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數學科

頭尾變變變

問題一:將某數的末一位數字移到整個數字的最左邊一位,所得之新數為原數的兩倍,則原數為何?問題二:承上題,若將倍數擴展到3 至9倍,則原數為何?問題三:假設原數為k +1 位數,若將末2位、3位、4位……k 位數移到最左邊,所得之新數是原數的2至9倍,則原數為何?問題四:問題一、二、三之反向思考與討論。將某數的首一位數字移到整個數的最右邊一位,所得之新數為原數的兩倍,則原數為何?若將倍數擴展到3 至9倍,則原數為何?假設原數為k +1 位數,若將首2位、3位、4位……k 位數移到最右邊,所得之新數是原數的2至9倍,則原數為何?設計 Excel、Visual Basic 程式,將數值輸入,即得答案。

動態規劃的推廣

我對動態規畫( Dynamic Programming )的認識起於奧林匹亞研習營,有一次的專題便是動態規畫,其主要的內容是說在解決某些問題時,要求的答案其值決定於前面的值,而「前面」的值又決定於更前面的值。於是須要從前面一步一步的求值。 \r 舉一個簡單的例:費氏數列在數學上定義成 \r f(0)=1 \r f(1)=1 \r f(x)=f(x-1)+f(x-2) \r 如果需要寫一個程式來計算的話,直覺的方法便是依照原本的定義,用遞迴來解決: \r int=f(intx) \r { \r if(x \r returen f(x-1)+f(x-2); \r } \r \r 若要計算 f ( 5 )的話,其過程可由右圖來表示。 f ( 5 )的值取決於 ft4 )及 f ( a ) , f ( 4 ) 的值取決於 f ( 3 )及 f ( 2 ) ,這裡我們可以發現到, f ( a )在 f ( s )及 f ( 4 )中分別計算了一次,這便是浪費。再看得更詳細一點, f ( l )計算了 5 次, f ( 0 )計算了 3 次,如此算下來,其增長的速度是很可怕的。 \r 事實上,既然 f ( x )的值取決於 f ( x 一 1 ) , f ( x 一 2 )而 f ( x 一 l )的值又取決於 f ( x 一 2 ) , f ( x 一 3 ) , 那麼,我們便可由 fto )、 f ( 1 )、 f ( 2 )、 f ( 3 )二算到 f ( x ) ,這樣的話,所花的時問就變成線性的了。 \r 這時候,程式中可放置一陣列,以儲存所得到的經驗,例如: \r int f(x) \r { \r int dp[max-x]; \r int, I; \r dp[ 0]=1; \r dp[ 1]=1; \r for(i=2; i \r { \r dp[ i]=dp[ i-1]+dp[i-2];//不必再遞迴了 \r } \r retum dp[x]; \r } \r 此外,動態規畫還有很多極為有趣的應用,因而,我展開了我的研究。

巧解切割問題

除了平常的數學課之外,老師也鼓勵我們多方閱讀一些不同的書籍。我們幾位同學在『數學世界中的萬花筒』一書中發現一題很有趣的問題:「用小正方體拼構成n行n列n層的大正方體,然後在對角線上去掉2個小正方體。要把這樣得到的形體,全部切成2個小正方體相連在一起的長方體可不可能?可能的話,請找出切割的方法;如果不可能,請加以證明。」引起我們對它探討的興趣。 在不斷討論的過程中,我們利用電腦計算出一些數據,發現去掉3個小正方體後的形體所得到的數據,似乎更有規律性,於是便朝著〝去掉3個小正方體〞這個方向努力去研究。 \r 研究的主題定為“巧解切割問題”─「用小正方體拼構成n行n列n層的大正方體,然後去掉3個小正方體,分別是位於對角線的2個小正方體及其相鄰的1個小正方體。要把這樣得到的形體,全部切成2個小正方體相連在一起的長方體可不可能?可能的話,請找出切割的方法;如果不可能,請加以證明。」 \r

鄰升數在不取代與取代下的均值探討

本文章之最大鄰升數「升頂值q」與「附值點鄰集Ωnp,q」源於都市計畫遊戲「Tower Bloxx」,再由「相鄰數p=4」將q提升至5=p+1。 第一部分,研究「鄰升數總和S(p,q,Ω)」過程中,找出基數覆蓋法、鑲嵌法、通道法、邊角分析法與左右加格法。以矩形鑲嵌拼圖Bm×54,5、Bm×54,5合併上述方式處理Ωm×n4,5,得到 一般式S(4,5,m×n)。 第二部分,定義方格狀點鄰集Vm×np,推廣在p=3,…,8、q=2,…,p,p+1時的S(p,q,m×n)一般式。並利用均值找出「完美填數定理」與「不取代鄰升數總和上界S^(p,q,m×n) 」公式。 第三部分,以Ωm×np,q(0)=Ωm×np,q處理策略繼續尋找「可取代鄰升數總和R(p,q,Ω)」時,同樣發現中心鑲嵌法,再轉化成「匯流魚鱗{Fm'×n'p,q}」與「鋪瓦法〈Fi(tj)〉」找出Ωm×np,q(h)與 一般式R(p,q,m×n)。 第四部分,論述應用方向,並將平面中的Jn(p+1)p,q 應用在輪胎面與球面,改裝部分魔術方塊與定義新玩法。在解決球面填數時,額外發現切割五邊形幾項幾何性質。

