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数学建模与探究

一句话

建模把现实问题写成可检查的数学关系,再把答案放回现实检验和修正。

本页目标:提出假设、选择模型、计算解释并用数据或反例检验模型。按已经学过的内容选择基础或提高题。

前置知识

  • 一次函数

    需要会:解释一次函数斜率截距,求交点并建立线性情境模型

  • 抽样与统计估计

    需要会:选择适当抽样方法,用样本估计总体并说明偏差和不确定性

  • 相似三角形

    需要会:用比例与对应角证明相似,处理长度比、面积比和相似应用

概念与推导

本页定位:课程基础。

从问题到可计算对象

先说明要回答什么:比较费用、估计高度还是预测数量。定义变量、单位、时间范围与合法取值,再写出假设。例如按页收费的页数是非负整数,水量计算需要统一秒与分钟,测影需要同一时刻、平地和竖直对象。

假设不是偷偷省略的信息。把哪些变化暂时忽略写出来,才能知道模型何时需要改。固定费加按量费产生一次关系,不同收费区间产生分段关系;几何比例需要证明对应三角形相似,不能只因图看起来相近就套比值。

解数学问题,再解释单位和范围

费用相等点只是分界,还需比较两侧并检查实际数量。连续函数顶点若在小数位置,不一定是整数决策可选项;要比较相邻合法整数。面积、体积随长度缩放分别按平方、立方变化,最后还要正确换单位。

本页三个例题分别展示费用比较、相似测量及预测失配,练习再处理流量单位、分段计价、面积缩放和离散优化。每道情境题的数据和规则均为自编假设,不冒充真实收费或实测研究。

用数据和反例验证

代回方程能检查数学运算;与新的现实观察比较能检查模型假设,两种检查不同。仅凭两个时点翻倍,不能证明未来持续指数增长。观测28而预测40时,应检查记录误差、环境变化和固定倍数假设,而不是把观测改成预测。

拟合后检查残差的方向与结构,必要时保留一部分数据作独立验证。样本选择偏差、测量误差和超出已观察范围都可能影响解释。模型应报告适用范围及误差,不能仅以图像贴合或一次命中宣称普遍规律。

修改假设与说明结论

发现失配后,优先确定哪条假设不再成立,再选择是否增加变量、改变关系或缩小适用区间。新模型也要接受新数据检验;不是越复杂就越好。

一份完整建模说明应能回答:问题是什么,数据从何而来,用了哪些假设,变量和关系是什么,怎样计算,答案意味着什么,哪些观察支持或反驳模型。可以先做一个可检查的小模型,再逐步改进。

公式与条件

没有一条万能建模公式。可行域、单位、假设、数据获取与回代检验共同构成判定条件;实际问题改变时重新检查它们。

典型例题

例 1(计费关系与整数范围)

自编打印收费模型:甲方案固定费30元,另每页0.1元;乙无固定费,每页0.4元。设页数n为非负整数,求费用相等的页数,并比较打印150页的选择。

解与结论

100页费用相等,均40元;150页甲45元、乙60元,甲便宜15元。

  1. 建立C甲=30+0.1n、C乙=0.4n。相等时0.3n=30,n=100为合法整数。再代150比较,不因交点已经求出就省略具体费用。

    为什么这样做

    变量、单位、可行域与收费假设共同决定模型;交点只给分界。

易错与反例
  • 不能把固定费当每页费,也不能允许半页打印后不作解释。

本例与题库共用题面、答案和解析。进入题组并选择独立练习或复测

例 2(相似测影的假设)

同一时刻平地上,竖直标杆高1.6米、影长2.4米;竖直树的影长9米。假设太阳光平行,求树高(米)。

解与结论

6

  1. 两个直角三角形有相同太阳光夹角,故相似;树高/9=1.6/2.4,得6米。

    为什么这样做

    同一时刻、平地、竖直与平行光保证对应角条件,才能比较相应边比。

易错与反例
  • 不同时间测影或坡面上直接套比例可能不符合模型。

本例与题库共用题面、答案和解析。进入题组并选择独立练习或复测

例 3(新数据怎样检验预测)

自编观测:t=0、1时数量分别10、20。提出N(t)=10×2ᵗ,预测t=2为40,实际观测28。应该怎样检查模型?

