92-00年国赛题

1 全国大学生数学建模竞赛 竞赛题目汇编(1992-2000) [注]相关优秀论文已经汇编成册正式出版：全国大学生数学建模竞赛组委会编，《全国大学 生数学建模竞赛优秀论文汇编（1992-2000）》，北京：中国物价出版社，2002 年 3 月出版。 1992 年赛题 A 题 施肥效果 某地区作物生长所需的营养素主要是氮（N）、钾（K）、磷（P）。某作物研究所在该地区对 土豆与生菜做了一定数量的实验，实验数据如下列表格所示，其中 ha 表示公顷，t 表示吨，kg 表示公斤。当一个营养素的施肥量变化时，总将另二个营养素的施肥量保持在第七个水平上，如 对土豆产量关于 N 的施肥量做实验时，P 与 K 的施肥量分别取为 196kg/ha 与 372kg/ha。 试分析施肥量与产量之间关系，并对所得结果从应用价值与如何改进等方面作出估价。 土豆： N P K 施肥量 (kg/ha) 产量 (t/ha) 施肥量 (kg/ha) 产量 (t/ha) 施肥量 (kg/ha) 产量 (t/ha) 0 34 67 101 135 202 259 336 404 471 15.18 21.36 25.72 32.29 34.03 39.45 43.15 43.46 40.83 30.75 0 24 49 73 98 147 196 245 294 342 33.46 32.47 36.06 37.96 41.04 40.09 41.26 42.17 40.36 42.73 0 47 93 140 186 279 372 465 558 651 18.98 27.35 34.86 38.52 38.44 37.73 38.43 43.87 42.77 46.22 生菜： N P K 施肥量 (kg/ha) 产量 (t/ha) 施肥量 (kg/ha) 产量 (t/ha) 施肥量 (kg/ha) 产量 (t/ha) 0 28 56 84 112 168 224 280 336 392 11.02 12.70 14.56 16.27 17.75 22.59 21.63 19.34 16.12 14.11 0 49 98 147 196 294 391 489 587 685 6.39 9.48 12.46 14.38 17.10 21.94 22.64 21.34 22.07 24.53 0 47 93 140 186 279 372 465 558 651 15.75 16.76 16.89 16.24 17.56 19.20 17.97 15.84 20.11 19.40 （北京理工大学叶其孝提供） B 题 实验数据分解 组成生命蛋白质的若干种氨基酸可以形成不同的组合。通过质谱实验测定分子量来分析某个 生命蛋白质分子的组成时，遇到的首要问题就是如何将它的分子量 X 分解为几个氨基酸的已知 分子量 a[i]（i =1,2,…,n)之和。某实验室所研究的问题中： n = 18, a [1: 18] = 57,71,87,97,99,101,103,113, 114,115,128,129,131,137,147,156,163,186. x 为正整数≤1000。 要求针对该实验室拥有或不拥有微型计算机的情况，对上述问题提出你们的解答，并就你所研讨 的数学模型与方法在一般情形下进行讨论。 （华东理工大学俞文 ci、复旦大学谭永基提供） 注 1992 年优秀论文及评阅人文章没有正式发表。 2 全国大学生数学建模竞赛 1993 年赛题 A 题 非线性交调的频率设计 如果一非线性器件的输入 u(t)与输出 y(t)的关系是 y(t) = u(t) + u2(t)（其中 t 是时间），那么当 输入是包含频率 f1、f2 的信号 u t f t f t( ) cos cos= +2 21 2π π 时，输出 y(t)中将不仅包含输入信号 f f1 2、 ，而且还会出现2 1 1 2f f f、 ± 等新的频率成分，这些新的频率称为交调。如果交调出现在 原有频率 f f1 2、 的附近，就会形成噪声干扰，因此工程设计中对交调的出现有一定的要求。 现有—SCS（非线性）系统，其输入输出关系由如下一组数据给出： 输入 u 0 5 10 20 30 40 50 60 80 输出 y 0 2.25 6.80 20.15 35.70 56.40 75.10 87.85 98.50 输入信号为u t A f t A f t A f t( ) cos cos cos= + +1 1 2 2 3 32 2 2π π π ，其中 A1 = 25，A2 = 10，A3 = 45 是输入信号的振幅。对输入信号频率 f1、f2、f3的设计要求为： 1）36 40 41 50 46 551 2 3≤ ≤ ≤ ≤ ≤ ≤f f f, , 。 2）输出中的交调均不得出现在 fi ±5 的范围内( i=1,2,3),此范围称为 fi 的接收带（参看下图）。 3） 定义输出中的信噪比SNR B C i n = 10 10 2 2log （单位：分贝），其中 Bi 是输出中对应于频率 为 fi的信号的振幅，Cn是某一频率为 fn的交调的振幅。若 fn出现在 f fn i= ± 6处(i = 1,2,3), 则对应的 SNR 应大于 10 分贝（参看下图）。 