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1、數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)7.5 飲酒駕車(chē)微分方程模型及非線性擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)問(wèn)題數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn) 大李喝下啤酒后,酒精先從腸胃吸收進(jìn)入血液和體液中,然大李喝下啤酒后,酒精先從腸胃吸收進(jìn)入血液和體液中,然后從血液和體液向體外排出。可以建立二室模型,將腸胃看成后從血液和體液向體外排出??梢越⒍夷P停瑢⒛c胃看成吸收室,將血液與體液看成中心室吸收室,將血液與體液看成中心室( (見(jiàn)下圖見(jiàn)下圖) )。吸收室x1(t)中心室c1(t),Vk1k2吸收排出 吸收和排出的過(guò)程都可以簡(jiǎn)化成一級(jí)反應(yīng)來(lái)處理,加起來(lái)得到體吸收和排出的過(guò)程都可以簡(jiǎn)化成一級(jí)反應(yīng)來(lái)處理,加起來(lái)得到體液內(nèi)酒精吸收和排出過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。因?yàn)?/p>
2、考慮到時(shí)短時(shí)間內(nèi)液內(nèi)酒精吸收和排出過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。因?yàn)榭紤]到時(shí)短時(shí)間內(nèi)喝酒,所以忽略喝酒的時(shí)間,可使初始條件得以簡(jiǎn)化。喝酒,所以忽略喝酒的時(shí)間,可使初始條件得以簡(jiǎn)化。根據(jù)上面問(wèn)題要求,可歸結(jié)為如下問(wèn)題:根據(jù)上面問(wèn)題要求,可歸結(jié)為如下問(wèn)題:1、建立數(shù)學(xué)模型,并解釋大李在中午、建立數(shù)學(xué)模型,并解釋大李在中午12點(diǎn)喝點(diǎn)喝1瓶啤酒后,在下午瓶啤酒后,在下午6點(diǎn)檢查點(diǎn)檢查時(shí)體內(nèi)血液中的酒精含量小于時(shí)體內(nèi)血液中的酒精含量小于20mg/10ml,符合符合“駕車(chē)標(biāo)準(zhǔn)駕車(chē)標(biāo)準(zhǔn)”。2、建立數(shù)學(xué)模型,并解釋大李在晚飯時(shí)再喝、建立數(shù)學(xué)模型,并解釋大李在晚飯時(shí)再喝1瓶啤酒后,在凌晨瓶啤酒后,在凌晨2點(diǎn)檢查時(shí)點(diǎn)檢查時(shí)體內(nèi)
3、血液中的酒精含量體內(nèi)血液中的酒精含量不小于不小于20mg/100ml,不符合不符合“飲酒駕車(chē)飲酒駕車(chē)”的標(biāo)準(zhǔn)。的標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn) 酒精量是指純酒精的質(zhì)量,單位為毫克酒精量是指純酒精的質(zhì)量,單位為毫克(mg);酒精含量是指純;酒精含量是指純酒精的濃度,單位是毫克酒精的濃度,單位是毫克/百毫升百毫升(mg/100ml);t:時(shí)刻時(shí)刻(h);x1(t):在時(shí)刻在時(shí)刻t吸收室吸收室(腸胃腸胃)內(nèi)的酒精量?jī)?nèi)的酒精量(mg);k1:酒精從吸收室進(jìn)入中心室的速率系數(shù);酒精從吸收室進(jìn)入中心室的速率系數(shù);g0:在短時(shí)間內(nèi)喝下在短時(shí)間內(nèi)喝下1瓶啤酒后吸收室內(nèi)的酒精量瓶啤酒后吸收室內(nèi)的酒精量(mg);y1(t
4、):在時(shí)刻在時(shí)刻t中心室中心室(血液和體液血液和體液)的酒量的酒量(mg);K2:酒精從中心室向體外排出的速率系數(shù)酒精從中心室向體外排出的速率系數(shù);V:中心室的容積中心室的容積(100ml).數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)(4)考慮到大李在下午6點(diǎn)接受檢查,之后由于離開(kāi)檢查地點(diǎn)以及停車(chē)等待等原因耽誤了一定時(shí)間,因此假定大李在晚8點(diǎn)吃晚飯(即大李從第一次接受檢查到第二次喝酒之間相隔了2個(gè)小時(shí)) 大李在短時(shí)間內(nèi)喝下2瓶啤酒后,酒精先從吸收室(腸胃)進(jìn)入中心室(血液與體液),然后從中心室向體外排出。忽略喝酒時(shí)間,并假設(shè):(1)吸收室在初始時(shí)刻t=0時(shí),酒精量立即為2g0,酒精從吸收室進(jìn)入中心室的速率(吸收室在單位