解与结论

先检查记录与单位,再检验“每单位时间翻倍”假设;差值28−40=−12说明该次预测偏高,不能仅改答案成28继续宣称原模型有效。

  1. 两个点能与多个模型一致,不能证明指数增长会持续。应补充更多时点、检查环境和容量变化,再比较修改后的模型能否解释新数据。

    为什么这样做

    建模包含与未参与拟合的数据对照;计算正确不保证假设适合现实。

易错与反例
  • 不能用前两个点的拟合当作所有未来时刻的证明。

本例与题库共用题面、答案和解析。进入题组并选择独立练习或复测

易错与反例

  • 数学推导正确不保证现实假设成立。
  • 相关、短期趋势与因果或长期规律不同。
  • 单位、整数限制、分段条件与缩放幂次都属于模型本身。
  • 拟合已有数据后仍需用新的观察检验。

衔接提示

练习

11 道题。先独立作答,答案和解析默认收起。

第 1 题 提高 · 示例(讲解中已出现)

自编打印收费模型:甲方案固定费30元,另每页0.1元;乙无固定费,每页0.4元。设页数n为非负整数,求费用相等的页数,并比较打印150页的选择。

查看答案

100页费用相等,均40元;150页甲45元、乙60元,甲便宜15元。

查看逐步解析与易错点
  1. 建立C甲=30+0.1n、C乙=0.4n。相等时0.3n=30,n=100为合法整数。再代150比较,不因交点已经求出就省略具体费用。

    为什么这样做

    变量、单位、可行域与收费假设共同决定模型;交点只给分界。

易错与反例

  • 不能把固定费当每页费,也不能允许半页打印后不作解释。

本机记录

来源:自编。 需推理复核;未自动验证展示答案。 AI辅助逐题复核:Codex,2026-09-09。

回补:数学建模与探究。一道题出错只提供候选线索。

第 2 题 基础 · 示例(讲解中已出现)

同一时刻平地上,竖直标杆高1.6米、影长2.4米;竖直树的影长9米。假设太阳光平行,求树高(米)。

查看答案

6

查看逐步解析与易错点
  1. 两个直角三角形有相同太阳光夹角,故相似;树高/9=1.6/2.4,得6米。

    为什么这样做

    同一时刻、平地、竖直与平行光保证对应角条件,才能比较相应边比。

易错与反例

  • 不同时间测影或坡面上直接套比例可能不符合模型。

本机记录

来源:自编。 断言已执行并通过,读取结构化答案。 AI辅助逐题复核:Codex,2026-09-09。

回补:数学建模与探究 · 相似三角形。一道题出错只提供候选线索。

第 3 题 提高 · 示例(讲解中已出现)

自编观测:t=0、1时数量分别10、20。提出N(t)=10×2ᵗ,预测t=2为40,实际观测28。应该怎样检查模型?

查看答案

先检查记录与单位,再检验“每单位时间翻倍”假设;差值28−40=−12说明该次预测偏高,不能仅改答案成28继续宣称原模型有效。

查看逐步解析与易错点
  1. 两个点能与多个模型一致,不能证明指数增长会持续。应补充更多时点、检查环境和容量变化,再比较修改后的模型能否解释新数据。

    为什么这样做

    建模包含与未参与拟合的数据对照;计算正确不保证假设适合现实。

易错与反例

  • 不能用前两个点的拟合当作所有未来时刻的证明。

本机记录

来源:自编。 需推理复核;未自动验证展示答案。 AI辅助逐题复核:Codex,2026-09-09。

回补:数学建模与探究 · 指数函数与对数函数。一道题出错只提供候选线索。

第 4 题 基础 · 独立练习

水流恒为5升/分钟,持续120秒;忽略启动与流量变化。求流出水量(升)。

查看答案

10

查看逐步解析与易错点
  1. 120秒=2分钟,体积5×2=10升;也可V=5t/60,t以秒计。

    为什么这样做

    相乘前把时间单位与流量分母统一,公式才有体积单位。

易错与反例

  • 直接5×120得到的数值没有正确消去分钟与秒的差别。

本机记录

来源:自编。 断言已执行并通过,读取结构化答案。 AI辅助逐题复核:Codex,2026-09-09。

回补:数学建模与探究。一道题出错只提供候选线索。

第 5 题 基础 · 独立练习

自编计价规则:起步3千米以内10元,超过部分每千米2元,按实际距离连续计价且无其他费用。4.5千米收费多少元?

查看答案

13

查看逐步解析与易错点
  1. 超出4.5−3=1.5千米,费用10+2×1.5=13元。

    为什么这样做

    只对超出起步范围的距离另收费,模型是分段规则。

易错与反例

  • 不能对全部4.5千米重复收每千米费用,也不擅自引入取整收费。

本机记录

来源:自编。 断言已执行并通过,读取结构化答案。 AI辅助逐题复核:Codex,2026-09-09。

回补:数学建模与探究。一道题出错只提供候选线索。

第 6 题 基础 · 独立练习

几何模型与实物相似,长度比例模型:实物=1:50。模型某块面积12平方厘米,对应实物面积多少平方米?

