微分方程建模的几个简单实例
微分方程建模案例
微分方程建模案例微分方程是数学中的一种重要工具，它被广泛应用于各个领域的建模和问题求解中。
下面将以一个具体的案例来介绍微分方程建模的过程，并通过求解微分方程来解决实际问题。
案例：生物种群的增长模型在生态学中，研究生物种群的增长是一个重要的课题。
种群的增长速度与种群中的个体数量有关。
如果种群中个体数量增加的速度与当前个体数量成正比，可以建立如下的微分方程模型：$$\frac{dN}{dt} = rN$$其中，$N$表示种群的个体数量，$t$表示时间，$r$表示增长的速率。
这个微分方程描述了种群个体数量随时间变化的规律。
解：首先，我们需要求解上述微分方程，得到种群个体数量随时间的函数关系。
这是一个一阶线性常微分方程，我们可以使用分离变量的方法求解。
将微分方程变形为：$$\frac{dN}{N} = rdt$$将方程两边同时积分，得到：$$\int \frac{dN}{N} = \int rdt$$经过积分运算，得到：$$\ln N = rt + C$$其中，$C$为积分常数。
进一步求解，得到：$$N = e^{rt + C}$$根据初始条件，当$t=0$时，$N=N_0$，其中$N_0$为初始种群个体数量。
代入初始条件，解得$C=\ln N_0$，将其代入上述方程，得到最终的解：$$N = N_0e^{rt}$$这个解描述了种群个体数量随时间的增长情况。
接下来，我们来解决一个具体的问题，一个兔子种群的增长情况。
假设初始时刻兔子种群中有100只兔子，增长速率$r=0.02$，那么该种群在未来的10个月内，兔子的数量会如何变化？根据上面的微分方程解，代入初始条件$N_0=100$，$r=0.02$，$t=10$，得到：$$N=100e^{0.02t}$$将$t=10$代入上述方程，可以得到10个月后兔子种群的个体数量：所以，10个月后的兔子种群中大约有122只兔子。
通过这个模型，我们可以预测种群在未来的增长情况，并在实践中应用于生态学、环境保护等领域，为实际问题的决策提供参考。
3.1微分方程模型-微分方程的几个简单实例
微分方程模型浙江大学数学建模实践基地§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mgsin θ，根据牛顿第二定律可得：sin ml mg θθ=- 从而得出两阶微分方程：0sin 0(0)0,(0)g l θθθθθ+==⎪=⎧⎪⎨⎩ （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 θ≈θ，此时，可考察（3.1）的近似线性方程：00(0)0,(0)g l θθθθθ+==⎧=⎪⎨⎪⎩ （3.2）由此即可得出2g T l π=（3.2）的解为: θ(t )=θ0cosωtg l ω=其中当时,θ(t )=04T t =42g T l π=故有M Q P mgθl 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 =r (θ)，见图3-2。
B AA1dr ds dθθ图3-2由题意，，故ds =2dr 2ds dr dt dt =图3-2可看出，222()()()ds dr rd θ=+故有:2223()()dr r d θ=即:3rdr d θ=（3.3）解为：3r Ae θ=（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。
例谈微分方程在实际问题中的简单应用
例谈微分方程在实际问题中的简单应用微分方程是数学领域中一个重要的分支，它研究的是包含未知函数及其导数的方程。
微分方程在物理学、工程学、经济学等实际问题中有着广泛的应用。
本文将以实际问题为例，说明微分方程在实际中的应用。
一、弹簧振子的运动弹簧振子是物理学中的一个经典问题，可以通过微分方程来描述其运动。
假设弹簧的质量为m，弹簧常数为k，弹簧的形变量（位移）为x(t)，则弹簧振子的运动可以描述为二阶线性微分方程：m*x''(t)+k*x(t)=0二、放射性衰变放射性元素的衰变过程可以用微分方程进行建模。
设放射性物质的衰变速率与物质的量成正比，即衰变速率为a（a>0）与物质的量x(t)成正比，可得微分方程：x'(t)=-a*x(t)三、生物种群增长生物种群增长问题也可以通过微分方程进行描述。
