2006C題 易拉罐形狀和尺寸的最優(yōu)設(shè)計

1、易拉罐形狀和尺寸的最優(yōu)設(shè)計摘要本題在建立數(shù)學模型的基礎(chǔ)上，用LINGO實證分析了各種標準下易拉罐的優(yōu)化設(shè)計問題，并將實測數(shù)據(jù)和模型摸擬結(jié)果進行了對比分析。結(jié)論表明，易拉罐的設(shè)計不但要考慮材料成本（造價），還要滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、美觀、方便使用等方面的要求。在第二個問題中，易拉罐被假定為圓柱體，針對材料最省的標準，得到了不同頂部、底部與側(cè)面材料厚度比時的最優(yōu)設(shè)計方案。針對材料厚度的不同，建立兩個模型：模型一，設(shè)易拉罐各個部分厚度和材料單價完全相同，最優(yōu)設(shè)計方案為半徑與高的比（為圓柱的高，為圓柱的半徑）；模型二，設(shè)易拉罐頂蓋、底部厚度是罐身的3倍，通過計算得到半徑與高時，表面積最小。一般情況下，當頂蓋、

2、底部厚度是罐身的倍時，最優(yōu)設(shè)計方案為。在第三問中，針對圓柱加圓臺的罐體，本文也建立了兩個模型：模型三，設(shè)易拉罐整體厚度相同，利用LINGO軟件對模型進行分析，得出當(為圓臺的高，為圓臺上蓋的半徑）時，設(shè)計最優(yōu)；模型四，假設(shè)罐頂蓋、底部的厚度是罐身的3倍，同樣利用軟件LINGO對其進行分析，得出，時材料最省,即頂部為圓錐時材料最省，模型的結(jié)果在理論上成立，但與實際數(shù)據(jù)不符。原因是廠商在制作易拉罐時，不僅要考慮材料最省，還要考慮開蓋時所受到的壓力、制造工藝、外形美觀、堅固耐用等因素。在第四問中，本文根據(jù)第三問中模型最優(yōu)設(shè)計結(jié)果與實測數(shù)據(jù)的誤差，調(diào)整了的設(shè)計標準，在材料最省的基礎(chǔ)上，加入了方便使用，

3、物理結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定等標準。通過比較發(fā)現(xiàn)，前面四個模型中，模型二和模型四體現(xiàn)了硬度方面的要求。進一步對模型二、四進行比較，發(fā)現(xiàn)模型四的結(jié)論更優(yōu)。為此，將模型四結(jié)論中的底部也設(shè)計為圓錐。此時，材料最省。但是，兩端都設(shè)計為圓錐時，無法使用。因此，將項部和底部設(shè)計為圓臺，并考慮拉環(huán)長度和手指厚度（易于拉動拉環(huán)）時，得到圓臺頂端和底部半徑都為2.7。此時，易拉罐形狀和尺寸最優(yōu)。如果設(shè)計為旋轉(zhuǎn)式拉環(huán)，時，可以得到優(yōu)于現(xiàn)實中易拉罐的設(shè)計方案。最后，本文總結(jié)了此次數(shù)學建模中有益的經(jīng)驗-在數(shù)學建模過程必須靈活應(yīng)用從簡到繁、由易到難不斷擴展的研究方法，并且要充分發(fā)揮數(shù)學軟件在優(yōu)化設(shè)計中無可比擬的優(yōu)勢；同時，通過此次數(shù)

4、學建模比賽深刻體會到了數(shù)學工具在生產(chǎn)實踐中的重要作用。關(guān)鍵詞：易拉罐 最優(yōu)設(shè)計 材料體積 lingo軟件文中符號注解R:圓柱半徑r:圓臺半徑H:圓柱高h:圓臺高S:易拉罐表面積V:易拉罐體積MIN:最小化為方便在LINGO軟件中計算，定義：X1:在軟件LINGO中的圓柱半徑（R）X2:在軟件LINGO中的圓柱高（H）X3:在軟件LINGO中的圓臺半徑（r）X4:在軟件LINGO中的圓臺高(h)第一問：取一個飲料量為355毫升的易拉罐，例如355毫升的可口可樂飲料罐，測量你們以為驗證模型所需要的數(shù)據(jù)，例如易拉罐各部分的直徑、高度、厚度等，并把數(shù)據(jù)列表加以說明：如果數(shù)據(jù)不是你們自己測量得到的，那么

5、你們必須注明出處。表1：數(shù)據(jù)測量結(jié)果1(mm)2(mm)3(mm)4(mm)平均（mm）D1(罐蓋直徑)57.8458.3058.0458.6058.20D2（罐身直徑）65.7065.5665.5165.5865.60D3（罐底直徑）47.5647.6247.1847.7447.53X1（罐蓋厚度）0.3140.3020.3150.3100.310X2（罐身厚度）0.1080.1100.1140.1100.111X3（罐底厚度）0.3270.3200.3390.3440.333H1（罐蓋高度）10.3010.9810.429.9610.42H2（罐身高度）101.98102.06102.36

6、101.92102.08H3（罐底高度）5.625.305.124.865.23L（罐蓋斜邊長度）0.1930.2040.2100.2010.202拉環(huán)長度42534248424842514250注：數(shù)據(jù)由測量可口可樂355ml易拉罐所得。本文測量以上數(shù)據(jù)是為了在以下建模中，提供數(shù)據(jù)和驗證結(jié)果。重要的是，拉環(huán)長度與易拉罐項部直徑相差約1.53厘米左右，正好是指頭厚度。顯然是使用方便設(shè)計的。第二問 設(shè)易拉罐是一個正圓柱體。什么是它的最優(yōu)設(shè)計？其結(jié)果是否可以合理地說明你們所測量的易拉罐的形狀和尺寸，例如說，半徑和高之比，等等。一 問題重述一個飲料量為355毫升的易拉罐，找出易拉罐的最優(yōu)設(shè)計。假設(shè)它

7、是一個正圓柱體，在不考慮易拉罐受外界影響下，求在正圓柱體的表面積最小時，底半徑r與高度h的比值。二 問題分析假設(shè)最優(yōu)化條件為保證容積的情況下，使制作易拉罐所需材料最?。ū砻娣e為最?。Ｔ诒砻娣e為最小時，設(shè)圓柱形的體積V為常數(shù)，求底半徑r與高度h的比值，如果能求出一定比例，就能找出模型最優(yōu)設(shè)計。在建立模型之前，必須考慮易拉罐的厚度，一種是在考慮節(jié)約材料前提下，另一種是在考慮材料受力的情況。三 模型假設(shè)、建立與求解（一）易拉罐整體厚度相同時的最優(yōu)設(shè)計模型1、 假設(shè)：（1）易拉罐是正圓柱體 （2）易拉罐整體厚度均相同2、 確定變量和參數(shù)：設(shè)易拉罐內(nèi)半徑為R，高為H，,厚度為a，體積為V，其中r和h是

8、自變量，所用材料的面積S是因變量，而V是固定參數(shù)，則S和V分別為：， 設(shè)3、 模型建立：其中S是目標函數(shù)，是約束條件，V是已知的，即要在體積一定的條件下求S的最小值時，r和h的取值是多少4、模型求解因為按照實際測量數(shù)據(jù)可知，所以帶，的項可以忽略，且，則有 求的最小值，令其導數(shù)為零，即，解得臨界點為，則因為，則，所以當R:H=1:2時，是S最優(yōu)解5.模型結(jié)論在假設(shè)易拉罐是正圓柱體且厚度均相同的條件下，當體積為固定參數(shù)，而表面積最小時，通過對面積求導，得到高是半徑的兩倍，r:h=1:2，此時，模型最優(yōu)。（二） 易拉罐頂蓋、底蓋厚度與罐體厚度不同時的最優(yōu)設(shè)計模型1、假設(shè)：（1）易拉罐是正圓柱體 （2

9、）易拉罐頂蓋、底蓋厚度為3a,其它部分厚度為a2、確定變量和參數(shù)：設(shè)飲料內(nèi)半徑為R，高為H，體積為V，易拉罐頂蓋、底蓋厚度為a,其它部分厚度為b。其中r和h是自變量，所用材料的體積S是因變量，而a,b,c和V是固定參數(shù)。則S和V分別為：，設(shè)3、模型建立：其中S是目標函數(shù)，是約束條件，厚度比例與V是已知的，即要在體積V一定的條件下求r和h的取值是多少時體積S最小4、 模型求解因為按照實際測量數(shù)據(jù)可知，所以帶，的項可以忽略，且，則 求的最小值，令其導數(shù)為零，即，解得臨界點為，則因為，則，因此當H=6R時，S為最優(yōu)解觀察模型（一）與模型（二），可見當厚度比例不同時，半徑與高的比不同，似乎有一定的聯(lián)系

10、，因此我們假設(shè)頂與底蓋厚度為ab，壁的厚度為a，其中b為比例系數(shù)，則因為按照實際測量數(shù)據(jù)可知，所以帶，的項可以忽略，且，則有 求的最小值，令其導數(shù)為零，即，解得臨界點為，則因為，則，因此當R:H=1:2b時，S為最優(yōu)解5.模型結(jié)論在假設(shè)易拉罐是正圓柱體，且頂蓋、底部的厚度是罐身的三倍的條件下，當體積為固定參數(shù)，而表面積最小時，通過對表面積求導，得到半徑與高的比是一比六，R:H=1:6，此時，觀察模型（一）與模型（二），可見當厚度比例不同時，半徑與高的比不同，似乎有一定的聯(lián)系，因此本題假設(shè)頂與底蓋厚度為ab，壁的厚度為a，其中b為比例系數(shù)，則R:H=1:2b四、模型評價在不考慮厚度的情況下，考慮

11、節(jié)約材料前提下得到，底半徑r是高度h的一半時，圓柱的表面積最小?？紤]易拉罐頂蓋、底蓋厚度與罐體厚度不同的情況下，考慮了材料的厚度，因此，建立頂端是側(cè)壁的三倍厚度（因為此比例有利于罐身受力，便于開蓋），高度h是底半徑r的6倍時，圓柱的表面積最小。第一二種模型相較之下，第二種模型更費材料，第一種模型設(shè)計更優(yōu)。所以，在不受力的情況下，假設(shè)易拉罐是一個正圓柱體，當?shù)装霃絩是高度h的一半時，模型最優(yōu)。不過，本文通過實際數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，廠商制作易拉罐時，不單單是考慮材料最省，可能還考慮到開蓋時所受到的壓力，外形美觀等因素，由于能力有限暫時無法解釋。第三問：設(shè)易拉罐的中心縱斷面如下圖所示，即上面部分是一個正圓臺，

12、下面部分是一個正圓柱體。什么是它的最優(yōu)設(shè)計？其結(jié)果是否可以合理地說明你們所測量的易拉罐的形狀和尺寸。一、 問題描述通常，在現(xiàn)實生活中，本文所見地易拉罐都不是單純的正圓柱體，一般都是混合的三維圖形。由于實際生活中，易拉罐是受到外力的影響（如開蓋時的拉力，堆放時的壓力等等），因此，本文依照生活中的易拉罐，設(shè)易拉罐的中心縱斷面如圖1所示，即上面部分是一個正圓臺，下面部分是一個正圓柱體。通過計算和測量，在理論的基礎(chǔ)上，建立易拉罐最優(yōu)設(shè)計的模型。圖1二、問題分析本文假設(shè)最優(yōu)化條件為保證容積的情況下，使制作易拉罐所需材料最?。ū砻娣e為最?。?。由于易拉罐形狀不是單純的正圓柱體，所以本文建立模型時，先假設(shè)易拉

13、罐上部分是一個正圓臺，下部分是一個正圓柱體。然后，考慮易拉罐的厚度，在厚度一致時，利用lingo軟件，計算出模型的最優(yōu)解；通過本文觀察發(fā)現(xiàn)易拉罐頂蓋的厚度是罐身的三倍，所以，假設(shè)另一種模型當易拉罐頂蓋、底蓋厚度為a，其余部分為b，且a:b=3：1，體積V=355ml時，同樣利用lingo軟件，計算出模型的最優(yōu)解。三 模型假設(shè)、建立與求解（一）第三種易拉罐形狀和尺寸的最優(yōu)設(shè)計模型1、假設(shè)：（1）易拉罐上部分是一個正圓臺，下部分是一個正圓柱體 （2）易拉罐整體厚度均相同2、確定變量和參數(shù)：設(shè)易拉罐頂蓋、底部半徑為R，正圓柱體高為H，正圓臺高為h,體積為V，其中R,r,H,h是自變量，所用材料的體積

14、S是因變量，而V是固定參數(shù)，則S和V分別為：設(shè)3、模型建立：其中S是目標函數(shù)，是約束條件，V是已知的，即要在體積一定的條件下求表面積最小值時，R，r，H，h的取值各是多少4、模型求解利用LINGO求解，設(shè)R=x1,r=x3,H=x2,h=x4,則利用LINGO計算結(jié)果（見附表一），得H+h=2R=4r時，S為最優(yōu)解5.模型結(jié)論在易拉罐上部分是一個正圓臺，下部分是一個正圓柱體，且厚度均相同的前提下，當體積為固體參數(shù)，表面積最小時，利用軟件（LINGO）計算，得到圓臺的高與圓拄的高等于兩倍圓拄的半徑，同時也等于四倍的圓臺的半徑，H+h=2R=4r，模型最優(yōu)。（二） 第四種易拉罐形狀和尺寸的最優(yōu)設(shè)計

15、模型1、（1）易拉罐上部分是一個正圓臺，下部分是一個正圓柱體 （2）易拉罐整體厚度（3）V=355ml2、確定變量和參數(shù)：設(shè)易拉罐頂蓋半徑為，底蓋半徑為R，正圓柱體高為H，正圓臺高為h,體積為V，其中R,r,H,h是自變量，所用材料的體積S是因變量，而V是固定參數(shù)，則S和V分別為：設(shè)3、模型建立：其中S是目標函數(shù)，是約束條件，V是已知的，即要在體積一定的條件下求表面積最小值時，R，r，H，h的取值各是多少4、模型求解利用LINGO求解，設(shè)R=x1,r=x3,H=x2,h=x4,且a=0.333,b=0.111 則利用LINGO計算結(jié)果（見附表二），得，時，S為最優(yōu)解5.模型結(jié)論：在假設(shè)易拉罐上

16、部分是一個正圓臺，下部分是一個正圓拄體，且厚度不同，頂蓋、底部半徑是罐身3倍的條件下，當體積為固定參數(shù)，而表面積最小時，通過軟件（LINGO）得到H+h約等于4.5R，模型最優(yōu)。四、模型評價以材料節(jié)約、實用為基礎(chǔ)，建立易拉罐的形狀和尺寸最有設(shè)計的模型。第三個模型優(yōu)點在于實用，第四個模型更為優(yōu)化。因為，本文在建立模型時發(fā)現(xiàn)，模型四在制作過程中，所用材料更為節(jié)約，造價更低，所以，第四種模型更為優(yōu)化。第四問：利用你們對所測量的易拉罐的洞察和想象力，做出你們自己的關(guān)于易拉罐形狀和尺寸的最優(yōu)設(shè)計。一、對現(xiàn)有易拉罐的解釋如果增加兩個標準，考慮易拉罐的穩(wěn)定性和使用的方便性?？紤]穩(wěn)定性時，只能采用模型二與模型

17、四的設(shè)計。將厚度比例本題視為已知條件時，代入測量所得的數(shù)據(jù)，并利用LINGO求解模型二 目標：求 條件：設(shè)r=x1,h=x2,V=355,a=0.111,在LINGO求解（見附錄三）。比較模型二與第三問中模型四的結(jié)果，易見模型四比較優(yōu)化。但模型四脫離了實際，因為實際中需要在頂蓋設(shè)計一個拉環(huán)，所以r必需大于零。 下面考慮取不同值時，模型的優(yōu)化程度。模型仍為： r分別取0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，2.6，2.7，2.8，2.9，3.0，3.5，4.0，5.0，6.0時，利用LINGO計算模型中R，H，h，S的最優(yōu)值（見表2）：表2r0.51.01.52.02.52.62.7R3.113

18、 3.1153.1213.1333.1613.1703.180H10.7010.61 10.4910.35 10.2110.1910.16h2.432.191.961.70 1.361.28 1.18 S38.1338.6139.46 40.73 42.4942.91 43.36 r2.82.93.03.54.05.06.0R3.192 3.20623941.9421.40100H10.1410.120 005.934.48h1.080.96 15.4714.8614.3813.569.42 S43.8344.3344.5345.1146.3251.3561.02 表2（續(xù)）由表2可見當r大于

19、3時，圖形已非最優(yōu)，省去后面的結(jié)果。即當r小于3時，S的值都小于模型二的結(jié)果，因此可以得出結(jié)論：模型四比模型二的設(shè)計更優(yōu)。既然模型四比模型二省材料，那么是否可以把模型四的正圓柱底部也改成一個正圓臺？考慮上、下都為圓臺的設(shè)計方案（模型五），材料體積S的方程如下：=355利用軟件（LINGO）計算（見附錄四），得S=30.20864將上述S與模型四的結(jié)果比較， 易見上下都為圓臺的設(shè)計方案更優(yōu)。但考慮到存放方便時，這樣易拉罐“站”不穩(wěn)，同時“易拉罐”一定需要有一個拉環(huán)，如果設(shè)計在項部（考慮使用方便），r必需大于零。進一步考慮上下都為圓臺時，r的合理取值。因為 =355利用LINGO分析r分別取0.5

20、，1.0，1.5，2.0，2.1，2.2，2.3，2.4，2.5，2.6，2.7，2.8，2.9，3.0得出最優(yōu)解時R，H，h，S的值（結(jié)果見表3）：表3r0.51.01.52.02.1R3.9134413.9144763.9173703.9234573.925208H6.9106286.894053 6.8747746.8591966.857093h1.2265391.0912850.95875820.81639350.7859263S30.5492631.58040 33.31585 35.7707236.34952表3（續(xù)）r2.22.32.42.52.6R3.9271763.92937

21、73.931830 3.9345553.937572H6.8554516.854324 6.853768 6.8538366.854586h0.7546560 0.72253170.6895060 0.65553520.6205793S36.9579437.5961438.2642938.9625539.69110表3（續(xù)）r2.72.82.93.03.5R3.9409013.9445663.9485873.9529873.981513H6.8560726.8583536.8614856.8655266.901350h0.5846014 0.54756810.50944940.4702186

22、0.2566850S40.45011 41.2397742.0602742.9117947.64180在現(xiàn)實中，拉環(huán)的測量值為4.25,手指的大小約為1.11，則最優(yōu)設(shè)計就是拉環(huán)穿過直徑，所以r=(4.25+1.11)/2=2.68,近似為r=2.7，此時H=6.85。二、比現(xiàn)實更優(yōu)的設(shè)計方案因為上項半徑越小，材料越省，我們盡量減小上底半徑。一種可行方案是將設(shè)計旋轉(zhuǎn)型的拉環(huán)（現(xiàn)實中的拉環(huán)不可旋轉(zhuǎn)，是直的，導致上底半徑大），拉環(huán)長度可減小半，即r=4.25/2=2.125,近似為時，設(shè)計最優(yōu)。設(shè)計方案為時，此時S=36.96,材料更省，優(yōu)于現(xiàn)實中的設(shè)計。第五問：用你們做本題以及以前學習和實踐數(shù)學

23、建模的親身體驗，寫一篇短文（不超出1000字，你們的中心必須包括這篇短文），闡述什么是數(shù)學建模、它的關(guān)鍵步驟，以及難點。開始接觸數(shù)學建模就讓筆者感覺到困惑不知道它是什么；有什么用。 經(jīng)過一段時間的學習才對它有初步的了解，簡單來說數(shù)學建模就是生活“數(shù)學化”。在這3天時間里本文體會到原來生活的一切都離不開數(shù)學，一個看似和自然形成的東西，卻要經(jīng)過許多步驟才實現(xiàn)的，如本文研究的易拉罐，要經(jīng)過力學，美學和工程學等等。自己將所學的數(shù)學知識活用到經(jīng)濟，管理，工程等各個領(lǐng)域，感受到體會不到的成就感。這個過程中，本文的軟件應(yīng)用水平，文章寫作水平，特別是數(shù)學思維能力大幅度得到提高。此次，筆者們在數(shù)學建模中得到有益

24、得經(jīng)驗，在數(shù)學建模過程必須靈活應(yīng)用，從簡到繁、由易到難，不斷擴展的研究方法，并且要充分發(fā)揮到數(shù)學軟件在優(yōu)化設(shè)計中無可比擬地優(yōu)勢；同時，通過此次數(shù)學建模比賽深刻體會到了數(shù)學工具在生產(chǎn)實踐中的重要作用。就拿著次數(shù)學建模為例，本文建立模型首先假設(shè)易拉罐是一個正圓柱體，然后考慮罐身厚度，其次假設(shè)易拉罐是上面部分是正圓臺，下面部分是正圓柱體，之后再考慮厚度，最后建立我們認為最優(yōu)化設(shè)計。在建立模型的過程中，利用數(shù)學軟件，使我們能順利完成。數(shù)學建模的全過程大體上可歸納為以下步驟：1、對某個實際問題進行觀察、分析(是否抓住主要方面); 2、對實際問題進行必要的抽象、簡化，作出合理的假設(shè);3、確定要建立的模型中

25、的變量和參數(shù);4、根據(jù)某種“規(guī)律”(已知的各學科中的定律, 甚至是經(jīng)驗的規(guī)律) 建立變量和參數(shù)間確定的數(shù)學關(guān)系 (明確的數(shù)學問題或在這個層次上的一個數(shù)學模型), 這可能是一個非常具有挑戰(zhàn)性的數(shù)學問題;5、解析或近似地求解該數(shù)學問題. 這往往涉及復(fù)雜的數(shù)學理論和方法, 近似方法和算法;6、數(shù)學結(jié)果能否展示、解釋甚至預(yù)測實際問題中出現(xiàn)的現(xiàn)象, 或用某種方法 (例如，歷史數(shù)據(jù)或現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)等) 來驗證結(jié)果是否正確, 這也是很不容易的;7、如果第 6 步的結(jié)果是肯定的，那么就可以付之試用; 如果是否定的，那就要回到第 1 6 步進行仔細分析，重復(fù)上述建模過程。數(shù)學建模過程中難點是:1、怎樣從實際情況出發(fā)做出合理的假設(shè), 從而得到可以執(zhí)行的合理的數(shù)學模型;2、怎樣求解模型中出現(xiàn)的數(shù)學問題, 它可能是非常困難的問題;3、怎樣驗證模型是正確、