三位數的討論

升上國中認識了代表數的符號,尤其對個位數與十位數對調的問題,有相當深刻的體會,例如原二位數與對調後所得新二位數之和必為其數字之和的 11倍,故予推廣探討三位數的有關討論。

逐鹿中原

此次研究我們主要針對史坦因豪斯於1963 年出版書中所提到的馬戲團問題進行研究,書中敘述如下: 小孩在草地邊玩耍時,小丑沿著高速公路從森林中向草地前進,小孩希望跑到高速公路來盡可能接近小丑,所有小孩皆以等速前進且小丑速度比他們快。問題如下:(a)畫線來分隔可以碰到小丑者與不能碰到小丑者的區域(b)給予恰可以碰到小丑者跑動路徑來碰到小丑(c) 給予不能碰到小丑者跑動路徑來盡可能接近小丑。

變「形」金剛,好「正」!

在作三角形的三個外角平分線時,發現會形成新的三角形,而且若持續地一直作下去,新的三角形會逐漸趨近於正三角形。我們在想:對於四邊形或任意的多邊形,這個現象是否也是如此呢?本研究包含以下的內容:一、 證出:持續地做「任意三角形」的三個外角平分線所形成的新三角形,最後一定極接近於「正三角形」。二、 證出:持續地做「特殊四邊形」(如:矩形、菱形、平行四邊形、等腰梯形、箏形、一般梯形)的四個外角平分線所形成的新四邊形,最後一定變成「正方形」或極接近於「正方形」。三、 證出:持續地做「一般四邊形」的四個外角平分線所形成的新四邊形,最後一定極接近於「正方形」。四、 推廣到:持續地做「一般凸m邊形」的所有外角平分線所形成的新m邊形,到最後新m邊形的形狀如何,將提出我們的觀點和圖表來「說明」。

骨色骨鑲--數字顏色條件化之骨牌鑲入問題探討

本研究源自書中《彩色骨牌》遊戲:一副骨牌28張,用七種不同顏色表示數字0~6,同時在7 × 8矩形中以顏色次數加總提示每行、每列共15個總和關係,最後依提示計算出各顏色代表的數字,並用28張骨牌重現之。研究成果如下: 一、 聯立方程式能有效解決數字顏色條件化的計算,同時也可從遊戲設計者的觀點掌握,了解已知總和條件的設定應避免給予兩組以上的相似聯立方程式。 二、 彩色骨牌鑲入唯一解作法應事先排除會造成多重複鑲入方法的條件,如避免出現2×2方格內對角線數字相同。 三、 自創新式彩色骨牌數學問題,可藉由中央和k值與四核心矩形總和S值的關係:(骨牌總點數 + k) ÷ 4 = S,去推算規則、找到一般化的結果,且變化性可無限延伸。

讓牛頓步上尋根的階梯─複係數多項方程式的求解與推廣

一、階梯算法 更改庫恩植物栽培法的限制,使方程式的根形如走階梯般向上攀升,且不下降。 二、牛頓算法的限制 1. 牛頓算法一次只能算一個根,算出多項方程式f(z)=0的一個根ζ以後,用(x-ζ)除原來的多項式,得到一個階數降1的多項式,再用牛頓算法求這個新的多項式根,這樣一次一次降階,可以把全部的根算出來。 2.牛頓算法有時很難控制,且計算是否成功,是沒有保證的。要使牛頓算法成功,重要的是找到一個足夠好的迭代出發點z0。 三、比較各個求解方法,結合牛頓算法與階梯算法 階梯算法的優點是保證成功,牛頓算法的長處是進入快速收斂區後收斂極快;將兩種算法的長處結合起來:先使用階梯算法把迅速收斂區域的位置確定,再改用牛頓算法迅速向方程式的根靠近。

圓外切四邊形的多「圓」發展

1. 對於任意三角形都會有一個內切圓,但不是每個四邊形都會有內切圓。具有一個內切圓的圓外切四邊形其兩組對邊長度和是相等的關係;此圓外切四邊形的面積也是該四邊形半周長與內切圓半徑的乘積。 2. 本研究藉由原本可能沒有內切圓的四邊形的一組較長對邊上的點,連接成一條對邊連線段,將四邊形分成兩個有內切圓的小四邊形,或是推廣分成三個、四個甚至更多個具有內切圓的小四邊形,嘗試找出這樣分割的對邊連線段長與原四邊形的四邊長的規律關係。 3. 只要有內切圓存在的四邊形,不管該四邊形分割成一個或兩個或更多個,則此原四邊形面積與諸個小四邊形半周長和內切圓半徑之間的關係式也有一定的規律存在。