000100004100021340)0()1(⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡==Lx x,12535002750250500700004100021340)1()2(⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡==Lx x .8751375143751253500275004100021340)2()3(⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡==Lx x 结果分析 15年后,农场饲养的动物总数将达到16625头,其中0~5岁的有14375头,占86.47%,6~10岁的有1375头,占8.27%,11~15岁的有875头,占 5.226%.15年间,动物总增长16625-3000=13625头,总增长率为13625/3000=454.16%.注 要知道很多年以后的情况,可通过研究式)0()1()(x L Lx x k k k ==-中当趋于无穷大时的极限状况得到.关于年龄分布的人口预测模型 我们将人口按相同的年限(比如5年)分成若干年龄组,同时假设各年龄段的田、女人口分布相同,这样就可以通过只考虑女性人口来简化模型.人口发展随时间变化,一个时间周期的幅度使之对应于基本年龄组间距(如先例的5年),令)(k i x 是在时间周期k 时第i 个年龄组的(女性)人口,i =1,2,…,n .用1表示最低年龄组,用n 表示最高年龄组,这意味着不考虑更大年龄组人口的变化.假如排除死亡的情形,则在一个周期内第i 个年龄组的成员将全部转移到i +1个年龄组.但是,实际上必须考虑到死亡率,因此这一转移过程可由一存活系数所衰减. 于是,这一转移过程可由下述议程简单地描述:),1,,2,1()1()(1-==-+n i x b x k ii k i其中i b 是在第i 个年龄组在一个周期的存活率,因子i b 可由统计资料确定.惟一不能由上述议程确定的年龄组是,)(1k x 其中的成员是在后面的周期内出生的,他们是后面的周期内成员的后代,因此这个年龄组的成员取决于后面的周期内各组的出生率及其人数.于是有方程,)1(122)1(11)(1---+++=k n n k k k x a x a x a x (3.1)这里),,2,1(n i a i =是第i 个年龄组的出生率,它是由每时间周期内,第i 个年龄组的每一个成员的女性后代的人数来表示的,通常可由统计资料来确定.于是我们得到了单性别分组的人口模型,用矩阵表示便是,00000000000)1()1(3)1(2)1(11211321)()(3)(2)(1⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡------k n k k k n n n k n k k k x x x x b b b a a a a a x x x x 或者简写成.)1()(-=k k Lx x (3.2)矩阵⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡--000000000001211321n n n b b b a a a a a L称为Leslie 矩阵.由(3.2)式递推可得)0()1()(x L Lx x k k k ==-这就是Leslie 模型.4 企业投入产生分析模型问题 某地区有三个重要产业,一个煤矿、一个发电厂和一条地方铁路.开采一元钱的煤,煤矿要支付0.25元的电费及0.25元的运输费.生产一元钱的电力,发电厂要支付0.65元的煤费,0.05元的电费及0.05元的运输费.创收一元钱的运输费,铁路要支付0.55元的煤费及0.10元的电费.在某一周内,煤矿接到外地金额为50000元的定货,发电厂接到外地金额为25000元的定货,外界对地方铁路没有需求.问三个企业在这一周内总产值多少才能满足自身及外界的需求?数学模型 设x 1为煤矿本周内的总产值,x 2为电厂本周的总产值,x 3为铁路本周内的总产值,则⎪⎩⎪⎨⎧=⨯++-=++-=++⨯-,0)005.025.0(,25000)10.005.025.0(,50000)55.065.00(321332123211x x x x x x x x x x x x (4.1) 即.02500050000005.025.010.005.025.055.065.00321321⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡x x x x x x 即.025********,005.025.010.005.025.055.065.00,321⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=Y A x x x X 矩阵A 称为直接消耗矩阵,X 称为产出向量,Y 称为需求向量,则方程组(4.1)为,Y AX X =-即Y X A E =-)(, (4.2)其中矩阵E 为单位矩阵,(E-A )称为列昂杰夫矩阵,列昂杰夫矩阵为非奇异矩阵.投入产出分析表 设,00000,)(3211⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=--=-x x x A C E A E B D=(1,1,1)C.矩阵B 称为完全消耗矩阵,它与矩阵A 一起在各个部门之间的投入产生中起平衡作用.矩阵C 可以称为投入产出矩阵,它的元素表示煤矿、电厂、铁路之间的投入产出关系.向量D 称为总投入向量,它的元素是矩阵C 的对应列元素之和,分别表示煤矿、电厂、铁路得到的总投入.由矩阵C ,向量Y ,X 和D ,可得投入产出分析表4.1.表4.1 投入产出分析表 单位:元 煤矿电厂铁路外界需求总产出煤矿 11c 12c 13c 1y 1x电厂 21c 22c 23c 2y 2x 铁路 31c32c33c 3y3x总投入1d 2d 3d计算求解 按(4.2)式解方程组可得产出向量X ,于是可计算矩阵C 和向量D ,计算结果如表4.2.表4.2 投入产出计算结果 单位:元 煤矿 电厂 铁路 外界需求 总产出 煤矿 0 36505.96 15581.51 50000 102087.48 电厂 25521.87 2808.15 2833.00 25000 56163.02 铁路 25521.87 2808.15 0 0 28330.02总投入51043.7442122.2718414.525 交通流量的计算模型问题 图5.1给出了某城市部分单行街道的交通流量(每小时过车数).假设:(1)全部流入网络的流量等于全部流出网络的流量;(2)全部流入一个节点的流量等于全部流出此节点的流量.