资源简介 数学建模活动是对现实问题进行数学抽象,用数学语言表达问题、用数学方法构建模型解决问题的过程.主要包括:在实际情境中从数学的视角发现问题、提出问题,分析问题、构建模型,确定参数、计算求解,检验结果、改进模型,最终解决实际问题. 第一节 常见的几类数学模型函数模型考向1 二次函数模型 一块形状为直角三角形的铁皮,直角边长分别是40 cm与60 cm,现在将它剪成一个矩形,并以此三角形的直角为矩形的一个角,问怎样剪才能使剩下的残料最少?并求出此时残料的面积.[解] 设直角三角形为△ABC,AC=40,BC=60,矩形为CDEF,如图所示,设CD=x,CF=y,则由Rt△AFE∽Rt△EDB得=,即=,整理得y=40-x,记剩下的残料的面积为S,则S=×60×40-xy=x2-40x+1 200=(x-30)2+600(0<x<60),故当x=30时,Smin=600,此时y=20,所以当x=30,y=20时,剩下的残料面积最小为600 cm2.二次函数模型的求解策略(1)方法:根据实际问题建立函数模型解析式后,可利用配方法、判别式法、换元法利用函数的单调性等方法求最值,从而解决实际问题中的利润最大、用料最省等最值问题;(2)注意:取得最值的自变量与实际意义是否相符. A,B两城相距100 km,在两地之间距A城x km处D地建一核电站给A,B两城供电,为保证城市安全,核电站距城市距离不得少于10 km,已知每个城市的供电费用与供电距离的平方和供电量之积成正比,比例系数λ=0.25.若A城供电量为20亿度/月,B城为10亿度/月.(1)把A,B两城月供电总费用y(万元)表示成x(km)的函数,并求定义域;(2)核电站建在距A城多远,才能使供电总费用最小.解:(1)由题意设A城的月供电费用为y1,则y1=λ×20x2.设B城的月供电费用为y2,则y2=λ×10×(100-x)2,∴A,B两城月供电总费用y=λ×20x2+λ×10×(100-x)2.∵λ=0.25,∴y=5x2+(100-x)2(10≤x≤90).(2)由y=5x2+(100-x)2=x2-500x+25 000=2+,则当x=时,y最小.故当核电站建在距A城 km时,才能使供电总费用最小.考向2 指数、对数、幂函数模型(1)我们处在一个有声世界里,不同场合,人们对声音的音量会有不同要求.音量大小的单位是分贝(dB),对于一个强度为I的声波,其音量的大小η可由如下公式计算:η=10lg(其中I0是人耳能听到声音的最低声波强度),则70 dB的声音的声波强度I1是60 dB的声音的声波强度I2的( )A.倍 B.10倍C.10倍 D.ln倍(2)银行贷款年还款m=A·,其中A是贷款额度,r是年利率,n是贷款年数.小李在某银行贷款100 000元用于买房,年利率是5%,每年需归还23 098元,则小李的贷款年数为(参考数据:1.054≈1.216,1.055≈1.276,1.056≈1.340)( )A.8 B.7C.6 D.5[解析] (1)由η=10lg 得I=I010,所以I1=I0107,I2=I0106,所以=10,所以70 dB的声音的声波强度I1是60 dB的声音的声波强度I2的10倍.(2)由题意得23 098=100 000×,化简得1.05n=≈1.276,结合参考数据可得n=5.故选D.[答案] (1)C (2)D指数、对数、幂函数模型解题,关键是对模型的判断,先设定模型,将有关数据代入验证,确定参数,求解时要准确进行指数与对数运算,灵活进行指数与对数的互化. 1.据统计,每年到鄱阳湖国家湿地公园越冬的白鹤数量y(只)与时间x(年)近似地满足关系y=alog3(x+2),观察发现2020年(作为第1年)到该湿地公园越冬的白鹤数量为3 000只,估计到2026年到该湿地公园越冬的白鹤的数量为( )A.4 000只 B.5 000只C.6 000只 D.7 000只解析:C 当x=1时,由3 000=alog3(1+2),得a=3 000,所以到2026年冬,即第7年,y=3 000×log3(7+2)=6 000,故选C.2.