查看答案

3

查看逐步解析与易错点
  1. 面积比为1:2500,实物面积12×2500=30000平方厘米=3平方米。

    为什么这样做

    相似形面积按长度比例的平方变化,再按1平方米=10000平方厘米换单位。

易错与反例

  • 面积不能只乘50,也不能把平方厘米按100直接换成平方米。

本机记录

来源:自编。 断言已执行并通过,读取结构化答案。 AI辅助逐题复核:Codex,2026-09-09。

回补:数学建模与探究 · 相似三角形。一道题出错只提供候选线索。

第 7 题 基础 · 独立练习

自编收益模型R(n)=10−(n−2.4)²,数量n只能取0到5的整数。依次求最优n和最大模型收益。

查看答案

(2,9.84)

查看逐步解析与易错点
  1. 离2.4最近的合法整数为2(距离0.4),相邻3距离0.6,更远整数距离更大;R(2)=10−0.16=9.84。

    为什么这样做

    模型最大化等价于最小化平方距离,但可行域是整数,不能直接取实数顶点。

易错与反例

  • n=2.4不是合法数量,不能报收益10为可取得最大值。

本机记录

来源:自编。 断言已执行并通过,读取结构化答案。 AI辅助逐题复核:Codex,2026-09-09。

回补:数学建模与探究。一道题出错只提供候选线索。

第 8 题 提高 · 独立练习

模型ŷ=10+2x用于数据(1,13)、(2,16)、(3,19)。三个残差逐渐增大,应检查什么?

查看答案

残差为1、2、3,提示模型可能低估随x增长的趋势;需检查斜率、变量遗漏或模型形式,并用更多独立数据验证。

查看逐步解析与易错点
  1. 实际值减拟合值分别为13−12、16−14、19−16。残差有方向性变化,不能只报告一个总误差而忽略结构。

    为什么这样做

    残差提供修正假设的线索,单组样本不能保证某一替代模型永远正确。

易错与反例

  • 把斜率调到恰好拟合已有点,不代表未来预测一定可靠。

本机记录

来源:自编。 需推理复核;未自动验证展示答案。 AI辅助逐题复核:Codex,2026-09-09。

回补:数学建模与探究 · 统计推断(成对数据分析、回归与独立性检验)。一道题出错只提供候选线索。

第 9 题 基础 · 独立复测

水流恒为3升/分钟,持续150秒,忽略启动过程。求水量(升)。

查看答案

7.5

查看逐步解析与易错点
  1. 150秒=2.5分钟,水量3×2.5=7.5升。

    为什么这样做

    所用时间单位必须与流量单位匹配,结果仍依赖流量恒定假设。

易错与反例

  • 把150直接当分钟会放大60倍。

本机记录

来源:自编。 断言已执行并通过,读取结构化答案。 AI辅助逐题复核:Codex,2026-09-09。

回补:数学建模与探究。一道题出错只提供候选线索。

第 10 题 基础 · 独立复测

同一时刻平地上竖直标杆高1.5米、影长2米,竖直树影长10米。平行光条件下求树高(米)。

查看答案

7.5

查看逐步解析与易错点
  1. 相似给树高/10=1.5/2,故树高7.5米。

    为什么这样做

    对应的高与影长取同一种顺序,平行光和直角条件支持相似。

易错与反例

  • 不能倒用一组比而保持另一组不变。

本机记录

来源:自编。 断言已执行并通过,读取结构化答案。 AI辅助逐题复核:Codex,2026-09-09。

回补:数学建模与探究 · 相似三角形。一道题出错只提供候选线索。

第 11 题 基础 · 独立复测

自编收益模型R(n)=12−(n−3.6)²,n只能取0到6的整数。依次求最优n与最大模型收益。

查看答案

(4,11.84)

查看逐步解析与易错点
  1. 比较离3.6最近的整数3、4,距离分别0.6、0.4;更远的整数收益更小。所以n=4,R=12−0.16=11.84。

    为什么这样做

    在整数可行域内最小化平方距离,不能直接取实数顶点。

易错与反例

  • 3.6虽是连续模型顶点,却不是合法数量。

本机记录

来源:自编。 断言已执行并通过,读取结构化答案。 AI辅助逐题复核:Codex,2026-09-09。

回补:数学建模与探究。一道题出错只提供候选线索。

后继知识

本轮未登记直接后继,可用独立练习检验迁移能力。

依据

课程依据:高中:数学建模与探究。已定位原件主题,非全文逐字审定,核验范围与日期见引用中心。

教材版本与映射 · 纠错记录。具体学习安排须结合所用教材及已具备的能力。