试建立数学模型确定该交通网络未知部分的具体流量.建模与计算 由网络流量假设,所给问题满足如下线方程组:234457612157891091083630050020080080010004002006001000x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x -+=⎧⎪+=⎪⎪-=⎪+=⎪⎪+=⎪⎨+=⎪⎪=⎪-=⎪⎪=⎪++=⎪⎩ 系数矩阵为11100000000011000000000011000110000000010001000000000001100000000001000000000110000000001010010100A -⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥-⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥-⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦ 增广矩阵阶梯形最简形式为1000100000800010010000000010000000200000110000050000000101008000000001100100000000000104000000000001600000000000000000000000B ⎡⎤⎢⎥-⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦其对应的齐次方程组为1525345687891000000000x x x x x x x x x x x x x +=⎧⎪-=⎪⎪=⎪+=⎪⎨+=⎪⎪+=⎪=⎪⎪=⎩取(x 5,x 8)为自由取值未知量,分别赋两组值为(1,0),(0,1),得齐次方程组基础解系中两个解向量()11,1,0,1,1,0,0,0,0,0,'η=--()20,0,0,0,0,1,1,1,0,0'η=--其对应的非齐次方程组为1525345687891080002005008001000400600x x x x x x x x x x x x x +=⎧⎪-=⎪⎪=⎪+=⎪⎨+=⎪⎪+=⎪=⎪⎪=⎩赋值给自由未知量(x 5,x 8)为(0,0)得非齐次方程组的特解()800,0,200,500,0,800,1000,0,400,600'x *=于是方程组的通解,*2211x k k x ++=ηη其中k 1,k 2为任意常数,x 的每一个分量即为交通网络未知部分的具体流量,它有无穷多解.6 小行星的轨道模型问题 一天文学家要确定一颗小行星绕太阳运行的轨道,他在轨道平面内建立以太阳为原点的直角坐标系,在两坐标轴上取天文测量单位(一天文单位为地球到太阳的平均距离:1.4959787×1011m ).在5个不同的时间对小行星作了5次观察,测得轨道上5个点的坐标数据如表6.1.表6.1 坐标数据由Kepler (开普勒)第一定律知,小行星轨道为一椭圆.现需要建立椭圆的方程以供研究(注:椭圆的一般方程可表示为012225423221=+++++y a x a y a xy a x a .问题分析与建立模型 天文学家确定小行星运动的轨道时,他的依据是轨道上五个点的坐标数据:(x 1, y 1), (x 2, y 2), (x 3, y 3), (x 4, y 4), (x 5, y 5).由Kepler 第一定律知,小行星轨道为一椭圆.而椭圆属于二次曲线,二次曲线的一般方程为012225423221=+++++y a x a y a xy a x a .为了确定方程中的五个待定系数,将五个点的坐标分别代入上面的方程,得2211211314151221222232425222132333343532214244344454221525535455522212221222122212221a x a x y a y a x a y a x a x y a y a x a y a x a x y a y a x a y a x a x y a y a x a y a x a x y a y a x a y ⎧++++=-⎪++++=-⎪⎪++++=-⎨⎪++++=-⎪⎪++++=-⎩这是一个包含五个未知数的线性方程组,写成矩阵⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡-----=⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡11111222222222222222543215525552544244424332333232222222211211121a a a a a y x y y x x y x y y x x y x y y x x y x y y x x y x y y x x 求解这一线性方程组,所得的是一个二次曲线方程.为了知道小行星轨道的一些参数,还必须将二次曲线方程化为椭圆的标准方程形式:12222=+bY a X 由于太阳的位置是小行星轨道的一个焦点,这时可以根据椭圆的长半轴a 和短半轴b 计算出小行星的近日点和远日点距离,以及椭圆周长L .根据二次曲线理论,可得椭圆经过旋转和平移两种变换后的方程如下:[]22120D X Y C λλ++=所以,椭圆长半轴:C D a 1λ=;椭圆短半轴: CDb 2λ=;椭圆半焦矩:22b ac -=.计算求解 首先由五个点的坐标数据形成线性方程组的系数矩阵⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=7200.69600.142896.112656.509504.550520.53360.143807.62127.363802.516460.35180.133233.36433.246841.454040.25720.124448.11115.155138.39292.1528.114199.04701.72237.33A使用计算机可求得12345(,,,,)(0.6143,0.3440,0.6942, 1.6351,0.2165)a a a a a =---从而⎪⎪⎭⎫⎝⎛--=⎥⎦⎤⎢⎣⎡=6942.03440.03440.06143.03221a a a a C C C ,3081.0=的特征值120.3080, 1.0005λλ==123235450.61430.3440 1.63510.34400.69420.21651 1.63510.21651a a a D a a a a a ---⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥==--⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥--⎣⎦⎣⎦.8203.1-=D于是,椭圆长半轴a=19.1834,短半轴b=5.9045,半焦距c=18.2521.小行星近日点距和远日点距为039313,37.4355h a c H a c =-==+=最后,椭圆的周长的准确计算要用到椭圆积分,可以考虑用数值积分解决问题,其近似值为84.7887.7 人口迁移的动态分析问题 对城乡人口流动作年度调查,发现有一个稳定的朝向城镇流动的趋势:每年农村居民的2.5%移居城镇,而城镇居民的1%迁出.现在总人口的60%位于城镇.假如城乡总人口保持不变,并且人口流动的这种趋势继续下去,则一年以后住在城镇人口所占比例是多少两年以后呢十年以后呢最终呢解 设开始时,令乡村人口为,0y 城镇人口为,0z 一年以后有乡村人口,10011000975100y z y =+ 城镇人口 ,10099100025100z z y =+或写成矩阵形式⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡00111009910002510011000975z y z y . 两年以后,有.100991000251001100097510099100025100110009750021122⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡z y z y z y . 十年以后,有.100991000251001100097500101010⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡z y z y 事实上,它给出了一个差分方程:k k Au u =+1.我们现在来解这个差分方程.首先,1009910002510011000975⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=Ak 年之后的分布(将A 对角化):.75757275100200193115210000⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡z y z y A z y k k k k 这就是我们所要的解,而且容易看出经过很长一个时期以后这个解会达到一个极限状态.7572)(00⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡∞∞z y z y 总人口仍是00z y +,与开始时一样,但在此极限中人口的75在城镇,而72在乡村.无论初始分布是什么样,这总是成立的.值得注意这个稳定状态正是A 的属于特征值1的特征向量.上述例子有一些很好的性质:人口总数保持不变,而且乡村和城镇的人口数决不能为负.前一性质反映在下面事实中:矩阵每一列加起来为1;每个人都被计算在内,而没有人被重复或丢失.后一性质则反映在下面事实中:矩阵没有负元素;同样地0y 和0z 也是非负的,从而1y 和21,y z 和2z 等等也是这样.8 常染色体遗传模型为了揭示生命的奥秘,遗传学的研究已引起了人们的广泛兴趣.动植物在产生下一代的过程中,总是将自己的特征遗传给下一代,从而完成一种“生命的延续”.在常染色体遗传中,后代从每个亲体的基因对中各继承一个基因,形成自己的基因对.人类眼睛颜色即是通过常染色体控制的,其特征遗传由两个基因A 和a 控制.基因对是AA 和Aa 的人,眼睛是棕色,基因对是aa 的人,眼睛为蓝色.由于AA 和Aa 都表示了同一外部特征,或认为基因A 支配a ,也可认为基因a 对于基因A 来说是隐性的(或称A 为显性基因,a 为隐性基因).下面我们选取一个常染色体遗传——植物后代问题进行讨论.某植物园中植物的基因型为AA ,Aa ,aa .人们计划用AA 型植物与每种基因型植物相结合的方案培育植物后代.经过若干年后,这种植物后代的三种基因型分布将出现什么情形我们假设),2,2,0(,, =n c b a n n n 分别代表第n 代植物中,基因型为AA ,Aa 和aa 的植物占植物总数的百分率,令),,()('=n n n n c b a x为第n 代植物的基因分布, ),,(000)0('=c b a x 表示植物基因型的初始分布,显然,我们有.1000=++c b a (8.1)先考虑第n 代中的AA 型,第1-n 代AA 型与AA 型相结合,后代全部是AA 型;第1-n 代的Aa 型与和与AA 相结合,后代是AA 型的可能性为21;1-n 代的aa 型与AA 型相结合,后代不可能是AA 型。
线性代数在数学建模中的应用

线性代数在数学建模中的应用作者:杨德山来源:《新教育时代·教师版》2016年第12期摘要:线性代数作为数学的一个重要分支,具有较强的逻辑性、抽象性和实用性。
数学建模是对实际问题进行分析,利用数学知识和方法建立数学模型,对模型求解并用于实际问题的处理。
数学建模是联系数学和实际问题的重要纽带。
本文主要是通过一个实例讨论一个线性代数在数学建模的的实际应用问题-交通流量问题。
关键词:线性代数;数学建模;应用一、问题提出下图给出了某城市部分单行街道的交通流量(每小时过车数):二、问题解决(一)假设1.全部流入网络的流量等于全部流出网络的流量;2.全部流入一个节点的流量等于全部流出此节点的流量,试建立数学模型确定该交通网络未知部分的具体流量。
(二)建模与计算由网络流量假设,所给问题满足如下线方程组:于是方程组的通解x=knη1+k2η2+x,其中k1,k2为任意常数,x的每一个分量即为交通网络未知部分的具体流量,它有无穷多解。
三、结论以上实例只是运用了线性代数中求解线性方程组的方法,可以想象,更多精深的数学方法应用在经济研究领域中将会对经济发展起到多么大的推动作用。
总之,如果问题所涉及的数据是以表格形式出现的或者问题可以转化为线性方程组进行求解的,这些提供的数据常常可以用上述简化的矩形式表来表示,应用代数知识解决实际问题的能力。
参考文献:[1]白梅花.交通流量分析中的线性代数[J].科技资讯,2014.26.[2]张莹华.线性代数机器在经济领域中的应用与作用[J].黑龙江科技信息,2011.30.[3]杨庆.线性代数在数学建模中的一些应用[J].科技资讯,2012.8.。
数学建模案例分析线性代数模型

父体-母体的基因对
AA-AA Aa-Aa aa-aa
后 AA 1
1/4
0
代
基 Aa 0
1/2
0
因
对 aa 0
1/4
1
在极限状态 下,后代仅 具有基因型 AA和aa。
2020/5/10
数学建模
常染色体的隐性疾病
遗传疾病是常染色体的基因缺陷由父母代传 给子代的疾病。
2020/5/10
数学建模