Bi (信号振幅） Cn (交调振幅) f n = f i -6 f i -5 f i f i +5 f i +6 接收带 4） f i 不得出现在 f j 的接收带内( i j i j, , , ,= ≠1 2 3 )。 5） 为简单起见，fi 只取整数值，且交调只需考虑二阶类型（即{ }, , , ,f f i ji j± = 1 2 3）和三 阶类型（即{ }, , , , ,f f f i j ki j k± ± = 1 2 3）。 试按上述要求设计输入信号频率 f1、 f 2 、 f 3 。 （ 北京大学谢衷洁提供） B 题 足球队排名次 下表给出了我国 12 支足球队在 1988 ~ 1989 年足球甲级队联赛中的成绩，要求 1）设计一个依据这些成绩排出诸队名次的算法，并给出用该算法排名次的结果。 2）把算法推广到任意 N 个队的情况。 3）讨论：数据应具备什么样的条件，用你的方法才能够排出诸队的名次。 3 T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12 T1 X 0:1 1:0 0:0 2:2 1:0 0:2 2:0 3:1 1:0 3:1 1:0 0:1 1:3 0:2 2:1 1:0 4:0 1:1 1:1 X X T2 X 2:0 0:1 1:3 0:0 2:0 0:0 1:1 2:1 1:1 1:1 0:0 0:0 2:0 1:1 0:2 0:0 X X T3 X 4:2 1:1 0:0 2:1 3:0 1:0 1:4 0:1 3:1 1:0 2:3 0:1 2:0 X X T4 X 2:3 0:1 0:5 2:3 2:1 1:3 0:1 0:0 0:1 1:1 X X T5 X 0:1 X X X X 1:0 1:2 0:0 1:1 T6 X X X X X X X T7 X 1:0 2:0 0:0 2:1 3:0 1:0 3:1 3:0 2:2 3:1 2:0 T8 X 0:1 1:2 2:0 1:1 1:0 0:1 3:1 0:0 T9 X 3:0 1:0 0:0 1:0 1:0 T10 X 1:0 2:0 T11 X 1:! 1:2 1:1 T12 X 说明： 1）12 支球队依次记作 T1，T2，…T12。 2）符号 X 表示两队未曾比赛。 3） 数字表示两队比赛结果，如 T3 行与 T8 列交叉处的数字表示：T3与 T8比赛 了 2 场；T3与 T8 的进球数之比为 0:1 和 3:1。 （清华大学蔡大用提供） 注 1993 年北京地区的优秀论文及评阅人文章发表在《数学的实践与认识》1994 年第 2 期上。 4 全国大学生数学建模竞赛 1994 年赛题 A 题 逢山开路 要在一山区修建公路，首先测得一地点的高程，数据见表 1（平面区域 0≤x≤5600, 0≤y≤ 4800，表中数据为坐标点的高程，单位：米）。数据显示：在 y = 3200 处有一东西走向的山峰 ； 从坐标（2400，2400）到（4800，0）有一西北 — 东南走向的山谷；在（2000， 2800）附近有 一山口湖，其最高水位略高于 1350 米，雨季在山谷中形成一溪流。经调查知，雨量最大时溪流 水面宽度 W 与（溪流最深处的）x 坐标的关系可近似表示为 w x x( ) ( ) /= − +2400 2 53 4 ( )2400 4000≤ ≤x 。 公路从山脚（0，800）处开始，经居民点（4000，2000）至矿区（2000，4000）。已知路段 工程成本及对路段坡度α（上升高程与水平距离之比）的限制如表 2。 1） 试给出一种线路设计，包括原理、方法及比较精确的线路位置（含桥梁、隧道）， 并估算该方案的总成本。 2） 如果居民点改为3600 4000≤ ≤x , 2000 2400≤ ≤y 的居民区，公路只须经过 民区即可，那么你的方案有什么改变。 表一 ↑北 4800 1350 1370 1390 1400 1410 960 940 880 800 690 570 430 290 210 150 4400 1370 1390 1410 1430 1440 1140 1110 1050 950 820 690 540 380 300 210 4000 1380 1410 1430 1450 1470 1320 1280 1200 1080 940 780 620 460 370 350 3600 1420 1430 1450 1480 1500 1550 1510 1430 1300 1200 980 850 750 550 500 3200 1430 1450 1460 1500 1550 1600 1550 1600 1600 1600 1550 1500 1500 1550 1550 2800 950 1190 1370 1500 1200 1100 1550 1600 1550 1380 1070 900 1050 1150 1200 2400 910 1090 1270 1500 1200 1100 1350 1450 1200 1150 1010 880 1000 1050 1100 2000 880 1060 1230 