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數學科

扎心語錄-三角觀「心」

本研究探討心臟線特定點內接三角形。透過單位圓上的動點,以兩種方法生成心臟線的軌跡,將兩種方法疊合後可得到三個特定點,此三點所形成之三角形稱為心臟線特定點內接三角形。本研究利用相似形做出內接三角形三頂點坐參數式、三邊的直線方程式並觀察直線族形成之包絡線。以幾何軟體展示此三角形之重心、外心、內心和垂心的軌跡並做出軌跡參數式。進而討論四心的極值及其隨著角度變化之移動速率。此外,我們發現此三角形恆為鈍角三角形。最後,給出 此三角形的尤拉線方程式,觀察直線族形成之包絡線,再根據尤拉線特性得 ̅𝐻𝑃3//̅ML, ̅𝐻𝑃3:̅ML=2:1。並發現當內接三角形為等腰三角形時,其高和半底的比為白銀比例。

隨「波」逐「浪」—探討波浪數列的性質

本研究探討將連續正整數1至𝑛依大小交錯排列所形成的「波浪數列」,其定義如下:除了首項與末項外,每一項皆大於或小於其相鄰兩項。我們分析在最大數為 𝑛 時,波浪數列的各種情形與其在數量上的對應關係,從中歸納出排列的規律,並推導當首項為 𝑘 時的排法總數,進而求出所有波浪數列的排法總數。

四方輻輳-探討正方形加權費馬點之位置變化

本研究主要在探討費馬點在正方形四頂點具有加權的狀況時,尋找隨著加權情況變化而移動的費馬點位置。我們從原費馬點研究三角形一般加權情況開始發想,將費馬點研究推廣至由正方形加權情況下的特殊化結果,利用加權的對稱性,來解得不同加權情況下的費馬點位置,也利用偏微分和物理觀點證明了一般正加權情況下的唯一性。最後,我們將研究推廣至負加權的情況,並找出特定加權條件下,存在費馬點的條件。

內切圓半徑與分割點的幾何探索

本作品靈感來自於其中一題日本算額問題(Sangaku problem)。該題是將一正△ABC的三邊上依固定比例各作其內分點,並由三頂點與各邊內分點連線段,此三線段會將△ABC被分割成四個三角形(如圖二)。本研究改變其分割方式,研究題目為:在△ABC中,L、M、N分別為 ̅BC、 ̅AB、 ̅AC上一點,若△AMN、△BML、△CLN之內切圓半徑相等,則△ABC內切圓半徑等於△LMN內切圓半徑加三等圓半徑。此外,本研究找到△ABC各邊上三點L、M、N的相對位置,並透過二次體擴張的概念說明L、M、N三點的相對位置是能夠利用尺規作圖實現的。最後也計算當△LMN存在時,三等圓半徑(r)的上界。從上述的分割三角形的方式擴展至正n邊形時,也將原先在ABC中的分割手法延伸至正n邊形和正四面體進行研究。

雙偶幻方之研究與破解

本研究主要在探討雙偶幻方的解法,我們一開始使用數列交叉擴展法來解雙偶幻方,但後來發現這個方法受到兩個數一組的限制,所以只適用於2n階幻方。為了能涵蓋更多的雙偶幻方,我們試著把改變數字交叉擴展法並與羅伯法結合,創造出一個可以破解所有雙偶幻方的解法,並進行一般式的證明,最後利用斜排特性構造出更多種4n階幻方解法。

兩線段間隨機點之距離期望與面積期望

本文通過對兩線段位置關係的分類討論,對特殊情況的優先探討,推導了兩線段間隨機點之距離期望與三隨機點決定的三角形之面積期望的閉式表達式 (closed-formexpressions)。文末附以程式模擬與函數圖像的對比擬合以輔助驗證結論的正確性,並概述此方向值得研究的其他課題及其潛在應用。

方圓之間〜探索圓形盤上的連線棋

本研究針對在圓形棋盤上玩三子連線棋進行探討,發現棋盤必須平分成偶數等分,且最少要八等分才能進行遊戲。當在八等分單圈圓形棋盤上玩三子連線棋,玩家選擇雙活路型、包圍型、遠水型等3種布棋策略,可以贏棋。 根據樹狀圖的路徑分析,發現最快只要進行三回合,玩家就能分出勝負。整體來說,八等分單圈圓形棋盤三子連線棋遊戲對先手較有利;第1步先手要選擇不往圓心、改往旁邊移動,才是對先手較有利的贏棋方式,這和玩井字棋時要先佔據中央交叉位置的策略不同。 當更動棋子最初的擺放位置、增加平分單圈圓形棋盤的等分數、更改棋盤為雙圓圈形式都會增加遊戲的變化性,值得日後進一步探討。

平分天下──網格全等切割之方法數

本作品主要探討在網格上進行全等切割的方法數,並分析其擁有性質,於研究過程中發現當方形網格邊長達到6時,切割路徑會產生「回繞」的複雜情形。因此本次研究由「回繞數」為0的切割路徑討論起,並給予網格分層的定義,依序探討正方形網格、長方形網格、三角形網格及六邊形網格切割成不同等分時的方法數,而後我們再進一步討論正方形網格「回繞數」為1時的全等切割,並利用遞迴式得出切割方法數。 此外在研究中,我們透過排列組合計算出長方形網格在不受回繞限制下的一般式,並嘗試討論立體網格的情形,在增加對「懸空數」的限制下,經計算得出了有趣的結果。

Presidential Candidates

我們擴充”Presidential”遊戲,創發出5×5範圍內的13連方棋盤,走出最大佔地範圍,並以圖論方法分析圖特徵,得到歐拉行跡與合成結果的最長路徑。環圖最大佔地結果18≤𝐴𝑚𝑎𝑥≤22,樹圖𝐴𝑚𝑎𝑥=23。歐拉行跡遇到分叉點會增加選擇,重複踩點;遇到圈則會減少重複踩點的次數;遇到有分支的環則必先走完環才走分支。依據環特徵及分岔點數量,本研究得到圖的最長路徑4≤𝐿𝑚𝑎𝑥≤8。

機率的陷阱——伯特蘭悖論

1889年,約瑟.伯特蘭(Joseph Bertrand)展示了以下問題:「圓內隨機一弦大於圓內接正三角形邊長機率為何?」並提出三種解法,而每一種解法都分別得到不同的答案。我們發現其他正多邊形也有類似情況,歸納出其中的規律,並且將伯特蘭的解法推廣為第四種,這種解法可以在範圍內任意產生無限多種機率。接著推廣到立體空間中探討,也同樣發生悖論,這些不一致的情況蓋提議敘述不清所致。