易拉罐的最优化问题
易拉罐形状和尺寸的最优设计
易拉罐形状和尺寸的最优设计（06全国一等奖）摘要任何企业都希望能投入最少的成本以获得最大的利润，我们只要稍加留意就会发现销量很大的饮料的饮料罐（即易拉罐）的形状和尺寸几乎都是一样的，这并非偶然，应该是某种意义下的最优设计.本文以饮料量为355毫升的易拉罐为例来研究易拉罐的形状和尺寸的最优设计问题，解决了以下五个问题.对于问题一，我们测得易拉罐顶盖直径为5.9cm，顶盖到底面的高为12cm，侧面的高为12.3cm，中间胖的部分的直径为6.6cm、周长为20.8cm，并在网上查得侧面与顶盖、底面厚度之比为1:2.对于问题二，本文以易拉罐所耗材料的费用达到最小来考虑，由于易拉罐各部分单位面积的价格难以确定，本文通过各部分单位面积的价格与相应厚度的关系，将目标函数由求所耗材料的最小费用转化为求所耗材料的最小体积，罐的容积是一定的（355毫升），即为目标函数的约束条件，所以我们建立了一个非线性优化模型.根据拉格朗日乘数法并用Matlab软件编程，求得此时易拉罐的最优设计为半径和高之比是1:4，其结果可以合理地说明我们所测量的易拉罐的形状和尺寸.对于问题三，本文运用问题二的方法建立了一个非线性优化模型，根据拉格朗日乘数法并用Matlab 软件编程，求得此时易拉罐的最优设计为——上面部分为圆锥体（下底半径为3.45cm，高为3.09cm）、下面部分为圆柱体（高为8.45cm），其结果与本文所测量的易拉罐的形状和尺寸并不符合.然后本文通过合理性和可行性分析，发现本文求得的是耗用材料最省的最优设计，但从美感、物理、力学、工程或材料方面考虑，与实际的设计相比实用性稍差.对于问题四，本文从耗材上的节省，以及外形的美观和可行性等方面设计了自己的关于易拉罐形状的最优设计——正椭圆柱体的易拉罐.运用问题二的方法建立了一个非线性规划模型，并通过Matlab 软件编程求得了比较合理的尺寸，求得：椭圆柱体上下底面的半径为 1.8h cm=，中间=，高为11.6r cm最胖部分的半径为3.6cm.另外，本文从不同的角度分析了这一设计的优缺点.对于问题五，我们根据做本题以及以前学习和实践数学建模的亲身体验，写了一篇短文，阐述了什么是数学建模、它的关键步骤，以及难点等.最后，本文对问题二、问题三、问题四的模型及结果进行了分析和评价.此外，对于问题四，我们求出了易拉罐为正椭圆柱体时的最优设计.用同样的方法，我们可以解决易拉罐为其它形状时的最优设计,如易拉罐的中心纵断面为双曲线的旋转体.另外,从消费者购买欲望的角度分析，最优设计还要考虑消费群体不同需求的偏好，不同的消费群体对产品的偏好是不同的.关键词：易拉罐非线性优化模型拉格朗日乘数法正椭圆柱问题重述我们只要稍加留意就会发现销量很大的饮料 (例如饮料量为355毫升的可口可乐、青岛啤酒等) 的饮料罐(即易拉罐)的形状和尺寸几乎都是一样的.看来，这并非偶然，这应该是某种意义下的最优设计.当然，对于单个的易拉罐来说，这种最优设计可以节省的钱可能是很有限的，但是如果是生产几亿，甚至几十亿个易拉罐的话，可以节约的钱就很可观了.以饮料量为355毫升的易拉罐为例来研究易拉罐的形状和尺寸的最优设计问题，现需解决五个问题，具体如下：问题一：取一个饮料量为355毫升的易拉罐，例如355毫升的可口可乐饮料罐，测量验证模型所需要的数据，例如易拉罐各部分的直径、高度，厚度等，并把数据列表加以说明；如果数据不是自己测量得到的，必须注明出处.问题二：⑴易拉罐是一个正圆柱体，什么是它的最优设计？⑵其结果是否可以合理地说明你们所测量的易拉罐的形状和尺寸，例如说，半径和高之比，等等.问题三：⑴易拉罐的中心纵断面如下图所示，即上面部分是一个正圆台，下面部分是一个正圆柱体.什么是它的最优设计？⑵其结果是否可以合理地说明你们所测量的易拉罐的形状和尺寸.问题四：通过对所测量的易拉罐的洞察和想象力，做出自己的关于易拉罐形状和尺寸的最优设计.问题五用做本题以及以前学习和实践数学建模的亲身体验，写一篇短文(不超过1000字，论文中必须包括这篇短文)，阐述什么是数学建模、它的关键步骤，以及难点.问题分析任何企业都希望能投入最少的成本以获得最大的利润，要使易拉罐的设计达到最优即所耗材料费用应最省，因此我们可以将所耗材料费用看成是我们所要求的目标函数.材料费用通常是以单位面积来衡量的，从制造工艺的角度来看，侧面和顶盖、底面的造价是不同的，通常底面造价比侧面造价要高，这主要取决于底面比侧面厚度要大，因为如果底面和侧面一样薄，就很难将易拉罐拉开；如果侧面和底面一样厚，则浪费材料. 易拉罐总的费用应为顶盖、底面和侧面的面积乘以各自相应单位面积的造价，而底面和侧面的造价与其相应的厚度有关，厚度越大造价越高，反之，厚度越小造价越低.又表面积乘以厚度为体积，从而我们可以将目标函数由求所耗材料的最小费用转化为求所耗材料的最小体积.我们在全文数据库中查得：铝制易拉罐的罐体采用的生产工艺是一次成型的，它并不要从一块大的铝片上裁下材料[1].所以，我们不用考虑余料的问题，只需考虑现在所耗的材料.罐的容积是一定的（355毫升），即为目标函数的约束条件.综合以上分析，对于问题二、问题三、问题四，我们可以建立一个以易拉罐所耗材料体积为目标函数，罐的容积为约束条件建立一个非线性优化模型.模型建立与求解1、对于问题一易拉罐的中心纵断面如下图所示，记为图①：图① 易拉罐的中心纵断面我们利用直尺、一条窄的无伸缩的薄纸条和游标卡尺测得：易拉罐侧面的高h 为12.3cm ，顶盖到底面的高1h 为12cm ，中间胖的部分的高2h 为10.2cm ，顶盖直径1d 为5.9cm ，中间胖的部分的直径2d 为6.6cm 、周长为20.8cm .在网上查得资料，侧面的厚度与顶盖、底面的厚度之比为1:2[2].⑴ 模型建立当易拉罐是一个正圆柱体时，图形可用下图表示，记为图②（说明：侧面厚度和底面厚度应该是很薄的，为了方便图形的标识，就将其实际厚度扩大了很多倍）.底面厚度半径r图② 易拉罐的中心纵断面设易拉罐的侧面厚度为d ，底面外侧圆半径为r ，罐高为h ，罐的容积为V ，侧面所用材料的体积为V 侧，顶盖和底面所用材料的体积之和为V 底，所用材料体积为V 材.其中，d 和V 是固定参数，r 和h 是自变量，V 材为因变量.由第一问在网上查到的资料“侧面的厚度与顶盖、底面的厚度之比为1:2”，得底面厚度为2d ； 侧面所用材料的体积为：22[()]V r r d h ππ=--侧；顶盖和底面所用材料的体积为：22()2V r d d π=⨯-⨯底；222[()]2()2V V V r r d h r d dπππ ∴=+ =--+-⨯侧材底且2()(22)V r d h d π=-⨯-⨯综上，我们可以建立以下的数学模型：222min (,)[()]2()2(,)355..0,0V r h r r d h r d dV r h s t r h πππ =--+-⨯=⎧ ⎨>>⎩材 ┈┈┈┈┈┈┈模型①⑵ 模型求解根据我们所建立的模型，即要在罐的容积一定的情况下求使所用材料体积最小的半径和高之比.