常染色体遗传的正常基因记为A,不正常基因 记为a,并以AA、Aa 和 aa 分别表示正常人, 隐性患者和显性患者的基因型。若在开始的 一代人口中AA、Aa 和 aa 基因型的人所占百 分比为a0,b0,c0,讨论在下列两种情况下第 n代的基因型分布。
2020/5/10
数学建模
Durer 魔方
德国著名的艺术家 Albrecht Durer (1471--1521) 于1514年曾铸造了一枚名为“Melen cotia I”的铜币。 令人奇怪的是在这枚铜币的画面上充满了数学符 号、数学数字和几何图形。这里我们仅研究铜币 右上角的数字问题。
2020/5/10
0000
N1
1 -1
0 0
0 0
-1 1
0000
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0 1 0 -1
1 0 -1 0
N2 -1 0 0 1
0 -1 1 0
数学建模
0100
1000
N3 0 0 0 1
0010
(5)对数字没有任何要求的数字方 16维空间M
空间 0 G B D Q W M
维数 0 1 5 7 8 10 16
0010 0100
2020/5/10
线性代数建模案例

有下面的线性方程组
5 x1 + 4 x2 + 7 x3 + 10 x4 = 100 20 x1 + 25 x2 + 10 x3 + 5 x4 = 200 2 x + 2 x + 10 x + 6 x = 50 2 3 4
15
【模型求解】
• 对该 线 性方 程 组的增 广矩阵 进行初 等行变 换 ,
1 2 1 r2 × 5 r1 ↔ r3 r3 ×
使之变为行阶梯型矩阵。
5 4 7 10 100 4 → 20 25 10 5 200 5 2 2 10 6 50
r2 − r1 × 4 r3 − r1 ×5
1 1 5 5 2
25 40 4 7 10 100 3 1
200m比赛后各个队的得分与奖金表为
9 5 6 A100 B + A200 B = 8 7 1 120 8 120 17 240 70 8 110 13 180 100 7 90 13 190 + = 110 4 60 12 170 90 9 120 16 210 0 0 1 10 10
电厂 36505.96 2808.15 2808.15 42122.27
案例3 案例3 最佳食谱
• 一个兽医推荐狗的每天食谱中应该包含100个单位的 蛋白质,200个单位的卡路里,50个单位的脂肪。一个商 店的宠物食物部有四钟食品A,B,C,D。每1kg的这四种食品 所包含的蛋白质、卡路里和脂肪的量(单位)如下。
4
200m成绩对应的矩阵为
A200
线性代数在数学建模中的应用

线性代数在数学建模中的应用线性代数是一门研究向量空间及其上的线性变换的数学学科。
在数学建模中,线性代数是一门重要的应用数学学科之一。
可以说,线性代数在数学建模中的应用是非常广泛的。
一、线性代数在矩阵计算中的应用在数学建模中矩阵计算是一个重要的应用领域。
矩阵计算中的线性代数运算尤为关键。
通过矩阵计算,我们可以进行线性变换。
例如,在机器学习中,我们可以对图像进行矩阵变换,从而实现对图像的分类和识别。
二、线性代数在图形学中的应用图形学是一门研究计算机图像和多媒体图像处理的学科。
在图形学中,矩阵和向量的运算是关键所在。
例如,在三维图像中,我们可以通过矩阵运算来表示三维空间中的向量,从而进行图形变换。
图形学在现代的娱乐产业、计算机游戏和虚拟现实等领域中得到了广泛的应用。
三、线性代数在金融学中的应用线性代数在金融学中的应用不可忽视。
在金融学中,线性代数可以用来建立金融模型。
例如,在经济学中,我们可以使用线性代数中的矩阵运算来对资产组合进行优化。
通过矩阵运算,我们可以通过协方差矩阵来计算风险和收益性。
这对于分析金融市场和制定投资策略非常重要。
四、线性代数在物理学中的应用在物理学中,线性代数也是一门非常重要的学科。
例如,在量子力学中,矩阵运算是非常核心的。
在计算机模拟中,我们可以使用线性代数的矩阵运算来模拟物理现象。
例如,在计算机游戏中,我们可以使用物理引擎来模拟现实世界中的物理效应,并且可以使用矩阵运算来实现。
总之,线性代数在数学建模中的应用是非常广泛的。
矩阵运算、图形学、金融学和物理学等领域都可以使用到线性代数。
因此,对于想从事这些领域的人来说,学好线性代数是非常必要的。
线性代数在数学建模中的一些应用

随着社会的发展,数学在社会各领域中的应用越来越广泛,作用越来越大。
不但运用到自然科学各学科、各领域,而且渗透到经济、军事、管理以至于社会科学和社会活动的各领域。
不论是用数学方法解决哪类实际问题,还是与其他学科相结合形成交叉学科,首要的和关键的一步是将研究对象的内在规律用数学的语言和方法表述出来,即建立所谓的数学模型,还要将求解得到的结果返回到实际问题中去,这种解决问题的全过程称为数学建模[1]。
建立数学模型是一个比较复杂的过程,该过程可归纳为以下步棸[2]。
(1)对某个实际问题进行观察、分析。
(2)对实际问题进行必要的抽象、简化,作出合理的假设。
(3)确定要建立的模型中的变量和参数。
(4)根据某种规律,建立变量和参数间确定的数学关系,这是最关键的一步。
(5)解析或近似地求解该数学问题,这里要用到很多数学理论和方法。
(6)数学结果能否展示、解释甚至预测实际问题中出现的现象,或用某种方法来验证结果是否正确。
(7)如果(6)的结果是肯定的,则可用于指导实践;如果是否定的,则要回到前面六步重新进行分析,并重复上述建模过程。
作为数学科学的重要分支,线性代数是以矩阵、线性空间结构及线性变换为基本研究对象,其核心是研究线性代数方程组解的情况以及如何更快地求解线性方程组、线性空间结构及线性变换。
线性代数虽然是一门理论性很强的学科,但是它与实际问题也有着十分密切联系。
线性代数中的基本定义都是从实际问题中抽象和概括得到的,因此通过实际问题的求解来理解线性代数中的定义会更有趣更深刻。
例如:在理解行列式的定义时,可以模拟法国数学家Cauchy求解空间多面体模型体积的过程,从平行四边形面积和空间六面体体积出发,得到2阶和3阶行列式的基本公式;再者,在理解矩阵概念时,可以先了解诺贝尔经济学奖获得者美国数学家和经济学家Leontief的投入产出模型。
因此,线性代数的研究脱离不开实际问题。
事实上,线性代数的知识方法和研究结果也可广泛应用于实际问题的解决。
【精品】线性代数的应用案例

【精品】线性代数的应用案例
线性代数是数学中研究线性方程和线性变换的一个分支,它的发展极其广泛,应用场
景也非常多,各行各业的许多领域都应用了线性代数的方法。
在工业自动控制领域,线性代数可以用于研究影响工厂设备运行效率的各种参数,比
如温度、湿度等。
通过对矩阵的处理,可以发现某些参数对效率的影响,从而更好地进行
设备的智能优化。
在智能机器人领域,线性代数也可以用于智能机器人的机器人运动控制。
机器人运动