一个容器装有细沙a cm3,细沙从容器底下一个细微的小孔慢慢地匀速漏出,t min后剩余的细沙量为y=ae-bt(cm3),经过8 min后发现容器内还有一半的沙子,则再经过________ min,容器中的沙子只有开始时的八分之一.解析:当t=8时,y=ae-8b=a,所以e-8b=.容器中的沙子只有开始时的八分之一时,即y=ae-bt=a,e-bt==(e-8b)3=e-24b,则t=24.所以再经过16 min容器中的沙子只有开始时的八分之一.答案:16考向3 三角函数模型 已知某海滨浴场海浪的高度y(米)是时间t(0≤t≤24,单位:时)的函数,记作y=f(t).下表是某日各时的浪高数据.t(时) 0 3 6 9 12 15 18 21 24y(米) 1.5 1.0 0.5 1.0 1.5 1.0 0.5 0.99 1.5(1)根据以上数据,求函数y=f(t)的函数解析式;(2)依据规定,当海浪高度高于1米时才对冲浪爱好者开放,请依据(1)的结论,判断一天内上午8:00至晚上20:00之间,有多少时间可供冲浪爱好者进行运动?[解] (1)由表中数据描出各点,并把这些点用平滑的曲线连接起来(如图),由图知,可设f(t)=Acos ωt+b(ω>0),并且周期T=12,∴ω===.由t=0,y=1.5,得A+b=1.5;由t=3,y=1.0,得b=1.0.∴A=0.5,b=1.∴y=cos t+1.(2)由题知,当y>1时才可对冲浪爱好者开放,∴cos t+1>1,∴cos t>0.∴2kπ-∵0≤t≤24,故可令①中k分别为0,1,2,得0≤t<3或9∴在规定时间上午8:00至晚上20:00之间,有6个小时的时间可供冲浪爱好者运动,即上午9:00至下午15:00.三角函数在实际问题中的求解策略(1)在读题时把问题提供的“条件”逐条地“翻译”成“数学语言”,这个过程就是数学建模的过程;(2)在解题中,将实际问题转化为与三角函数有关的问题,常见形式有:求出三角函数的解析式,画出函数的图象以及利用函数的性质进行解题. 一物体相对于某一固定位置的位移y(cm)和时间t(s)之间的一组对应值如下表所示,则可近似地描述该物体的位移y和时间t之间的关系的一个三角函数式为________.t 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8y -4.0 -2.8 0.0 2.8 4.0 2.8 0.0 -2.8 -4.0解析:设y=Asin(ωt+φ)(ω>0),则从表中可以得到A=4,ω===,又由4sin φ=-4.0,可得sin φ=-1,取φ=-,故y=4sin,即y=-4cos t.答案:y=-4cos t(答案不唯一)数列模型 某地规划对一片面积为a的沙漠进行治理,每年治理面积占上一年底沙漠面积的百分比均为x(0<x<1).当治理面积达到这片沙漠面积一半时,正好用了10年时间,则求x的值为________.若2022年年初这片沙漠面积为原沙漠面积的,按照规划至少还需________年,使剩余沙漠面积至多为原沙漠面积的.[解析] 由于每年治理面积占上一年底沙漠面积的百分比均为x(0<x<1),且治理面积达到这片沙漠面积一半时,正好用了10年,则a(1-x)10=a,即(1-x)10=, 解得x=1-.设从2022年开始,还需治理n年,则n年后剩余面积为a(1-x)n,令a(1-x)n≤a,即(1-x)n≤,≤,≥,解得n≥15,故至少还需治理15年.[答案] 1- 15数列作为特殊的函数,在实际问题中有着广泛的应用,如增长率,减薄率,银行信贷,浓度匹配,养老保险,圆钢堆垒等问题.这就要求同学们除熟练运用有关概念式外,还要善于观察题设的特征,联想有关数学知识和方法,迅速确定解题的方向,以提高解数列题的速度.