1390 1500 1500 1400 900 1100 1060 950 870 900 930 950 1600 830 980 1180 1320 1450 1420 1400 1300 700 900 850 840 380 780 750 1200 740 880 1080 1130 1250 1280 1230 1040 900 500 700 780 750 650 550 800 650 760 880 970 1020 1050 1020 830 800 700 300 500 550 480 350 400 510 620 730 800 850 870 850 780 720 650 500 200 300 350 320 0 370 470 550 600 670 690 670 620 580 450 400 300 100 150 250 Y/X 0 400 800 1200 1600 2000 2400 2800 3200 3600 4000 4400 4800 5200 5600 表二 工程种类 一般路段 桥梁 隧道 工程成本（元/米） 300 2000 1500（长度≤300 米）；3000（长度>300 米） 对坡度α的限制 α< 0.125 α= 0 α<0.100 （西安电子科技大学何大可提供） B 题 锁具装箱 某厂生产一种弹子锁具，每个锁具的钥匙有 5 个槽，每个槽的高度从{1，2，3，4，5，6}6 个数（单位略）中任取一数。由于工艺及其它原因，制造锁具时对 5 个槽的高度还有两个限制： 至少有 3 个不同的数；相邻两槽的高度之差不能为 5。满足以上条件制造出来的所有互不相同的 锁具称为一批。 从顾客的利益出发，自然希望在每批锁具中“一把钥匙开一把锁”。但是在当前工艺条件下， 对于同一批中两个锁是否能够互开，有以下试验结果：若二者相对应的 5 个槽的高度中有 4 个相 同，另一个槽的高度差为 1，则可能互开；在其它情形下，不可能互开。 原来，销售部门在一批锁具中随意的取 60 个装一箱出售。团体顾客往往购买几箱到几十箱， 他们抱怨购得的锁具会出现互开的情形。现聘你为顾问，回答并解决以下的问题： 1） 每一批锁具有多少个，装多少箱。 5 2） 为销售部门提出一种方案，包括如何装箱（仍是 60 个锁具一箱），如何给箱子以标志， 出售时如何利用这些标志，使团体顾客不再或减少抱怨。 3） 采取你提出的方案，团体顾客的购买量不超过多少箱，就可以保证一定不会出现互开的 情形。 4） 按照原来的装箱办法，如何定量地衡量团体顾客抱怨互开的程度（试对购买一、二箱者 给出具体结果）。 （华东理工大学俞文 ci、复旦大学谭永基提供） 注 优秀论文及评阅人文章可参见《全国大学生数学建模竞赛优秀论文汇编（1992-2000）》一书 （全国大学生数学建模竞赛组委会编，中国物价出版社 2002 年 3 月出版）。 6 全国大学生数学建模竞赛 1995 年赛题 A 题 一个飞行管理问题 在约 10000米高空的某边长为 160公里的正方形区域内，经常有若干架飞机作水平飞行。 区域内每架飞机的位置和速度向量均由计算机记录其数据，以便进行飞行管理。当一架欲进入该 区域的飞机到达区域边缘时，记录其数据后，要立即计算并判断是否会与区域内的飞机发生碰撞。 如果会碰撞，则应计算如何调整各架（包括新进入的）飞机飞行的方向角，以避免碰撞。现假定 条件如下： 1） 不碰撞的为任意两架飞机的距离大于 8公里； 2） 飞机飞行方向角调整的幅度不应超过 30度； 3） 所有飞机飞行速度均为每小时 800公里； 4） 进入该区域的飞机在到达该区域边缘时，与区域内飞机的距离应在 60公里以上； 5） 最多需考虑 6架飞机； 6） 不必考虑飞机离开此区域后的状况； 请你对这个避免碰撞的飞行管理问题建立数学模型，列出计算步骤，对以下数据进行计算（方 向角误差不超过 0.01度），要求飞机飞行方向角调整的幅度尽量小。 设该区域 4个顶点的坐标为：（0，0），（160，0），（160，160），（0，160）。 记录数据为： 飞机编号 横坐标 X 纵坐标 Y 方向角（度） 1 150 140 243 2 85 85 236 3 150 155 220.5 4 145 50 159 5 130 150 230 新进入 0 0 52 注：方向角指飞行方向与 X轴正向的夹角。 试根据实际应用背景对你的模型进行评价和推广。 （华东理工大学俞文 ci、复旦大学谭永基提供） B题 天车与冶炼炉的作业调度 某钢铁厂冶炼车间的厂房布局是，地面沿一直线依次安置 7 个工作点：辅料供应处 P；A 组 3 座转炉（冶炼成品钢）A1，A2，A3；B 组 2 座冶炼炉（冶炼半成品钢，简称半钢）B1，B2； 原料供应处 Q。这些设备的上方贯通着一条运送物料的天车轨道，上面布置着若干天车 T1， T2，。。。，Tn 为炉子作业服务。布局示意图如下。 Q P A1 A2 A3 B1 B2 T1 T2 Tn . . . . . . 7 天车与冶炼炉的作业过程与工序为：天车从 Q 处吊起原料有罐（吊罐时间 ty）运至 B1 或 B2 处放下（放罐时间 ti），并将上一炉的原料空罐吊起（吊空罐时间 to）返回 Q 处放下（放空 罐时间 tk）。