是机器人系统最基本的要素之一,需要依赖多维刚体线性变换理论来实现。
利用矩阵的运算,可以根据机器人的实时情况来计算转换后的坐标,实现机器人的姿态控制和运动控制。
在控制论领域,线性代数也可以用于研究和分析系统性能及稳定性。
可以利用矩阵等
数学工具来分析复杂的系统性能,并得出正确的结论。
此外,线性代数也可以用于数据
挖掘。
利用数学知识和矩阵运算,可以快速筛选大量数据,挖掘出具有学习价值的模型,
从而在机器学习等方面发挥重要作用。
此外,线性代数也应用于市场营销领域。
商家或企业可以利用矩阵运算,根据业绩和
消费者的口碑,筛选出最有竞争力的产品,决定最合理的营销策略,从而将营销成功率提
升到最高水平。
以上就是线性代数的应用案例,可见它的使用范围不仅仅是数学和计算机领域,已经
渗透到多方经济文化活动中,为各行各业提供了应用方法,现代社会发展得到了极大促进。
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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基因的相对频率问题 一个群体与另一群体的接近程度如何?换句话说,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ki ki f x =.由于对这四种群体的每一种有141=∑=i ki f ,所以我们得到∑==4121i kix .这意味着下列四个向量的每个都是单位向量.记.444342414,343332313,242322212,141312111⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=x x x x a x x x x a x x x x a x x x x a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”似乎是合理的.如果我们把a 1和a 2之间的夹角记为θ,那么由于| a 1|=| a 2|=1,再由内积公式1212cos a a a a θ⋅=,得 21cos a a ⋅=θ而120.53980.32160.00000.2943,.0.17780.34640.82280.8307a a ⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥==⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦故 9187.0cos 21=⋅=a a θ 得 2.23=θ°. 按同样的方式,我们可以得到表1.2.表1.2基因间的“距离”由表1.2可见,最小的基因“距离”是班图人和英国人之间的“距离”,而爱斯基摩人和班图人之间的基因“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)和(a 3,b 3,c 3),并设四面体O-ABC 的六条棱长分别为.,,,,,r q p n m l 由立体几何知道,该四面体的体积V 等于以向量→→→OC OB OA ,,组成右手系时,以它们为棱的平行六面体的体积V 6的16.而)(.3332221116c b a c b a c b a OC OB OA V =⋅⨯= 于是得 .6333222111c b a c b a c b a V = 将上式平方,得.362323233232323231313232322222221212131313121212121212133322211133322211122c b a c c b b a a c c b b a a c c b b a a c b a c c b b a a c c b b a a c c b b a a c b a c b a c b a c b a c b a c b a c b a V ++++++++++++++++++=⋅=)AB A B =(行列式的性质根据向量的数量积的坐标表示,有.,,,,232323323232222222313131212121212121c b a OC OC c c b b a a OC OB c b a OB OB c c b b a a OC OA c c b b a a OB OA c b a OA OA ++=⋅++=⋅++=⋅++=⋅++=⋅++=⋅ 于是362OC OC OB OC OB OBOB OBOA OB OA OAV ⋅⋅⋅= (2.1)由余弦定理,可行.2cos 222n q p q p OB OA -+=⋅⋅=⋅θ222(cos )2p q n pqθ+-=同理.2,2222222l r q OC OB m r p OC OA -+=⋅-+=⋅将以上各式代入(2.1)式,得.222222362222222222222222222222r l r p m r p l r p p n q p m r p n q p pV -+-+-+-+-+-+=(2.2)这就是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222222222110.5,46,95.222p q n p r m p r l +-+-+-===代入(2.1)式,得2196110.54636110.5169951369829.75.4695121V==于是23238050.82639(195).V m≈≈即花岗岩巨石的体积约为195m3.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,第二组和第三组的繁殖率分别为4和3.第一年龄和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12和14.假设农场现有三个年龄段的动物各1000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)(kix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).