小船渡河问题的研究

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1、小船渡河问题的研究摘要本文建立了经典的小船渡河速度模型，利用速度的合成与分解求出最优渡河方案。针对问题一，首先，讨论船速和水速的关系，得出小船大致行驶方向，再运用平行四边形法则，构建直角三角形，运用勾股定理建立关于合速度和船速与河岸夹角的方程并求解。针对问题二，用数值解法求渡河所需吋间，再利用问题一中求解的方程，做出小船位置和航行曲线图，最后与解析解比较。关键i司：小船渡河船速水速速度的合成与分解夹角1问题重述一只小船要从要从宽度为d的河的一岸A点，到达正对岸B点。河水流速V］和静水船速V2之比k己知。想要求解以下两个问题

2、。(i)建立小船航线的方程，求其解析解。(ii)设d=100m,v】=1m/s,v2=2m/s,用数值解法求渡河所需时间、任意时刻小船的位置及航行曲线，作图，并与解析解比较。2问题分析此类问题可归结为小船渡河问题，要使小船能够到达正对岸，在水流速度恒定的情况下，按照船速来分类，有两种情况：其一，船速可变；其二；船速不变；根据题意可知，本题船速不变，故采用第二种情况建立模型并求解。分析可知,在船速和水速都恒定的情况下，要使小船到达正对岸，小船速度与水流速度的合速度方向必然垂直于河岸。3模型假设(1)假设小船的行驶速度恒定不变

3、。(2)假设水流的速度恒定不变且始终与河岸平行。(3)假设无风力、水流阻力等外力影响。(4)假设该段河流为理想直段。4符号说明A小船出发点B小船目标点a船速与河岸夹角矽合船速与水速的合速度小船渡河所用总时间小船距离河岸A的距离5模型建立与求解5.1问题一(1)问题分析小船航线如下图所示，根据已知的船速和水速，运用平行四边形法则，构建直角三角形，运用勾股定理建立关于合速度的方程再求解即可。B1・若a>90°由速度的合成知识可知，船速与水速的合速度方向指向下游，则小船不可能到达河流正对岸。2.若0VaV90°1)若v2^V1,

4、由速度的合成知识可知，合速度指向下游，小船也不能到达正对岸。2)若v2>vv通过调整船速V］与河岸的夹角a口J使v.V2的合速度垂直河岸。(2)模型的建立vik=—v2Vi,cosa=—=kv2v合sina=—V2vi+vf=vj.sina2+cosa2=1(3)模型的求解联立方程①②③④⑤，解得v合=7v2-vi=v2Vl-k2a=arcsinVl—cosk2所以小船想要到达正对岸，船速方向应与河岸成a角(0

5、题一中求解的方程，做岀小船位置和航行曲线图，最后与解析解比较。(2)模型的建立(Sdsk=v合(2)模型的求解詈“7.74s1000102030405060时间t/s6模型评价与改进总体来说，此模型的设计较为简单，确定小船与河岸的夹角Q后就可轻易的确定船速的方向，从而确定航行路线，以最短路线到达正对岸。但模型最大的不足之处也在于此，局限性太大，并未很好的模拟出多变的小船航行曲线路线。七、附录Clc;clear;tic;t=0:1:(100/sqrt(3));v=sqrt(3);s=v*t;plot(t,s,1r1)toe;