5、時(shí)間內(nèi)酒精量的減少量)與吸收室的酒精量成正比,比例系數(shù)為k1.(2)中心室的容積V保持不變;在初始時(shí)刻t=0時(shí),中心室酒精量為0;在任意時(shí)刻,酒精從中心室向體外排出的速率(中心室的單位時(shí)間內(nèi)酒精量的減少量)與中心室的酒精量成正比,比例系數(shù)為k2.(3)在大李(體重為70kg)適度飲酒沒(méi)有酒精中毒的前提下,假設(shè)k1和k2都是常數(shù),與酒精量無(wú)關(guān)。數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)根據(jù)假設(shè)(根據(jù)假設(shè)(1),吸收室的酒精量),吸收室的酒精量x1(t)滿足微分方程初值問(wèn)題滿足微分方程初值問(wèn)題) 1 . 5 . 7()0()()(01111Ngxtxkdttdx根據(jù)假設(shè)(根據(jù)假設(shè)(2),中心室的酒精量),中心室的酒精量y1
6、(t)滿足微分方程初值問(wèn)題:滿足微分方程初值問(wèn)題:)2 . 5 . 7(0)0()()()(112111ytyktxkdttdy數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)根據(jù)(根據(jù)(7.5.1)和()和(7.5.2)得到微分方程組初值問(wèn)題:)得到微分方程組初值問(wèn)題:0)0()0()()()()()(10112111111yNgxtyktxkdttdytxkdttdx解上述微分方程組初值問(wèn)題,其解上述微分方程組初值問(wèn)題,其matlab程序如下:程序如下:x1,y1=dsolve(Dx1=-k1*x1,Dy1=k1*x1-k2*y1,x1(0)=N*g(0),y1(0)=0)y,how=simple(x1,y1)y = N
7、*g(0)*exp(-k1*t), k1*N*g(0)*(exp(-k2*t)-exp(-k1*t)/(k1-k2)程序運(yùn)行結(jié)果:程序運(yùn)行結(jié)果:程序求解結(jié)果整理為:程序求解結(jié)果整理為:即即:解為解為)()()()(1212110101tktktkeekkkNgtyeNgtx返回?cái)?shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)式(式(7.5.3)可以寫(xiě)成)可以寫(xiě)成)4 . 5 . 7(, )()(12tktkeektc) 3 . 5 . 7 ()()()(122110tktkeekkVkNgtc當(dāng)前任務(wù)就是,確定k,k1,k2數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)用用MATLAB的函數(shù)的函數(shù)nlinfit(非線性最小二乘擬合非線性最小二乘擬合),根
8、據(jù)賽題所給數(shù)據(jù)根據(jù)賽題所給數(shù)據(jù)擬合式(擬合式(7.5.4)的參數(shù))的參數(shù)k1,k2和和k.此問(wèn)題的此問(wèn)題的MATLAB程序如下:程序如下:f=(k,x)k(3).*(exp(-k(2).*x)-exp(-k(1).*x);x=0.25 0.5 0.75 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16;y=30 68 75 82 82 77 68 68 58 51 50 41 38 35 28 25 18 15 12 10 7 7 4;k0=2,1,80;%參數(shù)的初值k=nlinfit(x,y,f,k0)plot(x,y,r*,0:0
9、.01:18,f(k,0:0.01:18),k)xlabel(時(shí)間(h)ylabel(酒精含量)title(血液中酒精含量的擬合圖)axis(0 18 0 90)legend(原始數(shù)據(jù),擬合曲線)數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)參數(shù)參數(shù)k1,k2和和k的擬合結(jié)果為的擬合結(jié)果為:k =2.0079 0.1855 114.4325240246810121416180102030405060708090時(shí)間(h)酒精含量血液中酒精含量的數(shù)據(jù)擬合圖 原 始 數(shù) 據(jù)擬 合 曲 線數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn))5 . 5 . 7(, )(4325.114)(0079. 21855. 02tteetc參數(shù)的初值設(shè)定思路:參數(shù)的初值設(shè)定
