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层状结构物质广泛地存在于我们的自然和人工环境中,建立普遍适用的层状结构统一数学模型具有挑战性,尤其是模型需要对任意多层不同物质的任意相邻层间界面的连续参数进行统一描述,且预先满足特定参数在各界面的连续性,并体现各层相互递推影响的特征。
本文首先从地理、生物、环境、材料、化学和物理等自然和人工环境中不同领域列举了普遍存在的层状结构物质,说明了层状结构物质存在的广泛性;并发现了层状结构都客观存在层间界面上特定参数连续和各层依次递推影响的特点。然后引入Legendre多项式及其导数递推关系,成功创建了本文普适模型所需的性质优良的两个核心函数L1(ξk)和L2(ξk),并巧妙构建了任意多层层状结构各层局部坐标的统一表达式,实现了无量纲化局部坐标ξk与整体坐标Zk相关联。且创造性成功构建了自然与人工环境中广泛存在的层状结构的参数普适模型函数fk(ξk),可预先保证该特定参数在任意相邻层的层间连续。最后选择环境问题中的多河段河流水质问题作为广义的多层层状结构问题,对所建模型在多河段河流问题方面进行应用演算,以检验普适模型的准确性和适用性。举例说明了该参数普适模型的应用方法,且参数的边界连续条件扩展到可以是边界的参数平衡等式,即边界左右侧允许有突变,进一步验证了该参数普适模型的普适性。得出以下主要结论:
(1)成功构建的普适模型中的无量纲化局部坐标ξk实现了与整体坐标Zk相关联:ξk=zk-∑k-1i=1hi/hk,且ξk∈[0,1],可使任意多层层状结构各层局部坐标获得统一表达式,使得既可方便描述局部与整体的关系,又可满足所创建的核心函数L1(ξk)和L2(ξk)对自变量的定义域的一致性要求,其应用更普适和方便。
(2)创建的本文普适模型所需的性质优良的两个核心函数L1(ξk)和L2(ξk):L1(ξk)=1/4n+3[(4n+3)(P1(ξk)-P0(ξk))-(P2n+2(ξk)-P2n-2(ξk))]’L2(ξk)=-1/2n+1[(2n+1)(P1(1-ξk)-P0(1-ξk))-(P2n+1(1-ξk)-P2n-1(1-ξk))]满足自变量定义域边界取值特性要求:L1(ξk)={1,ξk=00,ξk=1L2(ξk)={1,ξk=01,ξk=1
且其函数曲线对于不同阶数n恰好对应n个波形,该波动性适合参数函数曲线的波动表达和拟合。
(3)创造性成功构建的自然与人工环境中广泛存在的层状结构的参数普适模型函数fk(ξk)=L1(ξk)Bk+L2(ξk)?Bk+1|ξk+1=0
可预先保证该特定参数在任意相邻层的层间连续,且式中含Bk和Bk+1,反映了各层参数的相互影响和递推关系,由于k是任意的,故各层的参数特征函数Bk可以按其特征规律不同而不同,且可以是在界面连续的任何具体参数,而且总层数n也没有限制,可以是任意多层,所以该模型具有很好的普适性。
(4)所有算例均已验证了本文参数普适模型运算结果正确且可适应各种复杂河流情况,成功将层状结构的普适模型拓展推广到广义的多层层状结构问题(环境问题中的多河段河流水质问题),并给出了应用方法,达到了本文创建参数普适模型所需满足的条件和目的。
(5)流量Q以及污染物的量W在断面处的平衡等式可作为参数连续条件处理。我们建立的普适模型函数可针对单个连续参数来应用,所以对于多个连续参数只需逐个应用普适模型建立其普适表达(如fQk(ξk)和fWk(ξk)),最终将各参数普适模型代入整体函数模型或别的参数计算模型中应用,如对于污染物的浓度fLk(ξk),可得到式子:fLk(ξk)=fWk(ξk)/fQk(ξk)该式则可表示该河流任意位置处的污染物的浓度。其中:多河段的流量参数在任意Zk位置的流量fQk(ξk)计算普适模型为fQk(ξk)=L1(ξk)Q2,k-1+L2(ξk)(Q2,k-1-Q3k+Qk)多河段的污染物量参数在任意Zk位置污染物量fWk(ξk)计算普适模型为fWk(ξk)=L1(ξk)Bwk+L2(ξk)Bw(k+1)|ξk+1=0其中:Bwk=L2k-1e-kdk?Zk-∑k-1i=1hi/vk?Q2k-1Bw(k+1)|ξk+1=0=(L2,k-1e-kdk?hk/vk(Q2k-1-Q3k)+LkQk)