解答应用性问题,应充分运用观察、归纳、猜想的手段,建立出有关等差(比)数列、递推数列模型,再综合其他相关知识来解决问题. 某公司经销一种数码产品,第1年可获利200万元.从第2年起,由于市场竞争等方面的原因,其利润每年比上一年减少20万元,按照这一规律,如果公司不开发新产品,也不调整经营策略,从哪一年起,该公司经销这一产品将亏损?解:设从第1年起,第n年的利润为an,则由题意知a1=200,an-an-1=-20(n≥2,n∈N*).所以每年的利润an可构成一个等差数列{an},且公差d=-20.从而an=a1+(n-1)d=220-20n.若an<0,则该公司经销这一产品将亏损,由an=220-20n<0,得n>11,即从第12年起,该公司经销此产品将亏损.立体几何模型在趣味折纸活动中,小芳利用如图纸带折出正四面体,图中四个正三角形的边长皆为4 cm,若所折成的正四面体在一个圆柱形容器内可任意转动,则该容器体积的最小值为________ cm3.[解析] 折成的正四面体在一个圆柱形容器内可任意转动,要使该圆柱体积最小,即转化求正四面体的外接球直径,此时圆柱底面的直径及圆柱的高均为正四面体外接球直径2R,借助正方体模型如图,易得:所示正方体的边长为2,体对角线长为2,所以2R=2,即R=,所以此时圆柱的体积为V=2×2π=12π.[答案] 12π根据题目所提供的信息,如数值特征、结构特征、位置特征等快速建立出相应的特殊模型,从而做出判断. 如图,在棱长为4的正方体ABCD A1B1C1D1中,M是棱A1A上的动点,N是棱BC的中点.当平面D1MN与底面ABCD所成的角最小时,A1M=________.解析:建立空间直角坐标系,如图,设M(4,0,a)(0≤a≤4),N(2,4,0),D1(0,0,4),=(-2,4,-a),=(2,4,-4),设平面D1MN的一个法向量为n=(x,y,z),eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(n·=0,,n·=0)) 令z=8,则x=8-2a,y=a+4,所以n=(8-2a,a+4,8),设平面ABCD的一个法向量为n1=(0,0,1),设平面D1MN与底面ABCD所成的夹角为θ,所以cos θ===,当a==时,cos θ有最大,则θ有最小,所以A1M=.答案:解析几何模型 某学习小组研究一种卫星接收天线(如图①所示),发现其曲面与轴截面的交线为抛物线,在轴截面内的卫星波束呈近似平行状态射入形为抛物线的接收天线,经反射聚焦到焦点处(如图②所示),已知接收天线的口径(直径)为4.8 m,深度为1 m,则该抛物线的焦点到顶点的距离为________ m.[解析] 如图所示,在接收天线的轴截面所在平面建立直角坐标系,使接收天线的顶点(即抛物线的顶点)与原点重合,焦点在x轴上,设抛物线的标准方程为y2=2px(p>0),由已知条件可得,点A(1,2.4)在抛物线上,所以2p=2.42,解得p=2.88,所以所求抛物线的标准方程为y2=5.76x,焦点坐标为(1.44,0),因此,该抛物线的焦点到顶点的距离为1.44.[答案] 1.44解决圆锥曲线实际应用的五个步骤(1)建立适当的坐标系;(2)设出合适的圆锥曲线的标准方程;(3)通过计算求出圆锥曲线的标准方程;(4)求出需要求出的量;(5)还原到实际问题中,从而解决实际问题. “天问一号”推开了我国行星探测的大门,通过一次发射,将实现火星环绕、着陆、巡视,是世界首创,也是我国真正意义上的首次深空探测.2021年2月10日,天问一号探测器顺利进入火星的椭圆环火轨道(将火星近似看成一个球体,球心为椭圆的一个焦点).2月15日17时,天问一号探测器成功实施捕获轨道“远火点(椭圆轨迹上距离火星表面最远的一点)平面机动”,同时将近火点高度调整至约265公里.