B 组炉在原料罐放下后即可在辅助作业下开始冶炼（冶炼时间 tb），冶炼后将半钢 倒入空半钢罐（时间记入 tb），由天车吊起半钢罐（吊罐时间 td）运至 A1 或 A2、A3 处将半钢 倒入转炉（倒入时间 te）， 并将空罐返回 B1 或 B2 处放下（放空罐时间 tc）。再由天车从 P 处 吊起辅料一槽（吊槽时间 tg）运至 A1 或 A2，A3 处加入转炉（加入时间 tf），并将空槽返回 P 处 放下（放空槽时间 th）。A 组 炉在半钢和辅料加入后即可开始冶炼（冶炼时间 ta），冶炼后成 品钢的输出不用天车（输出时间记入 ta）。天车通过相邻两个工作点的运行时间都相同，记为 tx。 由于各台天车在同一条轨道上运行，因此其顺序位置 T1，T2，。。。，Tn 不可交换。在同 一时间同一炉子上只能允许一台天车作业；但 P、Q 两处可以允许多台天车同时作业。在 P， A1，。。。，Q 每两个相邻工作点之间最多只能容纳 2 台同时停放。 天车与冶炼炉作业调度的要求为：（1）成品钢厂量尽量高；（2）各台天车的作业率（天 车作业时间所占比例）尽量均衡（考虑到设备及人员安全等因素，一般天车率不超过 70%）； （3）绝不允许出现天车相撞等事故；（4）调度规则尽量简明，以便于现场人员使用。 现设定：ta=48，tb=27，ti=3，to=2，tc=2，td=3，te=5，tf=2，tg=2，th=1，ty=3，tk=2 （单位：分钟），tx=15 秒；A 组炉平均每天每炉产量 We=120 吨。在不超过 5 台天车的条件下， 设计一种满足上述要求的天车与冶炼炉的作业调度方案： （1） 个台天车负责哪些作业（列出〈〈工序清单〉〉）； （2） 在所给方案的一个运行周期内，每一时刻天车和冶炼炉处于什么状态（画出〈〈天车—炉 子作业运行图〉〉）； （3） 一份供现场人员使用的〈〈调度规则说明书〉〉； （4） 在所给方案下计算个台天车的作业率。 并按每天冶炼炉估计该车间成品钢的年产量（扣除设备维修日，每台转炉作业日每年 300 天计 算）。 实际生产过程中，ta,tb,…,tk 都是随机的（上面设定的数值可视为平均值），讨论你的调 度方案如何适用于实际生产过程。试提出该车间提高钢产量到年产 300 万吨以上的建议。 （浙江大学刘祥官、李吉鸾提供） 注 优秀论文及评阅人文章刊登在《数学的实践与认识》1996 年第 1 期上。 8 全国大学生数学建模竞赛 1996 年赛题 A 题 最优捕鱼策略 为了保护人类赖以生存的自然环境,可再生资源(如渔业.林业资源)的开发必须适度. 一种 合理\简化的策略是,在实现可持续收获的前提下,追求最大的产量或最佳效益. 考虑对某种鱼( 鱼)的最优捕捞策略: 假设这种鱼分 4 个年龄组,称 1 龄鱼,…,4 龄鱼.各年龄组每条鱼的平均重量分别为 5.07,11.55,17.86,22.99(克) ,各年龄组鱼的自然死亡率为 0.8(1/年),这种鱼为季节性集中产 卵繁殖,平均每条 4 龄鱼的产卵量为 1.109*105(个),3 龄鱼的产卵量为这个数的一半,2 龄鱼和 1 龄鱼不产卵,产卵和孵化期为每年的最后4个月, 卵孵化并成活为1龄鱼,成活率(1龄鱼条数与 产卵总量 n之比)为 ( )n+×× 1111 1022.11022.1 。 渔业管理部门规定,每年只允许在产卵孵化期前的 8 个月内进行捕捞作业. 如果每年投入的 捕捞能力(如渔船数\下网次数等)固定不变, 这时单位时间捕捞量将与各年龄组鱼群条数成正比, 比例系数不妨称捕捞强度系数. 通常使用 13mm 网眼的拉网,这种网只能捕捞 3 龄鱼和 4 龄鱼,其 两个捕捞强度系数之比为 0.42:1. 渔业上称这种方式为固定努力量捕捞. 1）建立数学模型分析如何实现可持续捕获(即每年开始捕捞时渔场中个年龄组鱼群条数不 变), 并且在此前提条件下得到最高的年收获量(捕捞总重量). 2）某渔业公司承包这种鱼的捕捞业务 5 年, 要求 5 年后鱼群的生产能力不能受到太大 破坏. 已知承包时个年龄组鱼群的数量分别为: 122, 29.7, 10.1, 3.29(*109 条), 如果仍用固 定努力量的捕捞方式,该公司应采取怎样的策略才能使总收获量最高. （北京师范大学 刘来福提供） B 题 节水洗衣机 我国淡水资源有限,节约用水人人有责. 洗衣机在家庭中占有相当大的份额, 目前洗衣机已 非常普及, 节约洗衣机用水十分重要. 假设在放入衣物和洗涤剂后洗衣机的运行过程为: 加水— 漂洗—脱水--加水—漂洗—脱水--…--加水—漂洗—脱水(称 “加水—漂洗—脱水”为运行一 轮). 请为洗衣机设计一种程序(包括运行多少轮\每轮加入水量等), 使得在满足一定洗涤效果的 条件下, 总量最少. 选用合理的数据进行计算. 对照目前常用的洗衣机的运行情况, 对你的模型 和结果作出评价. （重庆大学 傅鹏提供） 注 优秀论文及评阅人文章刊登在《数学的实践与认识》1997 年第 1 期上。 9 全国大学生数学建模竞赛 1997 年赛题 A 题 零件的参数设计 一件产品由若干零件组装而成，标志产品性能的某个参数取决于这些零件的参数。零件参数 包括标定值和容差两部分。