因为某一时间周期第二年龄组和第三年龄组动物的数量是由上一时间周期上一年龄组存活下来动物的数量,所以有).3,2,1(41,21)1(2)(3)1(1)(2===--k x x x x k k k k又因为某一时间周期,第一年龄组动物的数量是由于一时间周期各年龄组出生的动物的数量,所以有).3,2,1(34)1(3)1(2)(1=+=--k x x x k k k于是我们得到递推关系式:()(1)(1)123()(1)21()(1)3243,1,21.4k k k k k k k x x x x x x x ----⎧=+⎪⎪⎪=⎨⎪⎪=⎪⎩ 用矩阵表示).3,2,1(0410021340)1(3)1(2)1(1)(3)(2)(1=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡---k x x x x x xk k k k k k则).3,2,1()1()(==-k Lx x k k其中.100010001000,04100021340)0(⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=x L 则有),3,2,1()(3)(2)(1)(=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=k x x x x k k k k,250500700010001000100004100021340)0()1(⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡==Lx x,12535002750250500700004100021340)1()2(⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡==Lx x .8751375143751253500275004100021340)2()3(⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡==Lx x (3)3(0)x L x = ()(0)n n x L x =结果分析 15年后,农场饲养的动物总数将达到16625头,其中0~5岁的有14375头,占86.47%,6~10岁的有1375头,占8.27%,11~15岁的有875头,占 5.226%.15年间,动物总增长16625-3000=13625头,总增长率为13625/3000=454.16%.注 要知道很多年以后的情况,可通过研究式)0()1()(x L Lx x k k k ==-中当趋于无穷大时的极限状况得到.关于年龄分布的人口预测模型 我们将人口按相同的年限(比如5年)分成若干年龄组,同时假设各年龄段的男、女人口分布相同,这样就可以通过只考虑女性人口来简化模型.人口发展随时间变化,一个时间周期的幅度使之对应于基本年龄组间距(如先例的5年),令)(k i x 是在时间周期k 时第i 个年龄组的(女性)人口,i =1,2,…,n .用1表示最低年龄组,用n 表示最高年龄组,这意味着不考虑更大年龄组人口的变化.假如排除死亡的情形,那么在一个周期内第i 个年龄组的成员将全部转移到i +1个年龄组.但是,实际上必须考虑到死亡率,因此这一转移过程可由一存活系数所衰减. 于是,这一转移过程可由下述议程简单地描述:),1,,2,1()1()(1-==-+n i x b x k ii k i其中i b 是在第i 个年龄组在一个周期的存活率,因子i b 可由统计资料确定.惟一不能由上述议程确定的年龄组是,)(1k x 其中的成员是在后面的周期内出生的,他们是后面的周期内成员的后代,因此这个年龄组的成员取决于后面的周期内各组的出生率及其人数.于是有方程,)1(122)1(11)(1---+++=k n n k k k x a x a x a x (3.1)这里),,2,1(n i a i =是第i 个年龄组的出生率,它是由每时间周期内,第i 个年龄组的每一个成员的女性后代的人数来表示的,通常可由统计资料来确定.于是我们得到了单性别分组的人口模型,用矩阵表示便是,000000000000)1()1(3)1(2)1(11211321)()(3)(2)(1⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡------k n k k k n n n k n k k k x x x x b b b a a a a a x x x x 或者简写成.)1()(-=k k Lx x (3.2)矩阵⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡--000000000001211321n n n b b b a a a a a L称为Leslie 矩阵.由(3.2)式递推可得)0()1()(x L Lx x k k k ==-这就是Leslie 模型.4 企业投入产生分析模型问题 某地区有三个重要产业,一个煤矿、一个发电厂和一条地方铁路. 开采一元钱的煤,煤矿要支付0.25元的电费及0.25元的运输费.生产一元钱的电力,发电厂要支付0.65元的煤费,0.05元的电费及0.05元的运输费.创收一元钱的运输费,铁路要支付0.55元的煤费及0.10元的电费.在某一周内,煤矿接到外地金额为50000元的定货,发电厂接到外地金额为25000元的定货,外界对地方铁路没有需求.问三个企业在这一周内总产值多少才能满足自身及外界的需求?数学模型 设x 1为煤矿本周内的总产值,x 2为电厂本周的总产值,x 3为铁路本周内的总产值,则⎪⎩⎪⎨⎧=⨯++-=++-=++⨯-,0)005.025.0(,25000)10.005.025.0(,50000)55.065.00(321332123211x x x x x x x x x x x x (4.1) 即.02500050000005.025.010.005.025.055.065.00321321⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡x x x x x x 即12300.650.5550000,0.250.050.10,25000.0.250.0500x X x A Y x ⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥===⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦矩阵A 称为直接消耗矩阵,X 称为产出向量,Y 称为需求向量,则方程组(4.1)为,Y AX X =-即Y X A E =-)(, (4.2)其中矩阵E 为单位矩阵,(E-A )称为列昂杰夫矩阵,列昂杰夫矩阵为非奇异矩阵.投入产出分析表设,00000,)(3211⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=--=-x x x A C E A E B D=(1,1,1)C. 