若此时远火点距离约为11 945公里,火星半径约为3 400公里,则调整后“天问一号”的运行轨迹(环火轨道曲线)的离心率约为________.(精确到0.1)解析:设椭圆的方程为+=1(a>b>0),由椭圆的性质可得椭圆上的点到焦点的距离的最小值为a-c,最大值为a+c,根据题意可得a-c=3 400+265=3 665,a+c=3 400+11 945=15 345,解得a=9 505,c=5 840,所以椭圆的离心率为e==≈0.6.答案:0.6概率与统计模型 某工厂有5台机器,在1个月中,1台机器至多出现1次故障,且每台机器是否出现故障是相互独立的,出现故障时需1名工人进行维修.每台机器出现故障的概率为.已知1名工人每月只有维修1台机器的能力,每台机器不出现故障或出现故障时有工人维修,就能使该厂获得10万元的利润,否则将亏损3万元.该工厂每月需支付给每名维修工人1.5万元的工资.(1)若每台机器在当月不出现故障或出现故障时有工人进行维修,则称工厂能正常运行.若该厂只有2名维修工人,求工厂每月能正常运行的概率;(2)已知该厂现有4名维修工人.①记该厂每月获利为X万元,求X的分布列与数学期望;②以工厂每月获利的数学期望为决策依据,试问该厂是否应再招聘1名维修工人?[解] (1)因为该工厂只有2名维修工人,故要使工厂正常运行,最多只有2台机器出现故障.所以该工厂每月能正常运行的概率为5+C··4+C·2·3=.(2)①X的所有可能取值为31,44,P(X=31)=5=,P(X=44)=1-=.所以X的分布列为X 31 44P所以 E(X)=31×+44×=.②若工厂再招聘一名维修工人,则工厂一定能正常运行,此时工厂所获利润为5×10-1.5×5=42.5万元,因为>42.5,所以该厂不应该再招聘1名维修工人.求离散型随机变量的均值与方差的解题策略(1)求离散型随机变量的均值与方差.可依题设条件求出离散型随机变量的概率分布列,然后利用均值、方差公式直接求解;(2)由已知均值或方差求参数值.可依据条件利用均值、方差公式得出含有参数的方程,解方程即可求出参数值. 某平台组织了“伟大的复兴之路——新中国73周年知识问答”活动,规则如下:共有30道单选题,每题4个选项中只有一个正确,每答对一题获得5颗红星,每答错一题反扣2颗红星;若放弃此题,则红星数无变化.答题所获得的红星可用来兑换神秘礼品,红星数越多奖品等级越高.小强参加该活动,其中有些题目会做,有些题目可以排除若干错误选项,其余的题目则完全不会.(1)请问:对于完全不会的题目,小强应该随机从4个选项中选一个作答,还是选择放弃?(利用统计知识说明理由)(2)若小强有12道题目会做,剩下的题目中,可以排除一个错误选项、可以排除两个错误选项和完全不会的题目的数量比是3∶2∶1.请问:小强在本次活动中可以获得最多红星数的期望是多少?解:(1)对于任一道完全不会的题目,若选择放弃,则获得的红星数为0;若选择作答,设小强从四个选项中选一个作答获得的红星数为ξ,其分布列为ξ 5 -2P所以E(ξ)=5×-2×=-<0,故应该选择放弃作答.(2)由题意知,可以排除一个选项的题目有(30-12)×=9道,设这9道题目中每道题目小强从四个选项中选一个作答获得的红星数为X,其分布列为X 5 -2P所以E(X)=5×-2×=;可以排除两个选项的题目有(30-12)×=6道,设这6道题目中每道题目小强从四个选项中选一个作答获得的红星数为Y,其分布列为Y 5 -2P所以E(Y)=5×-2×=;完全不会的题目有(30-12)×=3道,由(1)知应选择放弃,这3道题中每道题得到的红星数的期望为0.因此,小强在本次活动中可以获得的最多红星数的期望是12×5+9×+6×+3×0=72.[课时过关检测]A级——基础达标1.