进行成批生产时，标定值表示一批零件该参数的平均值，容差则给出 了参数偏离其标定值的容许范围。若将零件参数视为随机变量，则标定值代表期望值，在生产部 门无特殊要求时，容差通常规定为均方差的 3 倍。 进行零件参数设计，就是要确定其标定值和容差。这时要考虑两方面因素：一是当各零件组 装成产品时，如果产品参数偏离预先设定的目标值，就会造成质量损失，偏离越大，损失越大； 二是零件容差的大小决定了其制造成本，容差设计得越小，成本越高。 试通过如下的具体问题给出一般的零件参数设计方法。 粒子分离器某参数（记作 y）由 7 个零件的参数（记作 x1，x2，…x7 ）决定，经验为： 76 16.1 2 4 2 3 56.0 2 436.0162.21 85.0 12 3 5 142.174 xx x x x x xx x x x y × ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛× ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛×−×− ×⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ −×⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛×= y 的目标值（记作 y0为 1.50。当 y 偏离 1.00 ±y 时，产品为次品，质量损失为 1，000（元）； 当 y 偏离 3.00 ±y 时，产品为废品，损失为 9，000（元）。 零件参数的标定值有一定的容许变化范围；容差分为 A、B、C 三个等级，用与标定值的相对值表 示，A 等为 %1± ，B 等为 %5± ，C 等为 %10± 。7 个零件参数标定值的容许范围，及不同容 差等级零件的成本（元）如下表（符号/表示无此等级零件）： 标定值容许范围 C 等 B 等 A 等 X1 [0.075,0.125] / 25 / X2 [0.225,0.375] 20 50 / X3 [0.075,0.125] 20 50 200 X4 [0.075,0/125] 50 100 500 X5 [1.125,1.875] 50 / / X6 [12,20] 10 25 100 X7 [0.5625,0.935] / 25 100 现进行成批生产，每批产量 1，000 个。在原设计中，7 个零件参数的标定值为： X1=0.1,X2=0.3,X3=0.1,X4=0.1,X5=1.5,X6=16,X7=0.75;容差均取最便宜的等级。 请你综合考虑 y 偏离 y0 造成的损失和零件成本，重新设计零件参数（包括标定值和容许差）， 并与原设计比较，总费用降低了多少。 （美国明尼苏达大学李文连、清华大学姜启源提供） 10 B 题 截断切割 某些工业部门（如贵重石材加工等）采用截断切割的加工方式。这里“截断切割”是指将物 体沿某个切割平面分成两部分。从一个长方体中加工出一个已知尺寸、位置预定的长方体（这两 个长方体的对应表面是平行的），通常要经过 6 次截断切割。 设水平切割单位面积的费用是垂直切割单位面积费用的 r 倍，且当先后两次垂直切割的平 面(不管它们之间是否穿插水平切割)不平行时，因调整刀具需额外费用 e。 试为这些部门设计一种安排各面加工次序（称“切割方式”）的方法，使加工费用最少。（由 工艺要求，与水平工作台接触的长方体底面是事先指定的） 详细要求如下： 1）需考虑的不同切割方式的总数。 2）给出上述问题的数学模型和求解方法。 3）试对某部门用的如下准则作出评价：每次选择一个加工费用最少的待切割面进行切割。 4）对于 e = 0 的情形有无简明的优化准则。 5）用以下实例验证你的方法：待加工长方体和成品长方体的长、宽、高分别为 10、14.5、 19 和 3、2、4，二者左侧面、正面、底面之间的距离分别为 6、7、9（单位均为厘米）。垂直切割 费用为每平方厘米 1 元，r 和 e 的数据有以下 4组： a. r =1, e = 0; b. r =1.5, e =0; c. r =8, e =0; d. r =1.5; 2 <= e <= 15. 对最后一组数据应给出所有最优解，并进行讨论。 （华东理工大学俞文？、复旦大学谭永基提供） 注 优秀论文及评阅人文章刊登在《数学的实践与认识》1998 年第 1 期上。 11 全国大学生数学建模竞赛 1998 年赛题 A 题 投资的收益和风险 市场上有 n 种资产（如股票、债券、…）Si ( i=1,…n) 供投资者选择，某公司有数额为 M 的 一笔相当大的资金可用作一个时期的投资。公司财务分析人员对这 n 种资产进行了评估，估算出 在这一时期内购买 Si 的平均收益率为 ir ，并预测出购买 Si 的风险损失率为 iq 。考虑到投资越分 散，总的风险越小，公司确定，当用这笔资金购买若干种资产时，总体风险可用所投资的 Si 中 最大的一个风险来度量。 购买 Si 要付交易费，费率为 ip ，并且当购买额不超过给定值 iu 时，交易费按购买 iu 计算（不 买当然无须付费）。另外，假定同期银行存款利率是 0r , 且既无交易费又无风险。