用matlab解决问题:一个人在运动场沿椭圆曲线x^2+4y^2=256的跑道以恒定速率a跑步,方向为逆时针,初始状态小狗在坐标原点,主人从(0,8)位置沿椭圆曲线x^2+4y^2=256的跑道以恒定速率a跑步。小狗以速率b向主人奔去,假设狗的运动方向始终指向主人,且当主人运动到初始位置时主人和狗的运动都暂停,当a,b为什么关系的时候小狗永远追不上主人
时间: 2024-04-02 19:36:13 浏览: 81
二次方程插值:假设您有一个二次方程 y=ax^2+bx+c。此脚本确定 a, b , c-matlab开发
这个问题可以用数学模型来解决。假设人的运动方程为(x(t),y(t)),狗的运动方程为(u(t),v(t)),其中t表示时间,a表示人和主人的运动速度,b表示狗的运动速度。由于狗一直指向主人,所以狗的运动方向为从当前位置(u(t),v(t))指向主人的位置(x(t),y(t))。
根据给出的条件,人和主人的运动轨迹在椭圆曲线x^2+4y^2=256上,所以可以得到人和主人的运动方程为:
x(t) = 16cos(t)
y(t) = 4sin(t)
x'(t) = -16sin(t)
y'(t) = 4cos(t)
狗的运动方程可以分为两个部分,一个是沿着方向向主人奔跑,另一个是根据当前位置调整方向。所以可以得到狗的运动方程为:
u'(t) = b * cos(theta(t))
v'(t) = b * sin(theta(t))
theta(t) = atan2(y(t)-v(t),x(t)-u(t))
其中u'(t)和v'(t)表示狗在当前时刻的速度向量,theta(t)表示狗当前应该朝向的角度,atan2()是求反正切函数,用来计算狗应该朝向主人的方向。
根据题意,当主人运动到初始位置时主人和狗的运动都暂停,即x(t)=0,y(t)=8时,狗的位置也应该是(0,8)。所以可以得到狗的初始位置为:
u(0) = -b
v(0) = 0
根据以上方程,可以得到狗和人的位置在t时刻的坐标分别为:
x(t) = 16cos(t)
y(t) = 4sin(t)
u(t) = -b * integral(cos(theta(t)),0,t) - b
v(t) = b * integral(sin(theta(t)),0,t)
其中integral()表示积分函数,用来计算狗在t时间内沿着指向主人的方向运动的距离。
当狗能够追上主人时,狗和人的位置应该重合,即存在一个时间t0使得x(t0)=u(t0),y(t0)=v(t0)。代入以上方程可得:
16cos(t0) = -b * integral(cos(theta(t)),0,t0) - b
4sin(t0) = b * integral(sin(theta(t)),0,t0)
化简可得:
integral(cos(theta(t)),0,t0) = -1/16 * (16cos(t0)+b)/b
integral(sin(theta(t)),0,t0) = 1/4 * sin(t0)
代入狗的运动方程中,可得:
u(t0) = -b * integral(cos(theta(t)),0,t0) - b = b/16 * (16cos(t0)+b)
v(t0) = b * integral(sin(theta(t)),0,t0) = b/4 * sin(t0)
代入人的运动方程中,可得:
x(t0) = 16cos(t0)
y(t0) = 4sin(t0)
当u(t0)=0时,即狗能够追上主人时,可得:
b/16 * (16cos(t0)+b) = 0
解得:
cos(t0) = -b/16
当cos(t0)=-b/16时,可得:
sin(t0) = ±sqrt(1-cos^2(t0)) = ±sqrt(1-b^2/256)
代入x(t0)=u(t0),y(t0)=v(t0)中,可得:
16cos(t0) = b/16 * (16cos(t0)+b)
4sin(t0) = b/4 * sin(t0)
化简可得:
cos(t0) = b/256
sin(t0) = ±sqrt(1-b^2/256)
因为t0的范围是[0,2π],所以当sin(t0)>0时,可得:
t0 = arcsin(sqrt(1-b^2/256))
当sin(t0)<0时,可得:
t0 = π - arcsin(sqrt(1-b^2/256))
综上所述,若要使狗永远追不上主人,只需要满足cos(t0)=-b/16,即b=16cos(t0)=±16sqrt(255)/255。因为b>0,所以只有b=16sqrt(255)/255时,狗永远追不上主人。
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