由模型可以看出，这是一个多元函数条件极值问题，可以由拉格朗日乘数法[3]来求解.引入参数λ，函数(,)(,)355r h V r h ϕ=-，令(,,)(,)(,)L r h V r h r h λλϕ=+材要求L 的极值，即其对r h λ、、的一阶偏导数为零，则：00(,)0V L rr r V L hh h L r h ϕλϕλϕλ∂⎧∂∂=+=⎪∂∂∂⎪∂⎪∂∂=+=⎨∂∂∂⎪∂⎪==⎪∂⎩材材 通过在Matlab 软件下编程（程序见附录中的程序1），求得：223:1:43.0460.4313(3.046)0.8626(3.046)0.431312.18.r h r d h d d d d d ==+=⨯+-⨯++⨯+；；即易拉罐是正圆柱体时的最优设计为：半径和高之比是1:4.我们所测量的易拉罐的顶盖直径为：5.9cm ，从顶盖到底面的高为：12cm ，从而我们所测的易拉罐的半径和高之比为：(5.92):121:4.0678÷≈因此，我们根据模型所求得的易拉罐的半径与我们测量得到的半径相差不大，且易拉罐的半径与高之比和我们所测的易拉罐的半径与高之比也基本吻合.⑶ 验证:1:4r h =使V 材达到最小要验证:1:4r h =使V 材达到最小，我们只需验证r 使V 材达到最小.由2()(22)V r d h d π=-⨯-⨯,可得:24()V h d r d π=+- 2222[()]42()2()V V r r d d r d d r d ππππ∴=--⨯++-⨯-材 计算''V 材,通过在Matlab 软件下编程（程序见附录中的程序2），求得:2''75.3865d+24.7500d V =材，其中0d >，故''0V >材.又由于在前面我们已经求得 3.046r d =+，所以，这个 r 的确使V 材 达到局部最小, 因为临界点只有一个, 故也使V 材达到全局最小.3、对于问题三⑴ 模型建立当易拉罐的上面部分是圆台、下面部分是正圆柱体时，图形可用下图表示，记为图③.半径高度1h半径2r图③ 易拉罐的中心纵断面设圆台上底面半径为1r ，下底面半径为2r ，圆台的高为1h ，圆柱体的高为2h ，侧面（包括圆台侧面和圆柱体侧面）厚度为d ，罐的容积为V ，侧面（包括圆台侧面和圆柱体侧面）所用材料的体积为V 侧，顶盖和底面所用材料的体积之和为V 底，所用材料体积为V 材.其中，d 和V 是固定参数，1r 、2r 、1h 和2h 是自变量，V 材为因变量.由第一问在网上查到的资料“侧面的厚度与顶盖、底面的厚度之比为1:2”，得底面厚度为2d ； 又由于圆台的表面积和体积可以表示如下：圆台的表面积22()S r rl Rl R π=+++圆台表，圆台的体积'2211()()33V S S h r rR R h π=+=++圆台（其中，r R 、分别为圆台上底、下底半径，h 为圆台的高，l 为圆台的母线）可得：侧面所用材料的体积为：2212222[([()]V r r d r r d h πππ=+⨯+--侧；顶盖和底面所用材料的体积为：2212[()]2V r r d d ππ=+-⨯底；1212(,,,)V r r h h V V ∴=+侧材底 且22211212221(2)[()()]()(2)3V h d r r d r r d r d h d ππ=-+-+-+-⨯-综上，我们可以建立以下的数学模型：121212121212min (,,,)(,,,)355..0,0,0,0V r r h h V r r h h s t r r h h =⎧ ⎨>>>>⎩材┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈模型③ ⑵ 模型求解根据我们所建立的模型，即要在罐的容积一定的情况下求使所用材料体积最小的半径和高之比.由模型可以看出，这是一个多元函数条件极值问题，可以用拉格朗日乘数法来解决这一问题. 引入参数λ，函数12121212(,,,)(,,,)355r r h h V r r h h ϕ=-，令121212121212(,,,,)(,,,)[(,,,)355]L r r h h V r r h h V r r h h λλ=+-材要求L 的极值，即其对1212,,,,r r h h λ的一阶偏导数为零，则：12121112221112220000(,,,)0V L r r r V L r r r V L h h h V L h h h L r r h h ϕλϕλϕλϕλϕλ∂⎧∂∂=+=⎪∂∂∂⎪⎪∂∂∂⎪=+=∂∂∂⎪⎪∂∂∂⎪=+=⎨∂∂∂⎪⎪∂∂∂⎪=+=∂∂∂⎪⎪∂⎪==∂⎪⎩材材材材 通过在Matlab 软件下编程（程序见附录中的程序3），求得两组可行解，具体如下所示： 1 4.211820119.10820r r h h ====、、、 ┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈解①12120 3.4527 3.08848.4498r r h h ====、、、 ┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈解②根据解①可以知道易拉罐是一个倒立的圆锥，显然不符合实际情况，故舍去这组解，我们取解②. 我们对结果保留两位小数，即圆台上底面半径为0，圆台的高为3.09cm ，圆台下底面半径也即圆柱体底面半径为3.45cm ，圆柱体的高为8.45cm ，此时易拉罐上面部分是一个圆锥体.⑶ 模型结果分析① 与实际测量的数据进行比较我们所测的顶盖直径为5.9cm ，中间胖的部分的直径为6.6cm ，侧面的高为12.3cm .根据我们的模型算得的结果与实际测的结果并不符合.② 合理性分析从耗用材料方面来说，我们建立的模型是耗用材料最省的最优设计.我们所求得的结果是满足材料最省的，由我们的模型在Matlab 下编程求得易拉罐耗用的材料体积为308.46d （d 为侧面厚度），而根据我们实际测量的数据求得易拉罐耗用的材料体积为357.45d ，故我们求得的易拉罐的最优设计比实际中的易拉罐耗用材料要省.③ 可行性分析根据我们求得的结果，易拉罐上面部分不是圆台而是一个圆锥体，这明显不符合实际，因为易拉罐的上顶面要留有拉环的位置.为什么我们求得的最优设计不符合实际的情况？