（ 0r =5%） 1）已知 n = 4 时的相关数据如下： Si ir (%) iq (%) ip (%) iu (元) S1 28 2.5 1 103 S2 21 1.5 2 198 S3 23 5.5 4.5 52 S4 25 2.6 6.5 40 试给该公司设计一种投资组合方案，即用给定的资金M ，有选择地购买若干种资产或存银行生 息，使净收益尽可能大，而总体风险尽可能小。 2）试就一般情况对以上问题进行讨论，并利用以下数据进行计算。 Si ir (%) iq (%) ip (%) iu (元) S1 9.6 42 2.1 181 S2 18.5 54 3.2 407 S3 49.4 60 6.0 428 S4 23.9 42 1.5 549 S5 8.1 1.2 7.6 270 S6 14 39 3.4 397 S7 40.7 68 5.6 178 S8 31.2 33.4 3.1 220 S9 33.6 53.3 2.7 475 S10 36.8 40 2.9 248 S11 11.8 31 5.1 195 S12 9 5.5 5.7 320 S13 35 46 2.7 267 S14 9.4 5.3 4.5 328 S15 15 23 7.6 131 （浙江大学陈叔平提供） B 题 灾情巡视路线 下图为某县的乡（镇）、村公路网示意图，公路边的数字为该路段的公里数。 今年夏天该县遭受水灾。为考察灾情、组织自救，县领导决定，带领有关部门负责人到全县 各乡（镇）、村巡视。巡视路线指从县政府所在地出发，走遍各乡（镇）、村，又回到县政府所在 地的路线。 1. 若分三组（路）巡视，试设计总路程最短且各组尽可能均衡的巡视路线。 2. 假定巡视人员在各乡（镇）停留时间 T=2 小时，在各村停留时间 t=1 小时，汽车行驶速 度 V=35 公里/小时。要在 24 小时内完成巡视，至少应分几组；给出这种分组下你认为最 佳的巡视路线。 12 3. 在上述关于 T , t 和 V 的假定下，如果巡视人员足够多，完成巡视的最短时间是多少；给 出在这种最短时间完成巡视的要求下，你认为最佳的巡视路线。 4. 若巡视组数已定（比如三组），要求尽快完成巡视，讨论 T，t 和 V 改变对最佳巡视路线 的影响。 （上海海运学院丁颂康提供） 注 优秀论文及评阅人文章刊登在《数学的实践与认识》1999 年第 1 期上。 13 全国大学生数学建模竞赛 1999 年赛题 A 题 自动化车床管理 一道工序用自动化车床连续加工某种零件，由于刀具损坏等原因该工序会出现故障，其中刀 具损坏故障占 95%, 其它故障仅占 5%。工序出现故障是完全随机的, 假定在生产任一零件时出现 故障的机会均相同。工作人员通过检查零件来确定工序是否出现故障。 现积累有 100 次刀具故障记录，故障出现时该刀具完成的零件数如附表。现计划在刀具加工 一定件数后定期更换新刀具。 已知生产工序的费用参数如下： 故障时产出的零件损失费用 f=200 元/件； 进行检查的费用 t=10 元/次； 发现故障进行调节使恢复正常的平均费用 d=3000 元/次(包括刀具费)； 未发现故障时更换一把新刀具的费用 k=1000 元/次。 1）假定工序故障时产出的零件均为不合格品，正常时产出的零件均为合格品, 试对该工序 设计效益最好的检查间隔（生产多少零件检查一次）和刀具更换策略。 2）如果该工序正常时产出的零件不全是合格品，有 2%为不合格品；而工序故障时产出的零 件有 40%为合格品，60%为不合格品。工序正常而误认有故障仃机产生的损失费用为 1500 元/次。 对该工序设计效益最好的检查间隔和刀具更换策略。 3）在 2)的情况, 可否改进检查方式获得更高的效益。 附:100 次刀具故障记录(完成的零件数) 459 362 624 542 509 584 433 748 815 505 612 452 434 982 640 742 565 706 593 680 926 653 164 487 734 608 428 1153 593 844 527 552 513 781 474 388 824 538 862 659 775 859 755 649 697 515 628 954 771 609 402 960 885 610 292 837 473 677 358 638 699 634 555 570 84 416 606 1062 484 120 447 654 564 339 280 246 687 539 790 581 621 724 531 512 577 496 468 499 544 645 764 558 378 765 666 763 217 715 310 851 （北京大学孙山泽提供） B 题 钻井布局 勘探部门在某地区找矿。初步勘探时期已零散地在若干位置上钻井，取得了地质资料。进入 系统勘探时期后，要在一个区域内按纵横等距的网格点来布置井位，进行“撒网式”全面钻探。 由于钻一口井的费用很高，如果新设计的井位与原有井位重合（或相当接近），便可利用旧井的 地质资料，不必打这口新井。因此，应该尽量利用旧井，少打新井，以节约钻探费用。比如钻一 口新井的费用为 500 万元，利用旧井资料的费用为 10 万元，则利用一口旧井就节约费用 490 万 元。 