某厂有许多形状为直角梯形的铁皮边角料,如图,为降低消耗,开源节流,现要从这些边角料上截取矩形铁片(如图中阴影部分)备用,当截取的矩形面积最大时,矩形两边长x,y应为( )A.x=15,y=12 B.x=12,y=15C.x=14,y=10 D.x=10,y=14解析:A 如图过点B作BC⊥AE于点C,易知△ADE∽△ABC,由三角形相似得=,整理得x=(24-y),∴S=xy=-(y-12)2+180(8≤y<24).∴当y=12时,S有最大值,此时x=15.2.十二生肖,又称十二属相,中国古人拿十二种动物来配十二地支,组成子鼠、丑牛、寅虎、卯兔、辰龙、巳蛇、午马、未羊、申猴、酉鸡、戌狗、亥猪十二属相.现有十二生肖吉祥物各一件,甲、乙、丙三位同学依次随机抽取一件作为礼物,甲同学喜欢马、牛,乙同学喜欢马、龙、狗,丙同学除了鼠不喜欢外其他的都喜欢,则这三位同学抽取的礼物都喜欢的概率是( )A. B.C. D.解析:A 现有十二生肖吉祥物各一件,甲、乙、丙三位同学依次随机抽取一件作为礼物,甲同学喜欢马、牛,乙同学喜欢马、龙、狗,丙同学除了鼠不喜欢外其他的都喜欢,样本点总数n=A=1 320,这三位同学抽取的礼物都喜欢包含的样本点个数m=1×2×9+1×3×9=45,∴这三位同学抽取的礼物都喜欢的概率是P===.故选A.3.某市一年12个月的月平均气温y与月份x的关系可近似地用函数y=a+Acos(x=1,2,3,…,12)来表示,已知该市6月份的平均气温最高,为28 ℃,12月份的平均气温最低,为18 ℃,则该市8月份的平均气温为( )A.25.5 ℃ B.22.5 ℃C.20.5 ℃ D.13 ℃解析:A 由题意可得即解得所以f(x)=23+5cos,所以该市8月份的平均气温为f(8)=23+5cos=23+5cos =25.5 ℃,故选A.4.为了研究流感病毒相关指标的变化,现有学者给出了如下的模型:假定初始时刻的病例数为N0,平均每个病人可传染给K个人,平均每个病人可以直接传染给其他人的时间为L天,在L天之内,病例数目的增长随时间t(单位:天)的关系式为N(t)=N0(1+K)t,若N0=2,K=2.4,则利用此模型预测第5天的病例数大约为( )(参考数据:log1.4454≈18,log2.4454≈7,log3.4454≈5)A.260 B.580C.910 D.1 200解析:C N(5)=2(1+2.4)5=2×3.45,因为log3.4454≈5,所以3.45≈454,所以N(5)=2×3.45≈2×454≈908≈910.故选C.5.荧光定量PCR法是通过化学物质的荧光信号,对在PCR扩增进程中成指数级增加的靶标DNA实时监测的一种检测方法,在PCR扩增的指数时期,荧光信号强度达到阈值时,DNA的数量Xn与扩增次数n满足lg Xn=nlg(1+p)+lg X0,其中p为扩增效率,X0为DNA的初始数量.已知某被测标本DNA扩增10次后,数量变为原来的100倍,那么该样本的扩增效率p约为(参考数据:100.2≈1.585,10-0.2≈0.631)( )A.0.369 B.0.415C.0.585 D.0.631解析:C 由题意知,lg(100 X0)=10lg(1+p)+lg X0,即2+lg X0=10lg(1+p)+lg X0,所以1+p=100.2≈1.585,解得p≈0.585.故选C.6.(2022·海安高三模拟)从某个角度观察篮球(如图①),可以得到一个对称的平面图形(如图②所示)篮球的外轮廓为圆O,将篮球表面的粘合线看成坐标轴和双曲线,若坐标轴和双曲线与圆O的交点将圆O的周长八等分,且AB=BC=CD,则该双曲线的离心率为( )A. B.C. D.解析:D 设双曲线的方程为-=1(a>0,b>0),则OC=a,因为AB=BC=CD,所以CD=2OC,所以OD=3OC=3a,因为坐标轴和双曲线与圆O的交点将圆O的周长八等分,所以在双曲线上,代入-=1可得-=1,解得=,所以双曲线的离心率为e====.故选D.7.(多选)两位大学毕业生甲、乙同时开始工作.甲第1个月工资为4 000元,以后每月增加100元.乙第一个月工资为4 500元,以后每月增加50元,则( )A.