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數學建模優秀作(zuò)品

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2016C題---“月(yuè)(yuè)上(shàng)柳梢頭”研究模型的建立與分(fēn)析
發布時間:2016-04-26 09:42  作(zuò)者:admin 來源:競賽組委會  閱讀次數:
                           關于“月(yuè)(yuè)上(shàng)柳梢頭”研究模型的建立與分(fēn)析
 
                     山東英才學院  盧敏  安玉薔   王琪   指導教師   李飛
 

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摘要:
本文首先結合詩詞意境,對“月(yuè)(yuè)上(shàng)柳梢頭,人(rén)約黃昏後”進行了(le)簡要解析,指出其爲正月(yuè)(yuè)十五月(yuè)(yuè)圓之夜的情景。後從天文學的角度出發,給出了(le)“黃昏後”的定義:從日落到天黑的一(yī)時間段;而月(yuè)(yuè)亮的高度角處于20度到60度之間時稱爲“月(yuè)(yuè)上(shàng)柳梢頭”。
對于問題一(yī),爲便于分(fēn)析,引入0、1函數TP和AP,定義時間落于日落和天黑之間時TP爲1,否則爲0;而月(yuè)(yuè)亮高度角介于20度到60度時AP爲1,否則爲0,建立了(le)以二者的邏輯或運算(suàn)等于1爲目标函數,以日落時間、天黑時間、月(yuè)(yuè)球的黃經、黃緯、高度角限制等爲約束條件的模型,并根據已有的天文資料,分(fēn)别選擇不同地域,不同時間的日落時間、天黑時間以及月(yuè)(yuè)球高度角進行了(le)對照和結果分(fēn)析,最終确定了(le)所建模型的合理(lǐ)性。
對于問題二,由于要同時分(fēn)析“月(yuè)(yuè)上(shàng)柳梢頭,人(rén)約黃昏後”發生(shēng)的日期和時間,所以先對問題一(yī)的模型稍作(zuò)修改:将TP、AP的邏輯與運算(suàn)等于1爲目标函數,約束條件不變。最後結合月(yuè)(yuè)相的相關知識,利用EXCEL公式和函數編程運算(suàn)得出2016年的北京地區發生(shēng)的日期和時間。然後分(fēn)别将哈爾濱、上(shàng)海、廣州、昆明、成都、烏魯木齊的已知數據代入模型,得出這幾個地方均能(néng)發生(shēng)這一(yī)情景,隻不過是發生(shēng)的日期和時間以及總天數稍有差别。
關鍵字:月(yuè)(yuè)球高度角    月(yuè)(yuè)相    0、1函數    EXCEL函數

 
一(yī)、問題重述
1.1 問題背景
以北宋學者歐陽修的名句“月(yuè)(yuè)上(shàng)柳梢頭,人(rén)約黃昏後”作(zuò)爲問題背景展開討(tǎo)論。

 