设平面上有 n 个点 iP ，其坐标为 niba ii ,,2,1),,( L= ，表示已有的 n 个井位。新布置的井位 是一个正方形网格 N 的所有结点（所谓“正方形网格”是指每个格子都是正方形的网格；结点 是指纵线和横线的交叉点）。假定每个格子的边长（井位的纵横间距）都是 1 单位（比如 100 米）。 整个网格是可以在平面上任意移动的。若一个已知点 iP 与某个网格结点 iX 的距离不超过给定误 差ε （=0.05 单位），则认为 iP 处的旧井资料可以利用，不必在结点 iX 处打新井。 为进行辅助决策，勘探部门要求我们研究如下问题： 1）假定网格的横向和纵向是固定的（比如东西向和南北向），并规定两点间的距离为其横向 14 距离（横坐标之差绝对值）及纵向距离（纵坐标之差绝对值）的最大值。在平面上平行移动网格 N ，使可利用的旧井数尽可能大。试提供数值计算方法，并对下面的数值例子用计算机进行计 算。 2）在欧氏距离的误差意义下，考虑网格的横向和纵向不固定（可以旋转）的情形，给出算 法及计算结果。 3）如果有n 口旧井，给出判定这些井均可利用的条件和算法（你可以任意选定一种距离）。 数值例子 12=n 个点的坐标如下表所示： i 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 ia 0.50 1.41 3.00 3.37 3.40 4.72 4.72 5.43 7.57 8.38 8.98 9.50 ib 2.00 3.50 1.50 3.51 5.50 2.00 6.24 4.10 2.01 4.50 3.41 0.80 （郑州大学林诒勋提供） C 题 煤矸石堆积（大专组） 煤矿采煤时，会产出无用废料——煤矸石。在平原地区，煤矿不得不征用土地堆放矸石。通 常矸石的堆积方法是： 架设一段与地面角度约为 025=β 的直线形上升轨道（角度过大，运矸车无法装满），用在 轨道上行驶的运矸车将矸石运到轨道顶端后向两侧倾倒，待矸石堆高后，再借助矸石堆延长轨道， 这样逐渐堆起如下图所示的一座矸石山来。 现给出下列数据： 矸石自然堆放安息角（矸石自然堆积稳定后，其坡面与地面形成的夹角） 055≤α ； 矸石容重（碎矸石单位体积的重量）约 2 吨/米 3； 运矸车所需电费为 0.50 元/度（不变）； 运矸车机械效率（只考虑堆积坡道上的运输）初始值（在地平面上）约 30%，坡道每延长 10 米，效率在原有基础上约下降 2%； 土地征用费现值为 8 万元/亩，预计地价年涨幅约 10%； 银行存、贷款利率均为 5%； 煤矿设计原煤产量为 300 万吨/年； 煤矿设计寿命为 20 年； 采矿出矸率（矸石占全部采出的百分比）一般为 7%～10%。 另外，为保护耕地，煤矿堆矸土地应比实际占地多征用 10%。 现在煤矿设计中用于处理矸石的经费（只计征地费及堆积时运矸车用的电费）为 100 万元/ 年，这笔钱是否够用？试制订合理的年度征地计划，并对不同的出矸率预测处理矸石的最低费用。 （太原理工大学贾晓峰提供） D 题 钻井布局（大专组） 勘探部门在某地区找矿。初步勘探时期已零散地在若干位置上钻井，取得了地质资料。进入 系统勘探时期后，要在一个区域内按纵横等距的网格点来布置井位，进行“撒网式”全面钻探。 由于钻一口井的费用很高，如果新设计的井位与原有井位重合（或相当接近），便可利用旧井的 地质资料，不必打这口新井。因此，应该尽量利用旧井，少打新井，以节约钻探费用。比如钻一 A B O C D S β α 15 口新井的费用为 500 万元，利用旧井资料的费用为 10 万元，则利用一口旧井就节约费用 490 万 元。 设平面上有 n 个点 iP ，其坐标为 niba ii ,,2,1),,( L= ，表示已有的 n 个井位。新布置的井位 是一个正方形网格 N 的所有结点（所谓“正方形网格”是指每个格子都是正方形的网格；结点 是指纵线和横线的交叉点）。假定每个格子的边长（井位的纵横间距）都是 1 单位（比如 100 米）。 整个网格是可以在平面上任意移动的。若一个已知点 iP 与某个网格结点 iX 的距离不超过给定误 差ε （=0.05 单位），则认为 iP 处的旧井资料可以利用，不必在结点 iX 处打新井。 为进行辅助决策，勘探部门要求我们研究如下问题： 1）假定网格的横向和纵向是固定的（比如东西向和南北向），并假定距离误差是沿横向和纵 向计算的，即要求可利用点 iP 与相应结点 iX 的横坐标之差（取绝对值）及纵坐标之差（取绝对 值）均不超过ε 。在平面上平行移动网格 N ，使可利用的旧井数尽可能大。试提供数值计算方 法，并对下面的数值例子用计算机进行计算。 2）在问题 1）的基础上，考虑网格的横向和纵向不固定（可以旋转）的情形，给出算法及 计算结果。 数值例子 12=n 个点的坐标如下表所示 i 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 ia 0.50 1.41 3.00 3.37 3.40 4.72 4.72 5.43 7.57 8.38 8.98 9.50 ib 2.00 3.50 1.50 3.51 5.50 2.00 6.24 4.10 2.01 4.50 3.41 0.80 （郑州大学林诒勋提供） 注 优秀论文及评阅人文章刊登在《数学的实践与认识》2000 年第 1 期上。 