设种群数量为N(t)，种群增长速率与种群数量成正比，即增长速率为k（k>0）与种群数量N(t)成正比，可得微分方程：N'(t)=k*N(t)四、空气中的弥散空气中的弥散问题可以用微分方程进行建模。
设空气中其中一种气体的浓度为C(x,t)，C满足浓度的扩散方程：C_t = D*C_xx其中，C_xx表示浓度在x方向上的二阶导数，D为气体的扩散系数。
五、电路中的RLC振荡电路中的RLC振荡是电子学中的一个重要问题，可以通过微分方程进行描述。
设电路的电感L、电阻R和电容C分别为常数，电路的电压为V(t)，则振荡电路的微分方程为：L*V''(t)+R*V'(t)+1/C*V(t)=0以上是几个常见实际问题的微分方程应用，说明了微分方程在实际问题中的简单应用。
通过建立微分方程模型，可以定量地描述和分析复杂的实际问题，从而为问题的解决提供了理论依据。
微分方程在实际问题中的应用不仅帮助人们更好地理解和解决问题，而且还推动了数学理论和方法的发展。
随着科学技术的进步，微分方程将在更多领域中发挥重要作用。
微分方程建模 个例
A1
C
C1
分析：1.追击开始后，大家将进入正方 A 形里面，距离将变小，由于追击的规则 及四个人速度和方向的假定，四人还是 在某个正方形的顶点上。 2.会不会出现四个人绕一个圆循环追？ 不会！距离会不断缩小最后到一点，就 是正方形的中心。追击曲线是四条指向 D1 中心的螺旋线（可能绕中心几周） 3.坐标架怎么建？ D O点在中心，直角坐标架。
2H g
2.二氧化碳的吸收
空气通过盛有CO2的吸收剂的圆柱形器皿，已知它吸收CO2的量与 CO2的浓度及吸收层的厚度成正比，今有含CO28%的空气通过厚度 为10cm的吸收层后浓度为2%，求： （1）若吸收层变为30cm厚，出口浓度是多少？ （2）要使出口浓度为1%，应该设多厚的吸收层？ 解： 记吸收层厚度为d，等分n份，每小层d/n厘米。入口浓 度为8%，在每小层看吸收量，第一层后被吸收量为： kd k8%d/n，含量变为： 8%(1)
v0t y x(0) 0 y , 就是曲线的切向量， 1 x y (0) 0
Q(1,v0t) 模型里y(t)，x(t)都是t的函数，但是三个 变量不好处理，注意我们要求的是y(x)。 P(x,y) O 1 x
(1 x) y y v0t实现了变量t的分离
再建立一个y(t)，x(t)，t的关系：t时间里导弹已 飞行的距离是可求的。 x 1 y2 dx 5v0t (1 x) y y v0t , x0 0, y0 0
v r (0) 2 2 , (2r cos dx cos dr r sin d dx r sin cos d , , y r sin dy sin dr r cos d dy r cos sin dr d 1 sin cos dx dr r r cos r sin dy
高考数学中的微分方程应用及实例题解析
高考数学中的微分方程应用及实例题解析一、微分方程的应用微分方程在数学中有着广泛的应用，而在高考数学中尤为重要。
微分方程可以用来描述各种物理和工程问题中的连续变化。
在高考数学中，微分方程的应用主要包括解决物理和工程问题，并用微分方程模型求解。
下面，我们将以几个实例来解释微分方程的应用。
二、实例题解析1. 一个水箱有一个进水口和一个排水口，进水口的水速是10升/分钟，排水口排水的速度是6升/分钟。
在水箱的初态下，水箱的水量是7升。
求15分钟之后水箱的水量是多少？解答：由于水箱的进水口和排水口都是连续变化的，因此可以用微分方程来模拟。
不妨设水箱的初始状态下的水量为y，当t时间后，进水和排水的水量都为10-6=4升/分钟，因此有：y'(t)=4根据微分方程得：y(t)=4t+C由于初态下，水量为7升，因此C=7。
当t=15时，有：y(15)=4*15+7=67因此，15分钟后水箱的水量是67升。
2. 某商品的回报率为r，市场容量有限，其市场占有率y变化满足dy/dt=ry(1-y)，y初始为0.2，求当市场占有率达到60%时所需的时间。
解答：由于市场占有率随时间的变化是连续变化的，因此可以用微分方程来模拟。
设市场占有率为y，时间为t，有：dy/dt=ry(1-y)将该微分方程分离变量得：1/(y(1-y))dy=rdt两边积分得：ln|y/(1-y)|=rt+C由于当y=0.2时，t=0，因此C=ln(1/4)。
当y=0.6时，有：ln|0.6/(1-0.6)|=0.4r+C代入C得：ln(3/2)=0.4r+ln(1/4)解得r=ln3/16，因此所需的时间为：t=[ln(3/2)-ln(1/4)]/0.4ln3/16≈8.25因此，市场占有率达到60%时所需的时间为8.25。
三、总结微分方程在高考数学中的应用极为广泛，需要考生有扎实的微积分和数学建模的基础。
通过多做微分方程的实例题目，可以帮助考生更好地掌握微分方程的应用方法和技巧。
常微分方程应用
常微分方程应用常微分方程是数学中的一个重要分支，它描述了物理、工程、经济等各个领域中的变化规律。
在实际应用中，常微分方程被广泛用于模拟和预测系统的行为，以及解决各种问题。
本文将介绍常微分方程在几个实际应用中的案例，并探讨其重要性和局限性。
一、人口增长模型人口增长是一个重要的社会经济问题，而常微分方程可以用来描述和预测人口变化的规律。
以Malthus模型为例，它假设人口增长的速度与当前人口数量成正比，即dP/dt = kP，其中P是人口数量，t是时间，k是增长率。
通过解这个方程，我们可以得到人口数量随时间的变化规律。
这种模型可以应用于城市规划、资源分配等问题中，帮助政府制定合理的政策。
二、物理系统建模常微分方程在物理学中有广泛的应用，可以用来描述各种运动和变化的规律。
以简谐振动为例，它可以由二阶常微分方程描述：d^2x/dt^2 + ω^2x = 0，其中x是物体的位移，t是时间，ω是角频率。
这个方程可以应用于机械振动、电路振荡等问题中，帮助我们理解和分析物理系统的行为。
三、化学反应动力学常微分方程在化学反应动力学中也有重要作用。
以一阶反应为例，它可以由一阶常微分方程描述：d[A]/dt = -k[A]，其中[A]是反应物的浓度，t是时间，k是反应速率常数。
通过解这个方程，我们可以得到反应物浓度随时间的变化规律。
这种模型可以应用于酶催化、药物代谢等领域，帮助我们理解和控制化学反应的过程。
尽管常微分方程在各个领域中都有广泛的应用，但它也存在一些局限性。
首先，常微分方程通常是基于一些简化假设得到的，这些假设可能无法完全满足实际情况。
其次，常微分方程的求解通常需要数值方法，这在某些情况下可能会带来精度和计算效率的问题。
此外，常微分方程模型的建立和参数的选择也需要一定的经验和专业知识。
总之，常微分方程作为一种数学工具，可以应用于各个领域中的问题求解和模拟预测。
通过合理选择模型和求解方法，我们可以更好地理解和控制自然和社会系统的行为。
微分方程型建模实例题
一个数学问题都可以用不同的方法来求解的，不同的方法做出来效果不同，效率也不同。
下面就微分方程模型建模展开建模。
下面给出些微分方程建立模型的实例，供大家参考。
1．一个半球状雪堆，其体积融化的速率与半球面面积S成正比，比例系数k > 0。
设融化中雪堆始终保持半球状，初始半径为R且3小时中融化了总体积的7/8，问雪堆全部融化还需要多长时间？2．从致冰厂购买了一块立方体的冰块，在运输途中发现，第一小时大约融化了1/4 （1）求冰块全部融化要多长时间（设气温不变）（2）如运输时间需要2.5小时，问：运输途中冰块大约会融化掉多少？3．一展开角为α的圆锥形漏斗内盛着高度为H的水，设漏斗底部的孔足够大（表面张力不计），试求漏斗中的水流光需要多少时间？4．容器甲的温度为60度，将其内的温度计移入容器乙内，设十分钟后温度计读数为70度，又过十分钟后温度计读数为76度，试求容器乙内的温度。
5．一块加过热的金属块初始时比室温高70度，20分钟测得它比室温高60度，问：（1）2小时后金属块比室温高多少？（2）多少时间后，金属块比室温高10度？6．设初始时容器里盛放着含净盐10千克的盐水100升，现对其以每分钟3升的速率注入清水，容器内装有搅拌器能将溶液迅时搅拌均匀，并同时以每分钟2升的速率放出盐水，求1小时后容器里的盐水中还含有多少净盐？7．某伞降兵跳伞时的总质量为100公斤（含武器装备），降落伞张开前的空气阻力为0.5v,该伞降兵的初始下落速度为0，经8秒钟后降落伞打开，降落伞打开后的空气阻力约为0.6 试球给伞降兵下落的速度v(t),并求其下落的极限速度。
8．1988年8月5日英国人Mike McCarthy创建了一项最低开伞的跳伞纪录，它从比萨斜塔上跳下，到离地179英尺时才打开降落伞，试求他落地时的速度。