主要原因有以下几点：第一，从美学角度上来讲.任何产品的设计都要注意包装要给人以美感，设计时要考虑消费者的审美习惯，使消费者能从包装中获得美的享受，并产生购买欲望.[4]我们根据实际测量的数据，发现易拉罐胖的部分的直径与胖的部分的高的比为：6.60.647110.2≈，很接近黄金分割率0.618.黄金分割率可以衡量平面图形美与不美，易拉罐下面部分的圆柱体的轴截面是矩形，如果它的轴截面的宽长之比满足黄金分割率，看起来就比较美观，说明这种设计并不是巧合，而是从外观的美感上作了研究的.而根据我们模型计算的结果，易拉罐胖的部分的直径与胖的部分的高的比为：21222 3.45270.59853.08848.4498r h h ⨯=≈++，这也很接近黄金分割率，满足了我们设计上美感的要求，从这一点上也可以说明我们的模型是有一定合理性的.但我们求的拉罐上面部分是一个圆锥体，从严格意义的美感上来讲不符合实际的情况.第二，从物理、力学、工程或材料方面考虑.[5]底面是上拱的底面，顶盖实际上也不是平面的，略有上拱，从顶盖到胖的部分的斜率为 0.3, 这些要求也许保证了和饮料罐的薄的部分的焊接(粘合) 很牢固、耐压.所有这些都是物理、力学或材料方面的要求，必须要有有关方面的实际工作者或专家来确定.而我们的模型考虑的易拉罐的底面和顶部都是平面的，并且没有考虑坡度，实用性稍差.4、对于问题四⑴ 模型分析根据几何学原理，同体积的几何形状，以球体的表面积最小，也就是说容积一定时，做成球形时所耗用的材料最省.单以材料最省为目标的话，易拉罐的最优设计就是球形.但是考虑实际情况，球形不容易运输、不能静止放置等等有太多的缺点，故我们舍去这种想法.根据球形和放置方便等情况，再考虑对称美，我们想到把球体上下各切掉相等的一部分，这样可以解决放置问题，用图形表示如下所示，记为图④：图④ 易拉罐的中心纵断面根据图形，我们可以看出来它的形状是矮胖形，十分不美观，且很不方便握拿.由以上的分析，我们就尝试把易拉罐做如下图所示的形状，记为图⑤：图⑤ 易拉罐的中心纵断面也就是一个椭圆体上下部分各切掉相等的一部分.再考虑美观，我们引入黄金分割，即我们可以让易拉罐的宽（这里我们取易拉罐最胖部分的直径，即为椭圆柱体的中心纵断面的短轴长）跟易拉罐的高之比等于黄金分割率.⑵ 模型建立设侧面厚度为d ，底面外侧圆半径为r ，罐高为h ，罐的容积为V ，侧面积为S ，侧面的高为h ，侧面所用材料的体积为V 侧，顶盖和底面所用材料的体积之和为V 底，所用材料体积为V 材，椭圆柱体的中心纵断面的长半轴为a 、短半轴为b .其中，d 和V 是固定参数，r 、h 、a 、b 是自变量，V 材为因变量.由第一问在网上查到的资料“侧面的厚度与顶盖、底面的厚度之比为1:2”，得底面厚度为2d ；我们又利用黄金分割的思想，令易拉罐的宽（这里我们取易拉罐中间最大值）与易拉罐的高之比等于黄金分割率，即：212b h =. 为了方便求椭圆柱的侧面积，我们以椭圆柱体的中心纵断面的长轴为x 轴、短轴为y 轴、以长轴和短轴的交点为原点建立直角坐标系，用下图表示,记为图⑥：a - x - 0 x a x 轴b -图⑥侧面积()xx S A x dx -=⎰ （其中，()A x 表示过点x 且垂直于x 轴的截面的周长）罐的容积()xx V B x dx -=⎰ （其中，()B x 表示过点x 且垂直于x 轴的截面面积）侧面所用材料的体积为V S d =⨯侧；顶盖和底面所用材料的体积为：22()2V r d d π=⨯-⨯底；(,,)V r a b V V ∴=+侧材底且355(V =毫升）综上，我们可以建立以下的数学模型：min (,,)(,)355..0,0,0V r a b V a b s t r a b =⎧ ⎨>>>⎩材 ┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈模型④ ⑶ 模型求解根据模型，在Matlab 软件下编程（程序见附录中的程序4），求得五组可行解，其中有两组解可以满足我们的情况，这两组解如下：6.2 3.7121234*()a cm b cm h cm r cm s d = ====、、、、立方厘米 ┈┈┈┈┈解③6.7 3.611.6 1.8271.5*()a cm b cm h cm r cm s d =====、、、、立方厘米 ┈┈┈解④⑷ 结果分析在五组解中我们选了两组能满足我们情况的解，即解③和解④.先分析解③.单从材料最省来考虑，那么解③是比较可行的，但是我们可以看到这种情况下半径只有1cm，考虑放置问题的可行性，这种情况是不利于放置的.再分析解④.虽然就用料方面比解③那种情况要多一些，但是它的底面半径有1.8cm，应该是比较有利于放置的.所以我们认为第二种情况更为可行，于是我们取第二种情况的数据.另外，根据我们所得到的五组实数解，不难发现长轴长与短轴长相差越远所用的材料越多；反之，它们相差越小时，所用的材料越少.那么当长轴与短轴长度相等时，所耗用的材料应该是最少的，这也就是当易拉罐是球形时,所用的材料是最小的，从而也验证了此结果的合理性.5、对于问题五对数学建模的体会及认识我们的日常生活中无时无处不存在数学建模问题，例如：如何有效控制病毒的传播、如何进行生产使获利最大、如何节约水资源等等都离不开数学建模.数学建模让我们切身感受到了科学知识提高生产效率、改善生活质量的伟大力量，提高了我们的科研能力和团队合作精神.通过实践数学建模，我们对什么是数学建模、它的关键步骤以及难点有了比较深刻的认识.一、什么是数学建模？数学建模是运用科学方法，通过观察和想象，对实际问题进行抽象、简化，反复探索、逐步完善，直到构造出一个能够用于分析、研究和解决实际问题的数学模型.因此，数学建模不仅是一种定量解决实际问题的科学方法，而且还是一种从无到有的创新活动过程.二、数学建模的关键步骤数学建模的基本步骤可以用下图来表示，记为图⑦：否否图⑦数学建模的基本步骤图我们觉得在这7个基本步骤中关键的步骤有有以下3个：⑴模型假设模型假设是把那些反映问题本质属性的形态、量及其关系抽象出来，简化掉那些非本质的因素，使之摆脱原型的具体复杂形态，形成对建模有用的信息资源和前提条件.⑵模型建立模型建立是在模型假设的基础上，选择恰当的数学工具和构造模型的方法对其进行表征，构造出刻划实际问题的数学模型.⑶模型应用模型应用是数学建模的宗旨，也是对模型的最客观、最公正的检验.因此，一个成功的数学模型，必须根据建模的目的，将其用于分析、研究和解决实际问题，充分发挥数学模型在生产科研中的特殊作用.三、数学建模的难点我们觉得数学建模的难点有3点，具体如下：⑴怎样针对实际的问题作出合理的假设.这是建模至关重要的一步，一个实际问题往往是复杂多变的，如不经过合理的简化假设将很难转化成数学模型，即便转化成功也可能是一个复杂且难于求解的模型.⑵怎样采用合适的方法求解模型.对于较为复杂的问题，模型即使建出来但可能解不出来，所以，我们要选择合适的算法来求解模型.⑶怎样检验模型是正确合理的.如果模型不合理就没有其实用价值，就又得重新建立一个合理的模型.另外，我们觉得建一个合理的模型只依靠数学知识是远远不够的，必须对所研究问题的背景有很深入的了解，就拿本题的第三问来说，我们设计的易拉罐的确是用料最省的，可是其形状并不符合实际，这主要是我们对背景知识的了解并不够透彻，第三问不仅仅是要满足用料最省，还要从美感、物理、力学、工程或材料等方面来考虑.评价与推广对于问题二，在计算过程中我们考虑了制成易拉罐的铝片的厚度，用拉格朗日乘数法进行求解得到最优值，其误差很小，而且我们最后得出的结论具有普遍性.对于问题三，如果考虑易拉罐的厚度，在用拉格朗日乘数法进行求解时，由于所求的方程组太复杂，计算机运行时间太长，无法得到结果.根据分析，我们发现易拉罐的厚度对结果的影响不大，因此，我们在计算时可以忽略易拉罐的厚度进行近似求解，这一近似的求解误差也是非常的小.对于问题四，由于相同体积下球的表面积是最小的，根据这一条件，我们从耗用量上料的节省、美观及可行性等方面设计了自己的关于易拉罐形状的最优设计——正椭圆柱的易拉罐.以椭圆柱为模型生产易拉罐，可以使厂家的生产成本减小，但是在装运方面与现在市场上的易拉罐形状比起来相对逊色很多,从而会增加装运成本.另外,我们求出了易拉罐为椭圆柱体时的最优设计.用同样的方法，我们可以解决易拉罐为其它形状时的最优设计,如易拉罐的中心纵断面为双曲线的旋转体.从消费者购买欲望的角度分析，最优设计还要考虑消费群体不同需求的偏好，不同的消费群体对产品的偏好是不同的. 经济学总是假设人们试图得到最偏好的结果，通常，我们可以模型化这个人试图最大化什么，例如欲望、货币、效用，这样我们就把人们的决策模型化为了最优化问题.。
易拉罐形状和尺寸的最优设计
淮海工学院毕业论文题目：易拉罐形状和尺寸的最优设计作者：吴杰学号：********** 系(院)：数理科学系专业班级：信息与计算科学032指导者：谭飞（高等数学教研室主任）评阅者：2007年5月连云港毕业论文中文摘要毕业论文文摘要目录1 引言 (1)1．1易拉罐的发展和前景 (1)1．2 实际调研 (2)1.3基本设计方案 (2)2可口可乐易拉罐的优化设计 (3)2．1模型的假设 (4)2．2数据测量 (4)2.3符号说明 (5)2．4 模型的建立与求解 (5)2．4．1 模型一的建立与求解 (5)2．4．2 模型二的建立与求解 (7)2．4．3 模型三的建立与求解 (9)2．5 模型的评价与推广 (11)结论 (13)致谢 (14)参考文献 (15)图1 罐体主要尺寸图 (4)图2 圆柱罐体剖面图 (5)图3 柱台罐体剖面图 (7)图 4 罐体受压性能图 (10)表 1 罐体主要尺寸 (4)表 2 罐体物理性能 (10)1 引言1．1易拉罐的发展和前景铝质易拉罐具有许多优点，如重量轻、密闭性好、不易破碎等，被大量用作啤酒、碳酸类饮料、果汁等食品的包装材料。
1963 年，易拉罐在美国得以发明，它继承了以往罐形的造型设计特点，在顶部设计了易拉环。
这是一次开启方式的革命，给人们带来了极大的方便和享受，因而很快得到普遍应用。
到了1980年，欧美市场基本上全都采用了这种铝罐作为啤酒和碳酸饮料的包装形式。
经过30多年来的发展已在全球形成庞大的生产规模，供求关系已出现严重的失衡。
即使是易拉罐技术发展最快，消费水平最高的美国，近年来罐厂生产能力的提高比消费需求增长快，生产能力年增2%，而需求量年增1%，同样出现年生产能力超过需求10亿只的局面。
随着设计和生产技术的进步，铝罐趋向轻量化，从最初的60克降到了1970年的21～15克左右。
国内的易拉罐业始于80年代，当时年产仅24亿只，随着原罐厂进行重大技术改造的完成以及国外罐业投资者的资本输入，到目前全国易拉罐年生产能力超过100亿只。
数学与应用数学专业毕业论文--易拉罐的形状和尺寸的最优设计
摘要本文讨论了以假设易拉罐的上、下底面及侧面所用材料相同为前提，在相同体积情况下，哪种形状的易拉罐所用材料最少。
将易拉罐设计成正圆柱体，分析并建立了非线性规划模型，用连续函数求极值的方法，获得结果；探讨了易拉罐形状为由上面圆台和下面正圆柱体组成的最优化设计，建立了非线性规划模型,分别用隐函数求导数和拉格朗日乘子两种方法求解；最后采用相同体积时球体表面积最小这一数学结论，以及便于运输和放置的实际状况，我们把易拉罐形状设计为用两个平面截去顶部后的圆台，建立非线性规划模型。
也尝试用旋转曲线建立球体最优设计。
通过计算对比结果,第二种形状(目前使用易拉罐形状)是最优的。
本文还对模型进行了推广。
关键词: 非线性规划拉格朗日定理隐函数一．问题重述日常生活中，我们稍加留意就会发现很多的饮料罐(即易拉罐)形状和尺寸几乎都一样。
看来，这并非偶然，这应该是某种意义下的最优设计。
当然，单个易拉罐的生产，对资源充分利用，节约生产成本并不明显。
但如果生产的数量非常多的话，那么节约的钱就很可观了。
为什么不同工厂的易拉罐采用统一规格？从数学的角度怎样给予合理的解释？易拉罐的圆柱底面圆的直径与圆柱的高的比是多少才为最优？和现实中的实际情况有什么差异，为什么？假设易拉罐的上、下底面及侧面所用的材料相同，则在相同的体积情况下，哪种形状和尺寸的饮料罐所用的材料最少则成本就越低，也就最合理。
需要研究的内容:(1) 对现实生活中易拉罐(可口可乐罐为例)的准确测量,包括罐体形状,尺寸等。
(2) 当易拉罐为一正圆柱体时,讨论它的最优设计方案,通过对半径和高的比值来说明和验证所测量的相关数据。
（3）当易拉罐有上面圆台和下面正圆柱体组成,如下图:讨论这种形状的最优方案,并与实际测量数据相分析比较。
(4) 查阅资料,发挥想象力,设计出易拉罐形状和尺寸最优的方案。
进行拉罐设计成本最小问题的数学建模及求解过程。
最后,总结做本题以及以前学习和实践数学建模的亲身体验，写一篇短文，阐述什么是数学建模、它的关键步骤，以及难点。
易拉罐形状和尺寸的最优设计(2)
其次，我们对测量数据进行了分析，发现整个罐体各部 分的厚度不相同，下底比侧面厚且呈凹形，这是考虑了易拉 罐上下底面所能承受压强的大小；另外，还发现罐体的设计 与其直径和高的比例有关，这个比值接近 0.618，考虑了人们 对罐体的视觉感受；而在罐体底部设有一个凸沿，是为了保 证垒放和运输的稳定性，因此易拉罐的设计是集中了力学、 数学、美学等科学原理的最优选择.
R=1.983R
（13）
由结果可知，即使考虑圆柱顶盖和其他部分的厚度不同
时，算出来的结果还近似是一个正圆柱，这是此种情况下的
最优设计.
4.2.3 各部分厚度不同的圆柱体
假设顶盖的厚度是 a，下底的厚度是 b，侧壁的厚度是 c，
那么所用材料 SV 就为
SV=[π（R＋c）2＋πR2]H+π（R＋c）2a+π（R＋c）2b
1. 引言 在经济社会不断发展的今天，节约资源是发展的前提.在 人们物质需求不断增加的情况下，为了实现可持续的经济发 展，解决能源危机和人类正常发展，我们要提升利用资源的 效率，合理的、科学的对我们现有的资源进行生产配置，实现 资源的最优化利用. 近年，我国每年用易拉罐 60—70 亿只，如果每个易拉罐 在形状和尺寸上作优化设计，节约一点用料，则总的节约就 很大了.本文中的易拉罐形状和尺寸的最优设计问题，就是为 了实现材料的最优利用和利润的最大化. 2. 问题的分析
3. 模型的建立 首先，我们对易拉罐罐体各个部分进行了测量，测量数 据如表 1 所示.
名称
圆柱直径
表 1 一个 355 毫升可口可乐饮料罐各个部分参数的测量平均值
圆柱高
下底厚
顶盖厚
侧面厚
圆台高
圆台侧厚
顶盖直径
测量值(mm) 66.09
易拉罐的形状和尺寸的最优设计
摘要
本文研究的是易拉罐外形和尺寸的最优化问题， 通过建立数学模型找到在易拉罐 体积一定的条件下，使得易拉罐表面积最小，材料最省的外形及尺寸。 首先动手测量易拉罐的各项尺寸，然后通过一个由简单到复杂的分析过程， 逐步建立模型与实测数据比较确定易拉罐外形和尺寸的设计方案， 并且通过进一 步优化得到最优的设计方案。 第一题需要我们亲自动手用各种工具测量易拉罐上底面及下底面直径、 易拉 罐各部分高度以及厚度。 第二题假设易拉罐为一个正圆柱体， 问题简化为已知圆柱体的体积求其高度 和底面半径为多少时表面积最小。进一步分析问题建立目标函数，用微分地方法 求解。 模型一与实际情况相差过大， 所以考虑上下底面的厚度来进一步优化模型， 就是模型二。 第三题继续优化，贴近实际，假设易拉罐的上部是一个正圆台，这样问题就 变为上部圆台和下部圆柱体体积和一定的条件下，求其表面积和最小，与第二步 相同建立目标函数， 并考虑到各种约束条件， 例如实用， 美观， 人体工程学等 （其 实最优化是没有尽头的，可口可乐公司在 08 年就已经将可乐罐改为 330ml） 。 第四题从回收和美观的角度将罐子设计成花瓶型， 易于抓握， 便于折叠回收。
六．自由设计
普通易拉罐外观单一，没有特色，且废瓶占用空间大，不易回收，因此我们 设计如图所示的单叶双曲面，并在瓶壁上加上螺纹，增大摩擦。不仅形状美观， 而且易于握紧，不会滑落。当饮料饮用完时，由于其物理特性，可以轻易用手旋 转并将其压扁，节约空间，不会占用太多地方。
七．模型的评价
1.模型的优点
优化设计，利用简单的算法简便了大部分运算，得出较为准确的模型。
模型二.
考虑上下底与侧壁材料的厚度不同 设易拉罐上底厚度为 d ,下底厚度为 d ，
易拉罐的最优尺寸设计改进的模型设计
易拉罐形状和尺寸的最优设计摘要研究内容我们利用数学建模方法，求解355毫升易拉罐的形状、尺寸最优设计，即在满足容积相同条件下，易拉罐制作用料最节省的设计方案，并与测量所得各指标数据相比较，讨论实际的易拉罐制造是否符合最优设计，及最优设计的正确性和可行性。
然后根据以上最优设计方案结果发挥想象，合理合情地设计一个打破传统的易拉罐形状和尺寸的最优设计。
最后我们对于优化模型的现实意义进行了讨论，结合实际提出了改进与推广建议。
研究方法与研究结果我们小组根据对象的特征和建模目的，做出两个必要、合理的简化假设：一是将易拉罐的形状作了规范，二是结合测量数据与了解到的实际制作方法，假设易拉罐顶部与侧壁的厚度比设为3:1。
具体建模步骤及结果如下：1）简化模型，假设易拉罐为一个正圆柱体，我们发现当圆柱体的高与底面半径比为4:1时，制作用料最省，达到最优。
2）细化模型，将模型看作上部圆台、下部圆柱体的结合，又分别在不考虑顶部与侧壁厚度差异和考虑厚度差异两种情况下，求得最优设计分别应满足条件：圆柱体高：圆台高=10：1；圆柱体底面半径：圆台顶部半径=6：53）自主设计易拉罐最优方案，根据相同体积下球形的表面积最小原理，发挥想象力，从最简单的球形演化分析，一步步演绎出最终的易拉罐形状和尺寸的最优设计。
模型优缺点评价优点：综合分析考虑到人体工程学、审美学（黄金分割点）等多方面的内容，从多个角度构建出数学模型约束条件。
在模型求解的过程中利用汇编语言，减少了人工计算的时间成本。
在测量数据过程中，使用实验室专业测量工具如游标卡尺，避免了直尺测量或到互联网上寻找相关数据的不准确性。
缺点：由于不熟悉线性、非线性数学软件的操作，所得结果存在一定的误差。
关键字355毫升易拉罐优化设计数学建模（简化模型、细化模型）黄金分割点人体工程学一、问题重述在提高我们的生活质量进程中，饮料成为不可或缺的一部分。
如今的饮料的盛装器皿也是琳琅满目，有可口可乐经典的玻璃瓶，有550～600毫升的塑料瓶，也有盛装牛奶的标志性容器利乐砖，而其中最为普遍的是铝制易拉罐。
易拉罐改进
另一种改进方法是采用新型 的保存方式，例如冷藏保存 或者真空保存。这些新型保 存方式可以有效地保持易拉 罐内产品的质量和口感，提 高消费者的满意度。同时， 这些新型保存方式还可以减 少对环境的影响，降低能源
消耗和碳排放
3
易拉罐的资源节约改进
易拉罐的资源节约改进
易拉罐作为一种包装容器，需要消耗大量的资源和能源。然而，现有的易拉罐存在着资源 浪费和环境污染等问题。因此，对易拉罐的资源节约进行改进是必要的 一种改进方法是采用可回收材料制作易拉罐。这些可回收材料可以是可降解材料、高分子 材料或者其他可回收金属材料。这些材料可以反复使用，减少对环境的影响和资源的浪费 。同时，这些可回收材料还可以降低生产成本，提高生产效率 另一种改进方法是采用新型的生产工艺，例如3D打印技术或者精密铸造技术。这些新型生 产工艺可以减少生产过程中的废料和能源消耗，提高生产效率和资源利用率。同时，这些 新型生产工艺还可以提高产品的质量和精度，满足消费者的需求和提高企业的竞争力
8
易拉罐的安全性改进
易拉罐的安全性改进
易拉罐作为一种包装容器，其安全性是消费者和生产企业都非常关注的问题。因此，对易 拉罐的安全性进行改进是必要的 一种改进方法是采用新型的密封技术，例如真空密封技术或者高温密封技术。这些新型技 术可以有效地提高易拉罐的密封性能，防止易拉罐内的产品漏出或者被污染。同时，这些 技术还可以提高易拉罐的安全性，避免消费者在开启易拉罐时受伤或者感染病菌
6
易拉罐的人性化设计改进
易拉罐的人性化设计改进
易拉罐作为包装容器，不仅要满足基本的使用和保存需求，还应考虑人性化设计，提高消费者的使用体 验 一种改进方法是采用防滑设计。这种设计可以避免消费者在拉开易拉罐时受伤或者滑手，提高使用的安 全性。同时，这种设计还可以提高易拉罐的美观度和质感，满足消费者的审美需求 另一种改进方法是采用智能识别技术。这种技术可以利用二维码、RFID等技术手段，实现对易拉罐的追 踪和管理。消费者可以通过扫描二维码或者使用RFID设备，获取易拉罐的生产信息、保存日期、营养成 分等信息。这种设计可以提高消费者对产品的了解和信任度，同时也可以方便企业进行管理和追溯 综上所述，通过对易拉罐的开罐方式、保存方式、资源节约、环保性和人性化设计进行改进，可以提高 易拉罐的性能和使用体验，满足消费者的需求并减少对环境的影响。未来，随着科技的不断进步和社会 的发展，易拉罐将会不断地被改进和创新，为人类的生产和生活带来更多的便利和效益
易拉罐形状和尺寸的最优设计 数学建模比赛论文
摘要本文针对常见的易拉罐(355毫升可口可乐)进行测量,在合理的假设下通过不断的优化建立最优易拉罐尺寸和外形的设计模型,并进行了相当程度的创新设计。
针对问题一，我们分别通过合理的方法测量计算得易拉罐的顶部，中间，和底部的直径，高度，顶部高度，以及罐侧，罐底，罐顶的厚度，并提供相应的测量方法。
针对问题二，我们本着由简单到复杂的演绎过程，逐步放宽条件和假设，依次得到相应的最优化模型。
首先考虑了最简单情况下的最优化问题（即假设易拉罐为正圆柱，罐顶罐底侧面材料相同且厚度一致，制作过程中没有材料的浪费）其次我们考虑了制作易拉罐铁皮切料过程中的问题，并在两种切料方法进行讨论。
再次，我们加入了制作费用，即各部分接缝的损失。
最后我们加入了罐底，罐顶，侧面，厚度不一致的考虑，得到了较为接近现实情况的优化模型。
针对问题三，即易拉罐是一个圆台加圆柱的组合情况，这与我们测得的实际情况较为相似,我进行了罐体抗压力, 罐内气体压强, 人体嘴形舒适度等方面考虑，肯定了圆台存在的意义.在体积不变的约束下建立了规划模型. 并通过MATLAB求解.针对问题四,我们综合了前面的优化过程,并在传统易拉罐模型的基础上对新型模型进行了进一步的优化创新, 虽然在体积一样的情况下圆柱是表面积最小的(证明见附录1),但从外形美观,原材料的节省,运输成本的节约方面看平面的柱体占有一定的优势,结合了以上两面的综合考虑,我们设计出了带弧度的底部上凸的正三棱体，并分别从形状和尺寸的确立、设计过程依据、总体成本估算、特殊形状成因、广告效应、材质选择以及运输成方面分别阐述了该模型超越传统模型的优势，以及新型模型本身的合理性与科学性。
通过运用弧形设计、弯曲表面效应、线性规划等的原理，对模型进行了的优化。
同时，针对新型模型本身我们不仅仅立足于科学的规划，而且着重考虑了人们的偏好以及舒适度，以使得易拉罐的新型更具有现实意义。
最后我们提出的一种有待进一步验证的蛋状易拉罐的方案，将易拉罐的设计意义和目的赋予了更加鲜明的民族色彩和文化内涵。
易拉罐问题
材料体积
假设圆台部分如图所示 设侧面倾角为θ. 底面的半径为R 底面的半径为 1=R+bd/sinθ. 底面与顶面的半径差为图中黄线所标识的线段 该段长度为(h+ad)ctanθ. 该段长度为 因此顶面的半径为r 因此顶面的半径为 1=R+bd/sinθ -(h+ad)cotθ.
南京邮电大学杨振华制作 yangzhenhua@
南京邮电大学杨振华制作 yangzhenhua@
模型转化
min R 2 [ax 2 + b(1 + x) (1 − x) 2 + y 2 + 2 z + c] s.t. R 3 [ y (1 + x + x 2 ) + 3 z ] − V2 = 0 x ∈ [0,1], y, z , R ≥ 0
S1 = π d [ar + b(r + R) ( R − r ) + h ]
2 2 2
南京邮电大学杨振华制作 yangzhenhua@
材料体积
对于下面的圆柱部分,材料的体积为 对于下面的圆柱部分 材料的体积为 S2=π(R+d)2(H+cd)-πR2H. 展开,并忽略 的高阶项,得 并忽略d的高阶项 展开 并忽略 的高阶项 得 S2=πd(2RH+cR2). 因此,材料得总体积为 因此 材料得总体积为
S = S1 + S2 = π d [ar 2 + b(r + R) ( R − r ) 2 + h 2 + 2 RH + cR 2 ]
南京邮电大学杨振华制作 yangzhenhua@
材料体积
事实上,我们忽略接口部分 把材料看作为几个 事实上 我们忽略接口部分,把材料看作为几个 我们忽略接口部分 则可以简单的计算材料的体积: 面,则可以简单的计算材料的体积 则可以简单的计算材料的体积 顶面: 顶面 πr2×ad 底面: 底面 πR2×cd 圆柱侧面: 圆柱侧面 2πRH×d × 圆台侧面: 圆台侧面 π (r + R) ( R − r ) 2 + h 2 × bd 于是得到总的材料体积. 于是得到总的材料体积
数学建模易拉罐的设计问题.doc
易拉罐的形状和尺寸的最优设计一旅五队赵久国（ 40）摘要现实生活中，我们会发现销售量很大的易拉罐饮料（例如：体积为355 毫升的可乐，啤酒，雪碧，七喜等）的形状和尺寸几乎都一样，联系利润问题，我们可能会猜想同样是355 毫升的容量，设计成那样的形状可能会节约易拉罐的制造成本。
带着这样的猜想，我通过数学建模的方法去寻找原因。
本文就是通过建立简化的数学模型，找到在易拉罐体积一定（355 毫升）的条件下，使得易拉罐材料最省（通过计算易拉罐的表面积来表示用料）的外形及尺寸。
我第一步是实际调查研究（发现：实际生活中没有把易拉罐设计成长方体的形状的，都是接近圆柱体的，可以断定长方体没有圆柱体节省材料，于是对于后面的模型只考虑圆柱体的情况）；第二步是通过简化建模所需的条件（假定易拉罐的侧面和底面用的材料都一样且厚度都一样（注：现实生活中肯定不一样，这需要前面模型的优化））；第三步是建立的简单模型，并且进行求解；第四步是对模型所得的数据进行分析，和与实际生活中所测的易拉罐的数据进行对比；第五步是得出基本的结论和对模型进行改进，粗略确定易拉罐外形和尺寸的最佳设计方案。
关键词： 355 毫升易拉罐简化条件模型设计导数求极值对比分析优化设计第一步：对于体积恒定的355 毫升的易拉罐，在保证体积不变的情况下设计他的形状，尺寸，要求是表面积最小。
第二步：假设：1.易拉罐设计的形状为圆柱体，侧面和底面用的材料都一样且厚度都一样 .2.易拉罐的体积一定 .3.确定变量和参数：设易拉罐内半径为 r, 高度为 h，厚度为 a，体积为 v，表面积为 s。
其中 r 和 h 是自变量，易拉罐面积 s 是因变量，而体积 v 是固定参数，则 s 和 v 分别为：s 2 (r a)2 a (r a)2 h r 2h2 ar 2 4 a2r 2 a3 2 hra ha3v r 2h, h vr 2第三步：根据前两步建立模型：设g( r , h) r 2h v目标函数min s(r , h)其中 r 0, h 0, 且 g (r , h) 0g(r,h) 是约束条件，目标函数s 就是要求在体积V 一定V是已知的，的条件下求 S 的最小值，此时r 和 s 的比值。
06年数学建模有关易拉罐的尺寸最优设计问题
12.06 6.58 0.099 0.321 0.305 1.00 6.02 11.06 364.5
12.08 6.58 0.101 0.304 0.294 0.98 5.98 11.08 364.0
12.06 6.66 0.095 0.311 0.310 1.02 6.00 11.06 365.6
构造函数：
分别对r1,r2, θ ,h求偏导，并使之为零，与Vp(r1,r2,h, θ )-365=0 联立得到方程组:
2π + 2 k 3 bπr1 + 2πh + λπr12 tan θ + 2λπhr1 cosθ 2 k1bπr2 − 2 k 2bπr2 − λπr22 tan θ =0 cos θ λπ (r13 − r23 ) 2 2 sin θ k 2 bπ ( r1 − r2 ) cosθ + 3 cos 2 θ = 0 2bπr1 + λπr12 = 0 1π tan( r13 − r23 ) +πr12 h −365=0 3
问题四
1）球台部分的求解 运用重积分求得球台体积V1为
2πr33 (cos α − cos β ) π r23 r13 V1 = + − 3 3 tan α tan β
球台上表面的面积 SV = πr2 ，球台 弧形部分表面积Sv2,根据二重积分 用球面坐标对其表面积积分可求的 用球面坐标对其表面积几分渴求的 台球部分表面积为
测得数据如表1所示 测得数据如表 所示
表1
数据种类 实测数据 平均值 单位
罐高 罐桶直径 罐壁厚 顶盖厚 罐底厚 圆台高 顶盖直径 圆柱体高 罐内体积
12.06 6.62 0.112 0.295 0.303 1.00 6.02 11.04 364.9
易拉罐形状和尺寸的最优设计
易拉罐形状和尺寸的最优设计指导老师：宋跃武梁军李大伟，何安娜，任婧康摘要：为了最大限度地减少单罐质量、提高材料利用率、降低生产成本。
本文根据易拉罐实际测量的数据，按照数学建模问题的要求，分别给出正圆柱体易拉罐的最优设计和上部为圆台下部为圆柱时易拉罐的最优设计；然后，给出关于易拉罐形状和尺寸的的最优设计, 这个设计用料最省、外观精美和手握舒适。
关键词：目标函数条件极值易拉罐厚度单罐重量Optimal Design for the Shape and Size of CanLI Dawei, HE Anna, REN Jingkang Instructor：SONG Yuewu, Liang Jun （Sanjiang University，Jiangsu Nanjing 210012 ,China)Abstract: For the decreasing in the weight of a can and the increasing in the avail of material and the reducing in the cost of production, the optimal design for the shape and size of can is present in this paper. Firstly, the optimum design for the cylinder can is present by according to its measuring data and the demands of mathematical modeling. Secondly, the optimum design for the can of circular truncated top and columnar bottom is also present. Finally, the optimal design for the shape and size of can is proposed, and the superiorities of the proposed design in the avail of material and the handsome of form and the comfortable of handclasp are testified.Keywords: Target function; Conditional extremum; Can thickness; Can weight1 概述如何在易拉罐生产中最大限度地减轻单罐质量，提高材料利用率，降低生产成本，是企业追求的重要目标。
数学建模 之易拉罐下料问题
2b 2
(R
r1 )
2b3
2b 3
(R2
Rr1
r12 )
因为 b R ，故 2 b3 可以忽略，则易拉罐正圆台部分的材料体积为：
S台 (R, r1, h1, h2
)
bh1 ( R
r1
b)
2
b2 (R
r1 )
2b 3
(R2
Rr1
r12
)
易拉罐正圆柱部分的材料体积：
S柱 (R, r1, h1, h2 ) （R b）2 (h2 2b) R 2h2
2 R2b 2bRh2 (4b2 R b2h2 2b3 ) 因为 b R ，故 2 b3 可以忽略。则易拉罐正圆柱所用的材料体积：
S柱 (R, r1, h1, h2 ) 2 R 2b 2 bRh2 (4b2 R b2h2 )
所以，易拉罐的总材料体积为：
S(R, r1, h1, h2 ) S台 (R, r1, h1, h2 ) S柱 (R, r1, h1, h2 )
因为 b R ，故项 4 b3 可以忽略不计。因而
s(R, H ) b(2RH Hb 4R2 8bR)
于 是 ， 问 题 就 是 求 目 标 函 数 s(R, H ) b(2RH Hb 4R2 8bR) 在 条 件
2006-全国数学建模C题易拉罐形状和尺寸的最优设计.
图1
二、问题分析
本文假设最优化条件为保证容积的情况下，使制作易拉罐所需材料最省（表面 积为最小）。由于易拉罐形状不是单纯的正圆柱体，所以本文建立模型时，先假设 易拉罐上部分是一个正圆台，下部分是一个正圆柱体。然后，考虑易拉罐的厚度， 在厚度一致时，利用 lingo软件，计算出模型的最优解；通过本文观察发现易拉罐 顶盖的厚度是罐身的三倍，所以，假设另一种模型当易拉罐顶盖、底盖厚度为 a， 其余部分为 b，且 a:b=3：1，体积 V=355ml时，同样利用 lingo软件，计算出模型 的最优解。
2、确定变量和参数：设饮料内半径为 R，高为 H，体积为 V，易拉罐顶盖、 底盖厚度为 a,其它部分厚度为 b。其中 r 和 h 是自变量，所用材料的体积 S 是因变量，而 a,b,c和 V 是固定参数。则 S 和 V 分别为：
S 2 R a 2 3a R a 2 H R2H
6a R2 12a2 R 6a3 2 RaH a2H
V
R2H ， H
V R2
设V 3、模型建立：
x1 2 x2 g R, H
RH V 2
min S R, H R 0, H 0
g R, H 0
其中 S 是目标函数， g R, H 0 是约束条件，厚度比例与 V 是已知的，即要 在体积 V 一定的条件下求 r 和 h 的取值是多少时体积 S 最小
易拉罐的最优化问题
Ｓ ”＝４［７ １ ０ ＋ ］ ０‘ ｒ ０ 因此， ｂ２ （ ＋ ） ＞ ， ｒ ． ＞ ， ’ 这个 ｒ 确实使Ｓ 达到局部极小， 为驻点只有一个， 此也是全局 因 因 极小。 Ｂ应用算术几何平均值不等式（ 、 当ｎ＝２３ ，时有明显的 几何意义， 即周长相等的矩形中正方形的面积最大， 三棱长 相等的长方体中正方体的体积最大。 ）
关 键 词 ：数 学 建模 ； 易拉 罐 ；导 数 应 用 ；最 优 化 问题 中 图 分 类 号 ：Ｇ ４ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文章 编 号 ：１０ － ８５ （０ ８ ４ ０ ９ —０ ６２ ０８－ ３０ ２０ ）ｏ — ｏ ８ ２ － －
问题的提出 在学习导数应用时，我们经常遇到一道经典的导数应 用题目 “ 是 做成一个容积一定的圆柱形的无盖 （ 或有盖） 容器，问应当如何设计，才能使用料最省，这时圆柱的直 径和高之比为多少？ 如下图所示） ”（ 。 我们知道易拉罐的主体部分是正圆柱 Ｉ 体， 此把饮料罐近似看成一个正圆 因 柱是 Ｉ ； 有一定合理性的。经过计算可得出圆柱的 ０ 、 直径和高之比为 Ｉ Ｉ ： 时， 用料最省。 但是从我们的实际感受和具体测量可知，这只是一种 近似的 结果， 那实际的 可口 可乐、 雪碧、 健力宝等销量极 大的易拉罐的包装究竟设计成什么样子？顶盖的直径和从 顶盖到底部的高之比为多少？它们的形状为什么是这样的？ 通过测量得到：
础 部 ，助 教 ：
其中 ５ 标函数， （，）＝０是约束条件 ，， 是目 ｇｒｈ ｌ 是已知 的（ 罐内 即 体积一定）即要在体积一定的条件下求表面积 ， 最小的 ｒ 和 ａ ， ｈ 使得 ｒ 和测量结果吻合。这是一个求条件 ， ｈ 极值的问题。
３ 模型的求解 ．
Ａ从约束中解出一个变量 ， 、 化条件极值问题为求一元 函数的无条件极值问题
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易拉罐的最优化问题
作者：王颖， 王惠书， Wang Yin， Wang Huishu
作者单位：王颖,Wang Yin(太原工业学院基础部,山西,太原,030008)， 王惠书,Wang Huishu(山西广播电视大学,山西,太原,030027)
刊名：
山西广播电视大学学报
英文刊名：JOURNAL OF SHANXI RADIO & TV UNIVERSITY
年，卷(期)：2008，13(4)
被引用次数：0次
1.仉志余大学数学应用教程 2005
2.叶其孝最优化--导数的应用教学单元 2005(08)
3.James Stewart.白峰衫微积分 1998
4.黄忠霖.黄京Matlab符号运算及其应用 2004
1.期刊论文王积建.WANG Ji-jian椭球体易拉罐形状和尺寸的优化设计模型-大学数学2009,25(3)
从材料最省、外观最美、放置稳定的角度设计了"椭球体"易拉罐的形状,然后通过建立非线性规划模型Ⅰ,求出了"椭球体"易拉罐的中腰半径、底面半径和高度.然后从手感舒适的角度建立了优化模型Ⅱ,从而确定了两种型号的"椭球体"易拉罐的最优尺寸.
2.期刊论文易拉罐形状和尺寸的最优设计-甘肃高师学报2009,14(5)
运用函数的极值理论.并利用C语言编程,得到了把易拉罐设计成不同模型时的最优设计.评估了易拉罐形状和尺寸设计的合理性.
3.期刊论文郭二鹏.王桂芳数学建模——函数最小值问题设计-科教文汇2009(22)
在公路沿线的若干个村庄选址建立中心学校,选址的准确与否关系着能否使得多数学生距离学校最近.因此学校选址对节约时问、减少费用、提高效率是十分重要的.正是基于学校选址位置的重要作用,有必要建立一种最近距离选址模型和算法.本文还讲述了易拉罐形状和尺寸的优化设计问题的命题、建模和求解.
4.期刊论文徐茂良.邓启良.刘睿.郑波.XU Maoliang.DENG Qiliang.LIU Rui.ZHENG Bo易拉罐形状和尺寸的最优设计模型-成都大学学报（自然科学版）2008,27(2)
用多元函数极值理论,并灵活运用Matlab、Mathtype和Lingo等数学软件,建立了易拉罐形状和尺寸的优化设计模型.
5.期刊论文叶其孝易拉罐的优化设计-高等数学研究2007,10(6)
本文讲述了"易拉罐形状和尺寸的最优设计"问题的命题、建模和求解,评述了学生递交的论文中的优缺点,提出了若干建议.
6.期刊论文相秀芬.唐世星.XIANG Xiu-fen.TANG Shi-xing易拉罐的最优设计方案-包装工程2008,29(1)
分析了流行的金属易拉罐的形状,应用数学建模的思想和方法从节约材料、安全、美观、实用等几个方面对易拉罐的结构进行优化设计,通过建立非线性规划模型,借助Lingo软件求解,获得了可供生产厂商参考使用的最佳设计方案.
7.期刊论文项海飞易拉罐形状尺寸的最优设计-内江科技2007,28(4)
本文结合2006年大学生数学建模竞赛C题,在容积一定的前提条件下,以制造易拉罐所消耗的材料的体积最小为目标建立优化模型,给出了各种易拉罐形状假设下尺寸的最优设计.
8.期刊论文王新华.WANG Xinhua易拉罐尺寸设计的优化模型-深圳信息职业技术学院学报2007,5(1)
建立了易拉罐尺寸设计的优化模型,得到了正圆柱形罐尺寸设计的最优解和上部为正圆台下部为正圆柱形罐以及CCB-1A型罐尺寸设计的次优解.作为例证,检验了椰树牌椰奶245ml罐尺寸设计的最优性和王老吉凉茶310ml罐及可口可乐汽水355ml罐尺寸设计的次优性,从而回答了2006年全国大学生数学建模竞赛C题所提出的问题.
9.期刊论文郝玉徽.杨攀.王振华.杨帆.HAO Yu-hui.YANG Pan.WANG Zheng-hua.YANG Fan易拉罐形状和尺寸的最优设计模型-大学数学2009,25(2)
用游标卡尺测量了当前流行的几种易拉罐饮料尺寸参数,然后建立微分方程模型和规划模型,借助MATLAB 6.5, LINGO 8.0编程求解出了易拉罐为正圆柱体、圆台和圆柱体的组合体时的最优设计.最后综合经济、美观、实用等因素,运用非线性规划和层次分析法得出设想中易拉罐的最佳设计,对2006"高教社杯"全国数学建模竞赛C题中的各问题作出了完整的解答.
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