矩阵B 称为完全消耗矩阵,它与矩阵A 一起在各个部门之间的投入产生中起平衡作用.11()[()]X Y E A Y Y E A E Y BY ---=--=--=矩阵C 可以称为投入产出矩阵,它的元素表示煤矿、电厂、铁路之间的投入产出关系.11232212333120000.650.550000.650.55000.250.050.10000.250.050.1000.250.05000.250.050x x x x C A x x x x x x x x x ⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥===⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦D=(1,1,1)C=231231200.650.55(111)0.250.050.100.250.050x x x x x x x ⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦向量D 称为总投入向量,它的元素是矩阵C 的对应列元素之和,分别表示煤矿、电厂、铁路得到的总投入.由矩阵C ,向量Y ,X 和D ,可得投入产出分析表4.1.表4.1 投入产出分析表 单位:元 煤矿电厂铁路外界需求总产出煤矿 11c 12c 13c1y 1x电厂 21c 22c 23c 2y 2x 铁路 31c32c33c 3y3x总投入1d 2d 3d计算求解 按(4.2)式解方程组可得产出向量X ,于是可计算矩阵C 和向量D ,计算结果如表4.2.表4.2 投入产出计算结果单位:元煤矿电厂铁路外界需求总产出煤矿0 36505.96 15581.51 50000 102087.48 电厂25521.87 2808.15 2833.00 25000 56163.02 铁路25521.87 2808.15 0 0 28330.02 总投入51043.74 42122.27 18414.525 交通流量的计算模型问题图5.1给出了某城市部分单行街道的交通流量(每小时过车数).假设:(1)全部流入网络的流量等于全部流出网络的流量;(2)全部流入一个节点的流量等于全部流出此节点的流量.试建立数学模型确定该交通网络未知部分的具体流量.建模与计算由网络流量假设,所给问题满足如下线方程组:⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧=++==-==+=+=+=-=+=+-.1000,600,200,400,1000,800,800,200,500,3006381091098751216754432x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x 系数矩阵为.0010101100000000011000000000100000000001100000000000100010000000011000110000000000110000000001110⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡---=A 增广矩阵阶梯形最简形式为.0000000000000000000006001000000000400010000000010000011000000800001010000050000000110002000000000100000000100108000000010001⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡-=B 其对应的齐次方程组为⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧===+=+=+==-=+.0,0,0,0,0,0,0,010987865435251x x x x x x x x x x x x x 取(x 5,x 8)为自由取值未知量,分别赋两组值为(1,0),(0,1),得齐次方程组基础解系中两个解向量(),',0,0,0,0,0,1,1,0,1,11--=η (),'0,0,1,1,1,0,0,0,0,02--=η其对应的非齐次方程组为⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧===+=+=+==-=+.600,400,1000,800,500,200,0,80010987865435251x x x x x x x x x x x x x 赋值给自由未知量(x 5,x 8)为(0,0)得非齐次方程组的特解()'.600,400,0,1000,800,0,500,200,0,800=*x于是方程组的通解,*2211x k k x ++=ηη其中k 1,k 2为任意常数,x 的每一个分量即为交通网络未知部分的具体流量,它有无穷多解.6 小行星的轨道模型问题 一天文学家要确定一颗小行星绕太阳运行的轨道,他在轨道平面内建立以太阳为原点的直角坐标系,在两坐标轴上取天文测量单位(一天文单位为地球到太阳的平均距离:1.4959787×1011m ).在5个不同的时间对小行星作了5次观察,测得轨道上5个点的坐标数据如表6.1.表6.1 坐标数据由Kepler (开普勒)第一定律知,小行星轨道为一椭圆.现需要建立椭圆的方程以供研究(注:椭圆的一般方程可表示为012225423221=+++++y a x a y a xy a x a .问题分析与建立模型 天文学家确定小行星运动的轨道时,他的依据是轨道上五个点的坐标数据:(x 1, y 1), (x 2, y 2), (x 3, y 3), (x 4, y 4), (x 5, y 5).由Kepler 第一定律知,小行星轨道为一椭圆.而椭圆属于二次曲线,二次曲线的一般方程为012225423221=+++++y a x a y a xy a x a .为了确定方程中的五个待定系数,将五个点的坐标分别代入上面的方程,得⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧-=++++-=++++-=++++-=++++-=++++.1222122212221222122255542535522514544243442241353423333223125242232222211514213112211y a x a y a y x a x a ,y a x a y a y x a x a ,y a x a y a y x a x a ,y a x a y a y x a x a ,y a x a y a y x a x a 这是一个包含五个未知数的线性方程组,写成矩阵⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡-----=⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡11111222222222222222543215525552544244424332333232222222211211121a a a a a y x y y x x y x y y x x y x y y x x y x y y x x y x y y x x 求解这一线性方程组,所得的是一个二次曲线方程.