  1. 問題提出
首先要求給出“月(yuè)(yuè)上(shàng)柳梢頭”時月(yuè)(yuè)亮在空中的角度和什(shén)麽時間稱爲“黃昏後”的定義。然後根
據天文學的基本知識,在适當簡化(huà)的基礎上(shàng),建立數學模型,分(fēn)别确定“月(yuè)(yuè)上(shàng)柳梢頭”和“人(rén)約黃昏後”發生(shēng)的日期與時間。并根據已有的天文資料(如(rú)太陽和月(yuè)(yuè)亮在天空中的位置、日出日沒時刻、月(yuè)(yuè)出月(yuè)(yuè)沒時刻)驗證所建模型的合理(lǐ)性。
根據所建立的模型,分(fēn)析2016年北京地區“月(yuè)(yuè)上(shàng)柳梢頭,人(rén)約黃昏後”發生(shēng)的日期與時間。根據模型判斷2016年在哈爾濱、上(shàng)海、廣州、昆明、成都、烏魯木齊是否能(néng)發生(shēng)這一(yī)情景?如(rú)果能(néng),請給出相應的日期與時間;如(rú)果不能(néng),請給出原因。
二、問題分(fēn)析
“月(yuè)(yuè)上(shàng)柳梢頭,人(rén)約黃昏後”出自北宋歐陽修的《生(shēng)查子(zǐ)》,描述的是元宵佳節,一(yī)對彼此傾心的戀人(rén),在黃昏相約時唯美而憂傷的情感。當時的情景應該是這樣的:太陽剛剛落下(xià)地平線,天還沒有完全黑下(xià)來,一(yī)輪圓月(yuè)(yuè)升起在東南(nán)方向的天空。如(rú)果抛開詩詞的背景,根據月(yuè)(yuè)相的相關知識,在天氣晴好(hǎo)(hǎo)的情況下(xià),農曆每月(yuè)(yuè)初二至十五的黃昏時刻,都可以看到月(yuè)(yuè)亮,隻是不同地點緯度不同,人(rén)與“柳樹”的距離不同,所能(néng)看到的“月(yuè)(yuè)上(shàng)柳梢頭”的景象亦不相同。
本題首先需要定義“月(yuè)(yuè)上(shàng)柳梢頭”時月(yuè)(yuè)亮在空中的角度和什(shén)麽時間稱爲“黃昏後”,以此爲基礎
建立數學模型,分(fēn)别确定“月(yuè)(yuè)上(shàng)柳梢頭”和“人(rén)約黃昏後”發生(shēng)的日期與時間,并驗證模型合理(lǐ)性;然後根據所建立的模型,分(fēn)析2016年北京、哈爾濱、上(shàng)海、廣州、昆明、成都、烏魯木齊發生(shēng)“月(yuè)(yuè)上(shàng)柳梢頭,人(rén)約黃昏後”這一(yī)情景的情況。
對于“人(rén)約黃昏後”的定義可從日落和天黑二者之間的時間段考慮,即處于兩時間之間即可,所以“黃昏後”可定義爲一(yī)時間範圍。而“月(yuè)(yuè)上(shàng)柳梢頭”體現的爲一(yī)角度的問題,所以需找出月(yuè)(yuè)球的高度角跟哪些(xiē)參數有關,在已知參數的情況下(xià)求解出高度角。
對于問題一(yī),要求分(fēn)别求出“月(yuè)(yuè)上(shàng)柳梢頭”和“人(rén)約黃昏後”發生(shēng)的日期與時間,所以建立模型時需注意到“分(fēn)别”,即建立兩個模型,二者有一(yī)個條件滿足即可。而問題二,要求同時确定“月(yuè)(yuè)上(shàng)柳梢頭,人(rén)約黃昏後”發生(shēng)的日期和時間,所以需二者均滿足方可,所以問題二再求解時需稍微做出調整。
三、模型假設與約定
1、假設在考察範圍内的每一(yī)天天氣均保持晴朗,可見度正常,不影響月(yuè)(yuè)球與太陽的正常顯示;
2、假設已知數據準确無誤;
3、假設數據的微小差距是誤差允許的;
4、求月(yuè)(yuè)球的黃經、黃緯等參數時僅考慮其主要的周期項,忽略次要的周期相,黃經緯度的經度有所保留;
5、求解日出日落時間時進行粗略的計算(suàn),精度保留至分(fēn);
6、忽略天體間的次要相互作(zuò)用;
7、忽略人(rén)的身(shēn)高和樹高問題,假設二者可随月(yuè)(yuè)球的位置的變化(huà)适當做出調整。
四、符号說明及名詞解釋
4.1 符号說明

符号 說明
赤經:一(yī)般表達爲時間單位,即用時、分(fēn)、秒(miǎo)表示,用公式計算(suàn)時以“度”爲單位
赤緯:天赤道以北定義爲正,天赤道以南(nán)定義爲負
黃經:從春風點沿黃道測量的精度
黃緯:黃道以北爲正,以南(nán)爲負
地平緯度:地平線以上(shàng)爲正,地平線以下(xià)爲負
地平經度(方向角):從南(nán)開始測量
黃赤交角:黃道與天赤道的夾角
本地時角,從南(nán)向西(xī)測量
本地恒星時
格林尼治恒星時
觀察者(站(zhàn))經度
觀察者(站(zhàn))緯度:北半球爲正,南(nán)半球爲負
儒略曆書日:以力學時(或曆書時)爲标尺的計數
4.2 名詞解釋
本文在研究天體的運動情況時,需用到以下(xià)幾組主要的名詞,現給出解釋如(rú)下(xià)(見參考文獻[1,2,3,4,5]):

  1. 黃道坐标系:地球繞太陽公轉的軌道平面是黃道坐标系中的基本平面﹐稱爲黃道面。黃道面與天球相交的大圓稱爲黃道﹐它是太陽周年視運動軌迹在天球上(shàng)的投影;
  2. 地平坐标系:以地平圈爲基圈﹑子(zǐ)午圈爲主圈﹑南(nán)點爲主點的坐标系稱爲地平坐标系;
  3. 赤道坐标系:地球赤道平面延伸後與天球相交的大圓﹐稱爲天赤道。天赤道的幾何極稱爲天極。天赤道是赤道坐标系中的基圈﹐北天極P 是赤道坐标系的極。由于所取主點以及随之而來的經向坐标的不同,赤道坐标系又分(fēn)第一(yī)赤道坐标系和第二赤道坐标系。第二赤道坐标系或簡稱赤道坐标系,主點取爲春分(fēn)點。
  4. 時角坐标系:第一(yī)赤道坐标系又稱時角坐标系,與觀測者有關。主點取爲天赤道與觀測者的天頂以南(nán)那段子(zǐ)午圈的交點。從主點起沿天赤道量到天球上(shàng)一(yī)點的赤經圈與天赤道交點的弧長爲經向坐标,稱爲時角。
上(shàng)述坐标系中涉及到的相關名詞及特性見下(xià)表1所示: