KeyTo9_Fans 发表于 2024-11-18 00:45:32

森林救火问题

森林着火了,火势以着火点为中心,以均匀的速度v1(米/秒)向四周呈圆形蔓延

消防站接到报警后,立即派出n名消防员赶往火场

到达火场时,火势蔓延的半径为r(米),被烧毁的森林面积是pi*r^2(平方米)

此时的着火带是一个圆周,初始弧度为2*pi,圆的内部已经没有火了

设v2(米/秒)是每名消防员每秒能灭掉的着火带的长度(米)

于是每经过dt秒,这些消防员都会灭掉n*v2*dt米长的着火带

其中,dt是一个趋近于0的无穷小量

而尚未被扑灭的着火带,仍然会以均匀的速度v1(米/秒)向远离圆心的方向蔓延

设t是从开始灭火算起,所经过的时长

那么着火带在t时刻的半径就是(r+v1*t)

此时再经过dt秒,被烧毁的森林面积就会增加θ*(r+v1*t)*v1*dt(平方米)

其中,θ是此时尚未被扑灭的着火带的弧度(当t=0时,θ的初值是2*pi)

而在这dt秒内,一共有n*v2*dt米长的着火带会被扑灭

这段被扑灭的着火带折算成弧度,一共是(n*v2*dt)/(r+v1*t)个弧度

因此经过这dt秒,θ的值会减小(n*v2*dt)/(r+v1*t)

当θ减小到0时,这场森林大火就完全被扑灭了

问题1:

当这场森林大火完全被扑灭时,一共有多少平方米的森林被烧毁了?

问题2:

当这场森林大火完全被扑灭时,被烧毁的区域是什么形状?如何绘制出这个形状?

问题3:

假设灭火费用是n*c1($),烧毁损失是S*c2($)

其中c1是每派出1名消防员的花费($)

S是被烧毁的森林面积(平方米),c2是森林的价值($/平方米)

那么当n等于多少时,灭火费用与烧毁损失之和(n*c1+S*c2)最小?

倪举鹏 发表于 2024-11-21 15:12:10

三个图依次是两个人灭火,四个人灭火,8个人灭火,实际应用中火肯定不是只垂直圆往外烧。只有这样每两个人背靠背灭火才行。如果都朝一个方向灭火,那么火就在背后烧

倪举鹏 发表于 2024-11-21 15:34:11

极坐标方程是:Sqrt[(r[\])^2 + (r'[\])^2] ==
D] - r), \]
解是E^(正负((v1 \)/Sqrt[-v1^2 + v2^2])) C

KeyTo9_Fans 发表于 2024-11-27 01:15:37

楼主建立的数学模型好像和蚂蚁爬橡皮筋模型(https://bbs.emath.ac.cn/thread-2993-1-1.html)有相似之处:

森林的着火带就像橡皮筋一样,在匀速拉伸

消防员就像蚂蚁一样,在这个不断拉伸的橡皮筋上爬

每次爬过的弧度好像是以调和级数的规律在变化的

当这个调和级数的和达到初始弧度2*pi时,灭火工作就完成了

#####

但是经过仔细推敲后,楼主的数学模型好像是有缺陷的

尤其是当火的蔓延速度v1大于等于消防员的移动速度v2的时候

消防员实际上是无法灭火的,因为着火带跑得比消防员还快,消防员根本就跑不到着火带那里

因此楼主的这段叙述:

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这段被扑灭的着火带折算成弧度,一共是(n*v2*dt)/(r+v1*t)个弧度

因此经过这dt秒,θ的值会减小(n*v2*dt)/(r+v1*t)
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需要修正,修正后的描述如下:

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当v2<=v1时,消防员追不上蔓延的着火带,这场森林大火无法灭掉

当v2>v1时,消防员可以追上蔓延的着火带,此时每段被扑灭的着火带长度v2*dt可以分解成两个分量:

第1个分量的长度是v1*dt,用于追赶远离圆心的着火带

第2个分量的长度是sqrt((v2*dt)^2-(v1*dt)^2)=sqrt(v2^2-v1^2)*dt,用于减小θ的值

因此经过这dt秒,θ的值会减小(n*sqrt(v2^2-v1^2)*dt)/(r+v1*t)
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大家觉得上面这段修正后的描述还有没有问题?

如果没有问题,接下来按照修正后的描述来求解此题吧~
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