9．证明对数螺线r=A 上任一处的切线与极径的夹角的正切为一常数，（）10．实验证明，当速度远低于音速时，空气阻力正比与速度，阻力系数大约为0.005。
常微分方程数学建模案例分析
常微分方程数学建模案例分析假设我们要研究一个简单的生物系统：一种细菌的生长过程。
我们知道，细菌的生长通常可以描述为以指数速度增长的过程。
为了建立一个数学模型，我们首先需要确定一些基本假设和已知信息。
基本假设：1.我们假设细菌的生长速度与细菌的数量成正比。
2.我们假设细菌的死亡速率与细菌的数量成正比。
已知信息：1.我们已经知道在初始时刻，细菌的数量为N0个。
2.我们已经知道在初始时刻的细菌数量的增长速率为r个/单位时间。
3.我们已经知道在初始时刻的细菌数量的死亡速率为d个/单位时间。
接下来，我们将建立一个常微分方程模型来描述细菌数量的变化。
假设t表示时间，N(t)表示时间t时刻的细菌数量，则我们可以得到以下微分方程：dN/dt = rN - dN这个方程的含义是，细菌数量的变化率等于细菌的增长速率减去细菌的死亡速率。
如果我们将细菌的增长速率和死亡速率设为常数r和d，则上述方程可以进一步简化为：dN/dt = (r-d)N解这个微分方程，我们可以得到细菌数量随时间变化的函数N(t)。
根据初值条件N(0)=N0，我们可以求解该方程并得到解析解：N(t) = N0 * exp((r-d)t)上述解析解告诉我们，细菌数量随时间以指数速度增长。
这与我们的基本假设相符。
然而，对于复杂的系统，往往很难获得精确的解析解。
在这种情况下，我们可以使用数值方法来求解微分方程。
常见的数值方法包括欧拉法、改进的欧拉法和四阶龙格-库塔法等。
这些方法基于近似计算的原理，通过迭代逼近解。
在我们的细菌生长模型中，我们可以使用数值方法来计算细菌数量随时间的变化。
我们可以选择欧拉法，它是一种简单而直观的数值方法。
欧拉法的迭代公式为：N(t+h)=N(t)+h*(r-d)N(t)其中，N(t)是在时间t时刻的细菌数量，N(t+h)是在时间(t+h)时刻的细菌数量，h是时间间隔。
我们可以选择一个足够小的时间间隔h，并迭代使用欧拉法来计算细菌数量的近似解。
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易见： 易见： 故有： 故有：
= (2 ∫R hR2 h h ) dh 2 g r0.6 SR 2 ( R ) =
（3）模拟近似法 在生物、经济等学科的实际问题中，许多现象 的规律性不很清楚，即使有所了解也是极其复 杂的，建模时在不同的假设下去模拟实际的现 象，建立能近似反映问题的微分方程，然后从 数学上求解或分析所建方程及其解的性质，再 去同实际情况对比，检验此模型能否刻画、模 拟某些实际现象。
理想单摆运动） 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。 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 从图 g 中不难看出，小球所受的合力为mgsinθ， 中不难看出 ， 根据牛顿第二定律可得： 牛顿第二定律可得 根据牛顿第二定律可得： θ + θ = 0 （3.2） ） 3.1） （3.1）的 l 近似方程 mlθ = mg sin θ 从而得出两阶微分方程： 从而得出两阶微分方程： （3.2）的解为: θ(t)= θ0cosωt 3.2）的解为: 这是理想单摆应 g θ + sin θ = 0 其中 ω = g 3.1） 满足的运动方程 （ ） l l T θ (0) 0, ,θ(t)=0 当t = =时θ (0) = θ 0 4 gT π = 故有 l 4 2 3.1）是一个两阶非线性方程， （3.1）是一个两阶非线性方程，不 由此即可得出 很小时， 易求解。 ，此时， 易求解。当θ很小时，sinθ≈θ，此时， g T = 2π 可考察（3.1）的近似线性方程： 可考s ) 2 = (dr ) 2 + (rdθ ) 2 可看出 (
θ 图3-2
B
A
故有: 故有 3( dr ) 2 = r 2 (dθ ) 2 即:
r dr = dθ 3
θ
（3.3） （3.4）
解为： 解为：r
= Ae
3