10、思路: fc=(x)k(3).*(exp(-k(2).*x)-exp(-k(1).*x);figure(2)plot(x,y-fc(x),ro,0 18,0 0,k)axis(0,18,-10,10)數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖:結(jié)果如圖:024681012141618-10-8-6-4-20246810擬合誤差圖時(shí)間(h)酒精含量擬合誤差(mg)從原始數(shù)據(jù)擬合圖、從原始數(shù)據(jù)擬合圖、擬合誤差圖觀察發(fā)擬合誤差圖觀察發(fā)現(xiàn)擬合效果比較好。現(xiàn)擬合效果比較好。在擬合誤差圖中只在擬合誤差圖中只有一個(gè)誤差在有一個(gè)誤差在-10附附近,其他誤差值都近,其他誤差值都在(在(-6,6)之內(nèi),)之內(nèi),且分布比較均勻,且分
11、布比較均勻,這說(shuō)明引入的假設(shè)這說(shuō)明引入的假設(shè)和建立的模型比較和建立的模型比較合理。合理。數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)7.5.7.1問(wèn)題問(wèn)題(1)的應(yīng)用的應(yīng)用 在問(wèn)題(在問(wèn)題(1)中,大李在中午)中,大李在中午12點(diǎn)喝了點(diǎn)喝了1瓶啤酒(與瓶啤酒(與“參考數(shù)據(jù)參考數(shù)據(jù)”中短時(shí)間內(nèi)喝下中短時(shí)間內(nèi)喝下2瓶啤酒相比,喝酒量減少一半),此時(shí):瓶啤酒相比,喝酒量減少一半),此時(shí): 根據(jù)假設(shè)(根據(jù)假設(shè)(3),),k1和和k2保持不變,根據(jù)式(保持不變,根據(jù)式(7.5.5),大李的血液),大李的血液中酒精含量的經(jīng)驗(yàn)數(shù)學(xué)模型為:中酒精含量的經(jīng)驗(yàn)數(shù)學(xué)模型為: 把把t=6代入式(代入式(7.5.6),可以得到大李在下午),可以得
12、到大李在下午6點(diǎn)被檢查時(shí)血液點(diǎn)被檢查時(shí)血液中酒精含量為:中酒精含量為: 因此,此時(shí)大李符合因此,此時(shí)大李符合“駕車(chē)標(biāo)準(zhǔn)駕車(chē)標(biāo)準(zhǔn)”(不屬于(不屬于“飲酒駕車(chē)飲酒駕車(chē)”)。)。數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)7.5.7.2 問(wèn)題問(wèn)題(2)的應(yīng)用的應(yīng)用 在問(wèn)題(在問(wèn)題(2)中,大李在晚飯時(shí)又喝了)中,大李在晚飯時(shí)又喝了1瓶啤酒,瓶啤酒,根據(jù)模型假設(shè)根據(jù)模型假設(shè)中的中的“忽略喝酒時(shí)間忽略喝酒時(shí)間”,假設(shè)這瓶啤酒是在短時(shí)間內(nèi)喝的。假設(shè)這瓶啤酒是在短時(shí)間內(nèi)喝的。由于問(wèn)題中沒(méi)有給出具體的晚飯喝酒時(shí)間,假設(shè)在晚上由于問(wèn)題中沒(méi)有給出具體的晚飯喝酒時(shí)間,假設(shè)在晚上s點(diǎn)吃飯時(shí)點(diǎn)吃飯時(shí)大李又喝了大李又喝了1瓶啤酒,瓶啤酒,注意注意s
13、6因?yàn)榇罄畈豢赡茉谙挛缫驗(yàn)榇罄畈豢赡茉谙挛?點(diǎn)被檢查的同時(shí)喝酒點(diǎn)被檢查的同時(shí)喝酒數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)根據(jù)假設(shè)(根據(jù)假設(shè)(3),),k1和和k2保持不變,則有:保持不變,則有:)()0()()0()()()()()(1210222212212syysxNgxtyktxkdttdytxkdttdx根據(jù)前面的結(jié)果有:根據(jù)前面的結(jié)果有:模型求解數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)用用MATLAB編程求解如下:編程求解如下:x2,y2=dsolve(Dx2=-k1*x2,Dy2=k1*x2-k2*y2,x2(0)=N*g(0)*(1+exp(-k1*s),y2(0)=(k1*N*g(0)/(k1-k2)*(exp(-k2*s)
14、-exp(-k1*s)y,how=simple(x2,y2)運(yùn)行結(jié)果:運(yùn)行結(jié)果:y = N*g(0)*(1+exp(-k1*s)*exp(-k1*t), k1*N*g(0)*(exp(-k2*t)+exp(-k2*t-k2*s)-exp(-k1*t)-exp(-k1*t-k1*s)/(k1-k2)即:即:數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn))7 . 5 . 7()1 ()1() 21(),(112210tksktkskeeeekkVkNgstc可變?yōu)椋?8 . 5 . 7()1 ()1(),(1122tksktkskeeeekstc 其中2110,)21(kkkkVkNgk大李又喝了大李又喝了1瓶啤酒時(shí),酒精含量