16 全国大学生数学建模竞赛 2000 年赛题 A 题 DNA 序列分类 2000 年 6 月，人类基因组计划中 DNA 全序列草图完成，预计 2001 年可以完成精确的全序列 图，此后人类将拥有一本记录着自身生老病死及遗传进化的全部信息的“天书”。这本大自然写 成的“天书”是由 4 个字符 A，T，C，G 按一定顺序排成的长约 30 亿的序列，其中没有“断句” 也没有标点符号，除了这 4 个字符表示 4 种碱基以外，人们对它包含的“内容”知之甚少，难以 读懂。破译这部世界上最巨量信息的“天书”是二十一世纪最重要的任务之一。在这个目标中， 研究 DNA 全序列具有什么结构，由这 4 个字符排成的看似随机的序列中隐藏着什么规律，又是解 读这部天书的基础，是生物信息学（Bioinformatics）最重要的课题之一。 虽然人类对这部“天书”知之甚少，但也发现了 DNA 序列中的一些规律性和结构。例如， 在全序列中有一些是用于编码蛋白质的序列片段，即由这 4个字符组成的 64 种不同的 3 字符串， 其中大多数用于编码构成蛋白质的 20 种氨基酸。又例如，在不用于编码蛋白质的序列片段中，A 和 T 的含量特别多些，于是以某些碱基特别丰富作为特征去研究 DNA 序列的结构也取得了一些结 果。此外，利用统计的方法还发现序列的某些片段之间具有相关性，等等。这些发现让人们相信， DNA 序列中存在着局部的和全局性的结构，充分发掘序列的结构对理解 DNA 全序列是十分有意义 的。目前在这项研究中最普通的思想是省略序列的某些细节，突出特征，然后将其表示成适当的 数学对象。这种被称为粗粒化和模型化的方法往往有助于研究规律性和结构。 作为研究 DNA 序列的结构的尝试，提出以下对序列集合进行分类的问题： 1）下面有 20 个已知类别的人工制造的序列，其中序列标号 1—10 为 A 类，11-20 为 B 类。 请从中提取特征，构造分类方法，并用这些已知类别的序列，衡量你的方法是否足够好。然后用 你认为满意的方法，对另外 20 个未标明类别的人工序列（标号 21—40）进行分类，把结果用序 号（按从小到大的顺序）标明它们的类别（无法分类的不写入）： A 类 ； B 类 。 请详细描述你的方法，给出计算程序。如果你部分地使用了现成的分类方法，也要将方法名 称准确注明。 这 40 个序列放在如下地址的网页上，用数据文件 Art-model-data 标识，供下载： 网易网址：www.163.com 教育频道 在线试题； 教育网： www.cbi.pku.edu.cn News mcm2000 教育网： www.csiam.edu.cn/mcm [注] 目前这些网站上不一定还保存有该文件，这里将该文件的内容附于本题后。 2）在同样网址的数据文件 Nat-model-data 中给出了 182 个自然 DNA 序列，它们都较长。 用你的分类方法对它们进行分类，像 1）一样地给出分类结果。 提示：衡量分类方法优劣的标准是分类的正确率，构造分类方法有许多途径，例如提取序 列的某些特征，给出它们的数学表示：几何空间或向量空间的元素等，然后再选择或构造适合这 种数学表示的分类方法；又例如构造概率统计模型，然后用统计方法分类等。 （北京工业大学孟大志提供） [附]数据文件 Art-model-data 的内容如下： 附录 1：已知类别的序列（用于提取特征及检验方法） A 类 10 个序列： >aggcacggaaaaacgggaataacggaggaggacttggcacggcattacacggaggacgaggtaaaggaggcttgtctac ggccggaagtgaagggggatatgaccgcttggaattgtctg >cggaggacaaacgggatggcggtattggaggtggcggactgttcggggaattattcggtttaaacgggacaaggaaggc ggctggaacaaccggacggtggcagcaaaggaacggacacg >gggacggatacggattctggccacggacggaaaggaggacacggcggacatacacggcggcaacggacggaacggagga aggagggcggcaatcggtacggaggcggcggacggacggag >atggataacggaaacaaaccagacaaacttcggtagaaatacagaagcttagatgcatatgttttttaaataaaatttg tattattatggtatcataaaaaaaggttgcgagataacata >cggctggcggacaacggactggcggattccaaaaacggaggaggcggacggaggctacaccaccgtttcggcggaaagg cggagggctggcaggaggctcattacggggagcggaggcgg 17 >atggaaaattttcggaaaggcggcaggcaggaggcaaaggcggaaaggaaggaaacggcggatatttcggaagtggata ttaggagggc