第5个月甲的月工资低于乙的月工资B.甲与乙在第11个月时月工资相等C.甲、乙前11个月的工资总收入相等D.甲比乙前11个月的工资总收入要低解析:ABD 设甲各月工资构成等差数列{an},乙各月工资构成等差数列{bn},易知an=100n+3 900,bn=50n+4 450.因为a5=4 400<b5=4 700,所以选项A正确;因为a11=b11=5 000,所以选项B正确;因为甲前11个月工资总收入为=49 500元,乙前11个月工资总收入为=52 250元,所以选项C不正确,选项D正确.8.某公司一年购买某种货物600吨,每次购买x吨,运费为6万元/次,一年的总存储费用为4x万元.要使一年的总运费与总存储费用之和最小,则x的值是________.解析:一年的总运费与总存储费用之和为y=6×+4x=+4x≥2 =240,当且仅当=4x,即x=30时,y有最小值240.答案:309.候鸟每年都要随季节的变化而进行大规模的迁徙,研究某种鸟类的专家发现,该种鸟类的飞行速度v(单位:m/s)与其耗氧量Q之间的关系为v=a+blog3(其中a,b是实数).据统计,该种鸟类在静止时其耗氧量为30个单位,而其耗氧量为90个单位时,其飞行速度为1 m/s.(1)求出a,b的值;(2)若这种鸟类为赶路程,飞行的速度不能低于2 m/s,则其耗氧量至少要多少个单位?解:(1)由题意可知,当这种鸟类静止时,它的速度为0 m/s,此时耗氧量为30个单位,故有a+blog3=0,即a+b=0;当耗氧量为90个单位时,速度为1 m/s,故有a+blog3=1,整理得a+2b=1.解方程组得(2)由(1)知,v=-1+log3.所以要使飞行速度不低于2 m/s,则有v≥2,即-1+log3≥2,即log3≥3,解得Q≥270.所以若这种鸟类为赶路程,飞行的速度不能低于2 m/s,则其耗氧量至少要270个单位.B级——综合应用10.森林资源是全人类共有的宝贵财富,其在改善环境,保护生态可持续发展方面发挥着重要的作用.为了实现到2030年,我国森林蓄积量将比2005年增加60亿立方米这一目标,某地林业管理部门着手制定本地的森林蓄积量规划.经统计,本地2020年底的森林蓄积量为120万立方米,森林每年以25%的增长率自然生长,而为了保证森林通风和发展经济的需要,每年冬天都要砍伐掉s万立方米(10<s<30)的森林.设an为自2021年开始,第n年末的森林蓄积量(单位:万立方米).(1)请写出一个递推公式,表示an+1,an两者间的关系;(2)将(1)中的递推公式表示成an+1-k=r(an-k)的形式,其中r,k为常数;(3)为了实现本地森林蓄积量到2030年底翻两番的目标,每年的砍伐量s最大为多少万立方米?(精确到1万立方米)参考数据:8≈5.96,9≈7.45,10≈9.31.解:(1)由题意,得a1=120×(1+25%)-s=150-s,an+1=an(1+25%)-s=an-s.①(2)将an+1-k=r(an-k)化为an+1=ran+k-rk,②比较①②的系数,得解得所以递推公式为an+1-4s=(an-4s).(3)因为a1-4s=150-5s,且s∈(10,30),所以a1-4s≠0,由(2)知an+1-4s=(an-4s),且an-4s≠0,所以=,即数列{an-4s}是以150-5s为首项,为公比的等比数列,其通项公式为an-4s=(150-5s)·n-1,所以an=4s+(150-5s)·n-1.2030年底的森林蓄积量为数列{an}的第10项,a10=4s+(150-5s)·9.由题意,森林蓄积量到2030年底要达到翻两番的目标,所以a10≥4×120,即4s+(150-5s)·9≥480,即4s+(150-5s)×7.45=4s+1117.5-37.25s≥480.解得s≤19.17.所以每年的砍伐量最大为19万立方米. 展开更多...... 收起↑ 资源预览