15、與時(shí)間(時(shí)間瓶啤酒時(shí),酒精含量與時(shí)間(時(shí)間t從第二次喝酒從第二次喝酒開(kāi)始算,即開(kāi)始算,即t=14-s)的關(guān)系為:)的關(guān)系為:) 9 . 5 . 7 ()1 ()1(2163.57),(0079. 20079. 21855. 01855. 0tstseeeestc數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)根據(jù)假設(shè)(根據(jù)假設(shè)(4),大李在晚),大李在晚8點(diǎn)吃晚飯,把點(diǎn)吃晚飯,把s=8,t=6代入式代入式(7.5.9),得,得大李在凌晨大李在凌晨2點(diǎn)被檢查時(shí)血液中酒精含量為點(diǎn)被檢查時(shí)血液中酒精含量為:)100/(200618.23) 8 , 6(mlmgc此時(shí)屬于此時(shí)屬于“飲酒駕車(chē)飲酒駕車(chē)”。當(dāng)然,人們也許更關(guān)心大李晚上“何
16、時(shí)”再喝1瓶啤酒后,在凌晨2點(diǎn)檢查時(shí)體內(nèi)體內(nèi)血液中的酒精含量等于20mg/100ml(即飲酒駕車(chē)的臨界時(shí)間)。此問(wèn)題的MATLAB程序如下:x=fzero(57.2163*(1+exp(-0.1855*(14-x).*exp(-0.1855*x)-(1+exp(-2.0079*(14-x).*exp(-2.0079*x)-20,7)T=14-xx = 6.9584T = 7.0416運(yùn)行結(jié)果為:因此,大李在晚上7.0416時(shí)之后再喝1瓶啤酒,在凌晨2點(diǎn)檢查時(shí)體內(nèi)血液中的酒精含量就會(huì)大于20mg/100ml(這樣大李在晚上8點(diǎn)再喝1瓶啤酒,在凌晨2點(diǎn)被檢查時(shí)就會(huì)被定為“飲酒駕車(chē)”)。數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)學(xué)
17、實(shí)驗(yàn)綜合以上解釋了:(1)大李在中午12點(diǎn)喝了1瓶啤酒,下午6點(diǎn)檢查時(shí)血液中的酒精含量為18.799320(mg/100ml),被定為飲酒駕車(chē)。結(jié)論:數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn) 本節(jié)在短時(shí)間內(nèi)喝酒情況下,建立了體液(含血液)中的酒本節(jié)在短時(shí)間內(nèi)喝酒情況下,建立了體液(含血液)中的酒精含量的數(shù)學(xué)模型精含量的數(shù)學(xué)模型.該模型基于微分方程,并對(duì)給出的數(shù)據(jù)利用非該模型基于微分方程,并對(duì)給出的數(shù)據(jù)利用非線性最小二乘數(shù)據(jù)擬合法,確定了酒精從腸胃進(jìn)入血液的速率系線性最小二乘數(shù)據(jù)擬合法,確定了酒精從腸胃進(jìn)入血液的速率系數(shù)和酒精從血液滲透出體外的速率系數(shù),根據(jù)模型得到的結(jié)果基數(shù)和酒精從血液滲透出體外的速率系數(shù),根據(jù)模型得到的結(jié)果基本符合實(shí)際。模型很好的描述了酒精在體內(nèi)的變化規(guī)律,在酒精本符合實(shí)際。模型很好的描述了酒精在體內(nèi)的變化規(guī)律,在酒精攝入時(shí)能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出不同時(shí)間的血液酒精濃度。對(duì)駕駛攝入時(shí)能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出不同時(shí)間的血液酒精濃度。對(duì)駕駛?cè)藛T安排喝酒與開(kāi)車(chē)的關(guān)系具有指導(dǎo)性作用,并能夠有效地防止人員安排喝酒與開(kāi)車(chē)的關(guān)系具有指導(dǎo)性作用,并能夠有效地防止酒后駕車(chē)的發(fā)生。酒后駕車(chē)的發(fā)生。 1、模型把復(fù)雜的生理循環(huán)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為酒精從腸胃(吸收、模型把復(fù)雜的生理循環(huán)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為酒精從腸胃(吸收室)到血液與體液(中心室)的簡(jiǎn)單變化;室)到血液與體液(中心室)的
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