數學科

爸爸買了 NOKIA 新手機，裡面還有遊戲真好玩。可是有一個遊戲好難，於是到學校請教老師。老師說這個題目很不錯，讓我們找幾位同學一起研究，同學聽了也很有興趣，老師就指導我們做研究。

網路上有一個有趣的益智遊戲「點燈」，這個遊戲方法很簡單：就是動動腦筋，將畫面上的燈全部點亮就可過關。但是點燈的方法很特別，即是當你點選其中一個燈，該燈以及上下左右四方的燈將會變成與原來相反的狀況。亦即原本亮的燈會變暗；原本暗的燈會變亮。本篇作品主要研究點燈遊戲之基本原理與解法，根據點燈原理設計出一套解題工具（拼圖），並研究出一個「奇偶判別法」合併解題，此外，我們觀察出解的對稱性質與最佳解之規律性來加速破解點燈盤面的速度，進而嘗試將所得出之結論推廣到一般點燈盤面。

一、本年度數學科參展作品共五十七件，比往年略增，特別是國中組。許多作品，尤其國中、高中組多為學生自己討論出來的題目，而且作品品質顯著提昇，特別是國中組。 二、國小初小組部分作品顯示教師指導的比例偏高，題材跟往年略有重疊，惟學生對作品很有表達能力及成就感，初小教師應可加強輔導學生選題及相關資訊之搜尋，培養正確的參展態度及研究興趣。另外國小部分作品以實驗的方式呈現，但學生無法辨識數學實驗與自然科學實驗研究活動的特質，指導教師應該正確輔導。 三、國小高小組部分近年水準均佳，尤其或第一、二的兩件作品，顯示參展學生具超人一等的數學能力及空間想像力，值得培養繼續鼓勵，應為可造之才。 四、整體作品今年趨向於幾何與離散數學題材，似與參加國際數學競賽活動有關。取材適合學生本身能力，得獎作品探討細緻，部分作品已達國際科展選拔之水準，值得佳許。 五、部分作品屬長時間持續性的研究成果逐年增進作品內容，值得鼓勵。

「n×n 數字拼圖」的問題主要在研究：「找出把1、2、3…… n 2 個連續整數，依序填入n×n 的正方形方格中，填寫的規則是只能將『下一個數字』填寫在『前一個數字』的相鄰的位置，一直到最後一個數字n 2 填入最後一個方格為止，使單一對角線上 n 個數字總和為最大數的路線圖，並探討其中所隱藏的數學奧密」。 研究者經過實際的模擬與討論後發現：解題的方法應由最大的數字（n 2 ）逆回填寫至1；當n=奇數時，起點座標一定是（2，2）； 當 n=偶數時，起點座標一定是（1，1）或（2，2）；而且它的路線也有一定的規律。單一對角線上 n 個數字總和最大數與 n×n正方形方格之間存在著密切關係。研究者的想法請詳見「肆、解法」。

圍地盤的遊戲一直是學生時代同學們課餘閒暇時會拿來互相較勁的數學遊戲之一。本次的研究將要去探討nxm地盤先下者或後下者之必勝的策略。為公平起見，則加以規定：當總筆數為偶數時，後下者有利，故規定後下者地盤數需大於先下者地盤數才算勝，否則為先下者勝；當總筆數為奇數時，先下者有利，故規定先下者地盤數需大於後下者地盤數，否則為後下者勝。 首先我們從3x3地盤開始，如下圖1。利用窮舉法研究結果顯示 地盤後下者的必勝圖共有四種，如圖2~圖5。相反的，先下者的必勝策略則是破壞此4個必勝圖。 由於3x3地盤為偶數型，而3x4地盤為奇數型。所以接下來，我們先試者研究偶數型後下者的必勝策略，即是先3x5地盤、3x7地盤、…、3x(2k+1)地盤，再推廣至5x(2k+1)地盤、7x(2k+1)地盤、9x(2k+1)地盤、…、(2h+1)x(2k+1)地盤。同理，3x4地盤，3x6 地盤、3x8地盤、…、3x2n地盤為奇數型，對先下者有利，故探討先下者及後下者的必勝策略。而另外2x2地盤、4x4地盤、6x6地盤、…、2n x 2n地盤我們發現有其特殊性，研究的方式我們一樣以不讓地為原則，去探討其先下者及後下者的必勝策略。 其中偶數型地盤推演的想法如下： 其中奇數型地盤必勝圖則分類分為「連續」型、「三筆畫」型、「封閉」型、「兩筆畫」型及「兩行」型等來作歸納及勝負判斷，舉例例如下：

我喜歡玩電腦，在windows98遊樂場中的踩地雷遊戲，更是我喜歡的益智遊戲之一。由其掀開方塊後出現的「提示數字」所代表的玄機，必須發揮數學的推理能力，更激發我研究的興趣。於是，在老師的鼓勵下，我們開始進行研究。

本研究探討正方形、正三角形、正六邊形正則鑲嵌格子，無論其是否被塗色，與其相鄰的鑲嵌格子最多僅允許一至數格被塗色的條件，其存在最多塗色格子的數量及存在塗色方式的問題。本研究利用塗色格子位於邊線角落、非角落的邊線、或鑲嵌內部的共用邊數差異、及與塗色格子總數間的限制條件，採用賦值法解析最大塗色格數的上界。接著，利用塗色建構符合解析上界的塗色方式，以數學歸納法推導最大塗色格數的通式，並求證其與解析上界的塗色數量相同，證得確實存在該最多塗色格子數量。研究推廣至n→∞時，各正則鑲嵌塗色面積比率的極限值均收斂至特定數值，且發現當外框邊線效應消失時，以特定週期(鑲嵌層數)累計最大塗色格子數均可表示成數列g(l)=f((l)-f(l-1), h(l+1)=g(l+1)-g(l)≡C2, l∈N, f(0)=C1的形式。

人類為了要了解或描寫自然現象，常採用一種「逼近」的過程來處理問題。比如某位同學使用一尺來量取一線段長幾次，結果產生每次的讀數都不相同，此時產生逼近解的問題。又比如有四支 50 公分左右的尺，每次使用兩支來量取一公尺左右的線段長，亦產生類似的問題。然而這些「逼近」解的可靠性到底如何？我們則用方差來權衡之。

上自然課的時候，老師和我們一起做了很多有趣的實驗，我們知道了槓桿能省力的道理，而且在我們的身邊，有很多工具是利用槓桿原理做成的。我們又使用槓桿實驗器做平衡試驗，發現槓桿實驗器上，．支點兩邊所掛的砝碼個數不相等也能夠平衡，而且可以有很多不同的掛法。可惜每一組只有一個實驗器，很多同學都沒有機會動手。所以，我們就自己製作槓桿實驗器，效果很好，進一步做了更多的平衡實驗。

之前學到了畢達歌拉斯（Pythagoras）著名的畢氏定理，深入了解，發現他更是提出了黃金比例的人。由於我們對黃金比例的好奇，而且為了確認黃金比例是否潛藏在我們身邊，我們特地到大溪著名的武德殿與大溪橋，測量它的長與寬，最後我們發現武德殿和大溪橋拱門都存在著黃金比例，這個結果讓我們大吃一驚，因為這和我們在網路上搜尋到的資料——長寬比或高寬比為2:1，大相逕庭。最後我們小組決定，依造著黃金比例，打造出屬於我們的新天地，我們利用這個數字製作出我們的建築，將所有一切都完美化，從最基底的土地面積一直到細小的窗櫺構造，只要是能遵循著黃金比例的形狀，我們都會盡力做到，期待我們的成果吧！