为了知道小行星轨道的一些参数,还必须将二次曲线方程012225423221=+++++y a x a y a xy a x a .化为椭圆的标准方程形式:12222=+b Y a X 由于太阳的位置是小行星轨道的一个焦点,这时可以根据椭圆的长半轴a 和短半轴b 计算出小行星的近日点和远日点距离,以及椭圆周长L .根据二次曲线理论,可得椭圆经过旋转和平移两种变换后的方程如下:22120.DX Y Cλλ++= 所以,椭圆长半轴:C D a 1λ=;椭圆短半轴: CDb 2λ=;椭圆半焦矩:22b ac -=.计算求解 首先由五个点的坐标数据形成线性方程组的系数矩阵⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=7200.69600.142896.112656.509504.550520.53360.143807.62127.363802.516460.35180.133233.36433.246841.454040.25720.124448.11115.155138.39292.1528.114199.04701.72237.33A使用计算机可求得).2165.0,6351.1,6942.0,3440.0,6143.0(),,,,(54321---=a a a a a从而⎪⎪⎭⎫⎝⎛--=⎥⎦⎤⎢⎣⎡=6942.03440.03440.06143.03221a a a a C C C ,3081.0=的特征值.0005.1,3080.021==λλ.12165.06351.12165.06942.03440.06351.13440.06143.0154532321⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-------=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=a a a a a a a a D .8203.1-=D于是,椭圆长半轴1834.19=a ,短半轴9045.5=b ,半焦距2521.18=c .小行星近日点距和远日点距为.4355.37,039313=+==-=c a H c a h 最后,椭圆的周长的准确计算要用到椭圆积分,可以考虑用数值积分解决问题,其近似 值为84.7887.人口迁移的动态分析问题 对城乡人口流动作年度调查,发现有一个稳定的朝向城镇流动的趋势:每年农村居民的2.5%移居城镇,而城镇居民的1%迁出.现在总人口的60%位于城镇.假如城乡总人口保持不变,并且人口流动的这种趋势继续下去,那么一年以后住在城镇人口所占比例是多少?两年以后呢?十年以后呢?最终呢?解 设开始时,令乡村人口为,0y 城镇人口为,0z 一年以后有乡村人口,10011000975100y z y =+ 城镇人口 ,10099100025100z z y =+或写成矩阵形式⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡00111009910002510011000975z y z y . 两年以后,有.100991000251001100097510099100025100110009750021122⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡z y z y z y . 十年以后,有.100991000251001100097500101010⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡z y z y 事实上,它给出了一个方程:k k Au u =+1.我们现在来解这个差分方程.首先,1009910002510011000975⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=Ak 年之后的分布(将A 对角化): 11(,)n n A P P A P P --=Λ=Λ则.75757275100200193115210000⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡z y z y A z y k k k k这就是我们所要的解,而且容易看出经过很长一个时期以后这个解会达到一个极限状态.7572)(00⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡∞∞z y z y 总人口仍是00z y +,与开始时一样,但在此极限中人口的75在城镇,而72在乡村.无论初始分布是什么样,这总是成立的.值得注意这个稳定状态正是A 的属于特征值1的特征向量.上述例子有一些很好的性质:人口总数保持不变,而且乡村和城镇的人口数决不能为负.前一性质反映在下面事实中:矩阵每一列加起来为1;每个人都被计算在内,而没有人被重复或丢失.后一性质则反映在下面事实中:矩阵没有负元素;同样地0y 和0z 也是非负的,从而1y 和21,y z 和2z 等等也是这样.8 常染色体遗传模型为了揭示生命的奥秘,遗传学的研究已引起了人们的广泛兴趣.动植物在产生下一代的过程中,总是将自己的特征遗传给下一代,从而完成一种“生命的延续”.在常染色体遗传中,后代从每个亲体的基因对中各继承一个基因,形成自己的基因对.人类眼睛颜色即是通过常染色体控制的,其特征遗传由两个基因A 和a 控制.基因对是AA 和Aa 的人,眼睛是棕色,基因对是aa 的人,眼睛为蓝色.由于AA 和Aa 都表示了同一外部特征,或认为基因A 支配a ,也可认为基因a 对于基因A 来说是隐性的(或称A 为显性基因,a 为隐性基因).下面我们选取一个常染色体遗传——植物后代问题进行讨论.某植物园中植物的基因型为AA ,Aa ,aa .人们计划用AA 型植物与每种基因型植物相结合的方案培育植物后代.经过若干年后,这种植物后代的三种基因型分布将出现什么情形?我们假设),2,2,0(,, =n c b a n n n 分别代表第n 代植物中,基因型为AA ,Aa 和aa 的植物占植物总数的百分率,令),,()('=n n n n c b a x为第n 代植物的基因分布, ),,(000)0('=c b a x 表示植物基因型的初始分布,显然,我们有.1000=++c b a (8.1)先考虑第n 代中的AA 型,第1-n 代AA 型与AA 型相结合,后代全部是AA 型;第1-n 代的Aa 型与AA 相结合,后代是AA 型的可能性为21;1-n 代的aa 型与AA 型相结合,后代不可能是AA 型。