隧道工程分析题(隧道工程问题中的数学)(1)

近年来,解析几何应用题逐渐成为各级各类考试的主角。根据高中解析几何知识、方法的特征,按题目给定的各种“量的依存关系”划分,其常见的类型和求解策略主要有:

类型一:题目明确给出曲线的形状或类型,各种量及其依存关系被包含在给定的曲线中。

这时,求解的策略如下:1)根据已知图形建立平面直角坐标系;2)求曲线的方程;3)根据曲线的方程进行相关的计算。

隧道工程分析题(隧道工程问题中的数学)(2)

例1 如图,某隧道设计为双向四车道,车道总宽22米,要求通行车辆限高4.5米,隧道全长2.5千米,隧道的拱线近似地看成半个椭圆形状。

隧道工程分析题(隧道工程问题中的数学)(3)

(1)若最大拱高h为6米,则隧道设计的拱宽L是多少?

(2) 若最大拱高h不小于6米,则应如何设计拱高h和拱宽L,才能使半个椭圆形隧道的土方工程量最少?

(半个椭圆的面积公式为S=π·l·h/4,柱体体积为:底面积乘以高,本题结果均精确到米)

解: (1)如图建立直角坐标系,则点P(11, 4.5),椭圆的方程为,

隧道工程分析题(隧道工程问题中的数学)(4)

将b=h=6与点P坐标代入椭圆方程,得

隧道工程分析题(隧道工程问题中的数学)(5)

此时L=2a≈33.3米

(2)由椭圆的方程为

隧道工程分析题(隧道工程问题中的数学)(6)

得到

隧道工程分析题(隧道工程问题中的数学)(7)

因为 :

隧道工程分析题(隧道工程问题中的数学)(8)

即ab≥99,且L=2a,h=b

所以S=π·l·h/4=S=π·a·b/2≥99π/2

当 S取最小值时,有

隧道工程分析题(隧道工程问题中的数学)(9)

隧道工程分析题(隧道工程问题中的数学)(10)

此时L=2a≈31.1,h=b≈6.4

故当拱高约为6.4米,拱宽约为31.1米时,土方的工程量最小.

类型二:题目给定的“量的依存关系”有较为明显的几何意义。

这时,挖掘“量的依存关系”的几何意义,联想圆或圆锥曲线等曲线的定义确认曲线的类型,是问题求解的首要关键。其次是建立恰当的平面直角坐标系,求出曲线的方程。

隧道工程分析题(隧道工程问题中的数学)(11)

例2 某工程中心接到其正东、正西、正北方向三个观测点的报告:正西、正北两个观测点同时听到一声巨响,正东观测点听到该巨响的时间比其他两观测点晚4s,已知各观测点到中心的距离都是1020m,试确定该巨响发生的位置(假定当时声音传播的速度为340m/s;相关各点均在同一平面上)。

分析:题目中主要语句包含明显的几何意义:

“同时听到一声巨响”说明爆炸点到正西、正北两个观测点的距离相等。挖掘其几何意义,即爆炸点在正西、正北两个观测点连线段的中垂线上。

“正东观测点听到该巨响的时间比其他两观测点晚4s”说明爆炸点到其他观测点的距离-爆炸点与正东观测点距离=4×340。挖掘其几何意义,即爆炸点在以正西(或正北)观测点、正东观测点为焦点的双曲线上。

因此,可转化为相关的几何问题求解。

解:如图,以接报中心为原点O,正东、正北方向为x轴、y轴正方向,建立平面直角坐标系。设A、B、C分别是西、东、北观测点,则A(-1020,0),B(1020,0),C(0,1020),设P(x,y)为巨响发生点,

隧道工程分析题(隧道工程问题中的数学)(12)

由A、C同时听到巨响声,得,

隧道工程分析题(隧道工程问题中的数学)(13)

故P在AC的垂直平分线PO上,PO的方程为y=-x,

因B点比A点晚4s听到爆炸声,故

隧道工程分析题(隧道工程问题中的数学)(14)

由双曲线定义可知P点在以A、B为焦点的双曲线上,

隧道工程分析题(隧道工程问题中的数学)(15)

依题意得a=680,c=1020,

隧道工程分析题(隧道工程问题中的数学)(16)

故双曲线方程为

隧道工程分析题(隧道工程问题中的数学)(17)

用y=-x代入上式,得,

隧道工程分析题(隧道工程问题中的数学)(18)

隧道工程分析题(隧道工程问题中的数学)(19)

隧道工程分析题(隧道工程问题中的数学)(20)

隧道工程分析题(隧道工程问题中的数学)(21)

答:巨响发生在接报中心的西偏北45°距中心680*(10)^m处。

类型三:求解的目标与最值相关,且给定的“量的依存关系”兼有次数为“1”的等量关系和不等关系。

这时,往往考虑构建线性规划模型,利用线形规划的知识求解

值得注意的是,这类应用题题目往往较长,涉及的名词和术语也较多。因此,构建出各种“量的依存关系”,不可回避地成为本类问题的难点。常见的做法为:

(1)利用字母、代数式等数量形式表示相关的名词和术语。

(2)利用表格、示意图等数学方法理顺各语句的与数量有关(无关的往往不考虑)的名词、术语及其相互间关系,揭示各个量之间的内在联系。

例3 制定工程投资计划时,不仅要考虑可能获得的盈利,而且要考虑到可能出现的亏损。

某投资人打算投资甲、乙两个项目,根据预测,甲、乙项目可能的最大盈利率分别为100℅和50℅,可能的最大亏损率分别为30℅和10℅,投资人计划投资的金额不超过10万元,要求确保可能的资金亏损不超过1.8万元,问投资人对甲、乙两个项目各投资多少万元,才能使可能的盈利最大?

分析:把题目条件和所求中涉及的与数量有关的名词、术语及其关系用数学表格转译,有:

隧道工程分析题(隧道工程问题中的数学)(22)

显然,题中“量的依存关系”兼有次数为“1”的等量关系和不等关系,求解的目标又与最值相关,故可用线性规划的知识求解。

解: 设投资人分别用x万元、y万元投资甲、乙两个项目,由题意知:

x y ≤ 10,

0.3x 0.1y ≤ 1.8 ,

x ≥0,y≥0。

目标函数: z=x 0.5y。

上述不等式组表示的平面区域如图所示,阴影部分(含边界)即可行域。

隧道工程分析题(隧道工程问题中的数学)(23)

作直线L0: x 0.5y=0,并作平行于直线L0的一组直线x 0.5y=z,z∈R与可行域相交,其中有一条直线经过可行域上的M点,且与直线L0的距离最大。这里M点是直线x y=10和 0.3x 0.1y =1.8 的交点。

解方程组:x y=10;0.3x 0.1y =1.8 。

得x=4,y=6。此时z=1×4 0.5×6=7(万元)

∵7>0,∴ 当x=4,y=6时,z取得最大值。

答:投资人用4万元投资甲项目,6万元投资乙项目,才能在确保亏损不超过1.8万元的前提下,使可能的盈利最大。

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