追赶方法如下： 追赶方法如下： 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） 先使自己到极点的距离等于潜艇到极点的距离然后按 对数螺线航行，即可追上潜艇。 对数螺线航行，即可追上潜艇。
一个半径为Rcm的半球形容器内开始时盛满了 例3 一个半径为 的半球形容器内开始时盛满了 的小孔在t=0时刻 水，但由于其底部一个面积为Scm2的小孔在 时刻 但由于其底部一个面积为 被打开，水被不断放出。 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？ 需要多少时间？ 以容器的底部O点为 原点，取坐标系如图3.3所示 所示。 解: 以容器的底部 点为 原点，取坐标系如图 所示。 时刻容器中水的高度， 令h(t)为t时刻容器中水的高度，现建立 为 时刻容器中水的高度 现建立h(t)满足的微分 满足的微分 方程。 方程。 设水从小孔流出的速度为v(t)，由力学定律， 设水从小孔流出的速度为 ，由力学定律，在不计水 即： dh = 0.6 S 2hg 2 的内部磨擦力和表面张力的假定下， 的内部磨擦力和表面张力的假定下，有： dt π [ R 2 ( R h) ]
l
θ(0) = 0,θ (0) = θ 0
θ l
M P Q mg 图3-1
我方巡逻艇发现敌方潜水艇。 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 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 60 大航速为30节而巡逻艇最大航速为60 30节而巡逻艇最大航速为60节 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。 水艇。 这一问题属于对策问题，较为复杂。讨论以下简单情形： 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， 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。 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 处的潜水艇 取极坐标， 设巡逻艇在 处发现位于B处的潜水艇，取极坐标，以B 处发现位于 处的潜水艇， 为极点，BA为极轴，设巡逻艇追赶路径在此极坐标下的方 为极点， 为极轴， 为极轴 程为r=r(θ)，见图 。 程为 ，见图3-2。 A1 dr ds dr 由题意， 由题意， = 2 ，故ds=2dr ds dt dt
3 2 5 2
dV = π0.6dh 2 gh dt r 2 S = sν 0 π
R
∫
y R r h
3 2
4 π 2 14π R =π [ R ( R h) 2 ]dh 0.6S 2 ghdt Rh = h 0 = R 5 0.6 S 2 g 3 9S 2 g
5 2
O S 图3-3
x
微分方程建模的几个简单实例 在许多实际问题中， 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， 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， 容易时，可用建立微分方程模型的方法 来研究该问题， 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。 明微分方程建模的一般方法。在连续变 量问题的研究中， 量问题的研究中，微分方程是十分常用 的数学工具之一。 的数学工具之一。
在研究实际问题时，常常会联系到某些变量的 变化率或导数， 这样所得到变量之间的关系式就是 微分方程模型。微分方程模型反映的是变量之间的 间接关系，因此，要得到直接关系，就得求微分方 程。 求解微分方程有三种方法： 1）求精确解；2）求数值解（近似解）；3）定性 理论方法。
建立微分方程模型的方法 （1）根据规律列方程 利用数学、力学、物理、化学等学科中的定理或 经过实验检验的规律等来建立微分方程模型。 （2）微元分析法 利用已知的定理与规律寻找微元之间的关系 式，与第一种方法不同的是对微元而不是直 接对函数及其导数应用规律。