(6)借助结论(5)得到的模型公式,对任意排污和分流的任意多段河流,都可以分析计算模型公式中任意一个参数变化对其全河段河流污染物浓度的影响变化及规律。
本文首先从地理、生物、环境、材料、化学和物理等自然和人工环境中不同领域列举了普遍存在的层状结构物质,说明了层状结构物质存在的广泛性;并发现了层状结构都客观存在层间界面上特定参数连续和各层依次递推影响的特点。然后引入Legendre多项式及其导数递推关系,成功创建了本文普适模型所需的性质优良的两个核心函数L1(ξk)和L2(ξk),并巧妙构建了任意多层层状结构各层局部坐标的统一表达式,实现了无量纲化局部坐标ξk与整体坐标Zk相关联。且创造性成功构建了自然与人工环境中广泛存在的层状结构的参数普适模型函数fk(ξk),可预先保证该特定参数在任意相邻层的层间连续。最后选择环境问题中的多河段河流水质问题作为广义的多层层状结构问题,对所建模型在多河段河流问题方面进行应用演算,以检验普适模型的准确性和适用性。举例说明了该参数普适模型的应用方法,且参数的边界连续条件扩展到可以是边界的参数平衡等式,即边界左右侧允许有突变,进一步验证了该参数普适模型的普适性。得出以下主要结论:
(1)成功构建的普适模型中的无量纲化局部坐标ξk实现了与整体坐标Zk相关联:ξk=zk-∑k-1i=1hi/hk,且ξk∈[0,1],可使任意多层层状结构各层局部坐标获得统一表达式,使得既可方便描述局部与整体的关系,又可满足所创建的核心函数L1(ξk)和L2(ξk)对自变量的定义域的一致性要求,其应用更普适和方便。
(2)创建的本文普适模型所需的性质优良的两个核心函数L1(ξk)和L2(ξk):L1(ξk)=1/4n+3[(4n+3)(P1(ξk)-P0(ξk))-(P2n+2(ξk)-P2n-2(ξk))]’L2(ξk)=-1/2n+1[(2n+1)(P1(1-ξk)-P0(1-ξk))-(P2n+1(1-ξk)-P2n-1(1-ξk))]满足自变量定义域边界取值特性要求:L1(ξk)={1,ξk=00,ξk=1L2(ξk)={1,ξk=01,ξk=1
且其函数曲线对于不同阶数n恰好对应n个波形,该波动性适合参数函数曲线的波动表达和拟合。
(3)创造性成功构建的自然与人工环境中广泛存在的层状结构的参数普适模型函数fk(ξk)=L1(ξk)Bk+L2(ξk)?Bk+1|ξk+1=0
可预先保证该特定参数在任意相邻层的层间连续,且式中含Bk和Bk+1,反映了各层参数的相互影响和递推关系,由于k是任意的,故各层的参数特征函数Bk可以按其特征规律不同而不同,且可以是在界面连续的任何具体参数,而且总层数n也没有限制,可以是任意多层,所以该模型具有很好的普适性。
(4)所有算例均已验证了本文参数普适模型运算结果正确且可适应各种复杂河流情况,成功将层状结构的普适模型拓展推广到广义的多层层状结构问题(环境问题中的多河段河流水质问题),并给出了应用方法,达到了本文创建参数普适模型所需满足的条件和目的。
(5)流量Q以及污染物的量W在断面处的平衡等式可作为参数连续条件处理。我们建立的普适模型函数可针对单个连续参数来应用,所以对于多个连续参数只需逐个应用普适模型建立其普适表达(如fQk(ξk)和fWk(ξk)),最终将各参数普适模型代入整体函数模型或别的参数计算模型中应用,如对于污染物的浓度fLk(ξk),可得到式子:fLk(ξk)=fWk(ξk)/fQk(ξk)该式则可表示该河流任意位置处的污染物的浓度。其中:多河段的流量参数在任意Zk位置的流量fQk(ξk)计算普适模型为fQk(ξk)=L1(ξk)Q2,k-1+L2(ξk)(Q2,k-1-Q3k+Qk)多河段的污染物量参数在任意Zk位置污染物量fWk(ξk)计算普适模型为fWk(ξk)=L1(ξk)Bwk+L2(ξk)Bw(k+1)|ξk+1=0其中:Bwk=L2k-1e-kdk?Zk-∑k-1i=1hi/vk?Q2k-1Bw(k+1)|ξk+1=0=(L2,k-1e-kdk?hk/vk(Q2k-1-Q3k)+LkQk)
(6)借助结论(5)得到的模型公式,对任意排污和分流的任意多段河流,都可以分析计算模型公式中任意一个参数变化对其全河段河流污染物浓度的影响变化及规律。