數學科

「立即瘋」遊戲，是由四塊立方體（正六面體）組成，每塊立方體分別有紅、白、藍、綠四種顏色，但每塊立方體顏色的分佈並不相同。而玩這種遊戲的目標是把四塊立方體疊成柱形(四塊立方體的順序沒有限制)，一個疊在一個上面，使柱子的四個側面，都恰有紅、白、藍、綠四種顏色。我們定義：若在同一個方塊的六個面中，存在一個顏色出現三個面時，我們以S表示，則4S表示四個方塊均為S；若在同一個方塊的六個面中，存在兩個顏色各出現兩個面時，我們以T表示，則4T表示四個方塊均為T。而本次作品主要是透過點線圖來研究：在「立即瘋」遊戲的規則下，針對紅、白、藍、綠四種顏色的分佈為4S及4T的情形，探討是否有其對應解。

研究在一三角形上，要分配P、Q、R三點分別在頂點或三邊上(不可在同一邊，在同一邊則未能達到最好分工效率)，P、Q、R三點所負責的區域為「距離最近則劃分給誰」，要如何定位才能使P、Q、R三點負責的面積一樣大。我們先依序從正三角形、等腰三角形、等腰直角三角形、直角三角形以及特殊角度的順序做起。我們在交點上設幾個參數，找出重要交點作標，在計算的過程中用Mathematica找出參數解，最後再用多邊形面積公式計算區域面積找出解，並利用GSP作圖模擬。

本屆科展數學作品方面，整體而言，量雖然沒有太大的差異，但質方面普遍提高，顯示各方面參與熱忱和敬業態度均有顯著進步；茲分述如下： 一、輔導教師比往年更能正確發揮輔導角色。 二、國小中之高小組，今年得獎作品，均超越國小程度，且學生亦有能力，解決其所提的問題。 三、高中組之作品，今年相當整齊亦是一大特色，因此增列了衣未三等獎。 四、初小組之作品偏少，且無傑出作品，故今年本組之一等獎從缺。 五、偏遠地區參展之件數，有顯著增加。 六、今年合作思考的作品有明顯增加且作品之品質也相對提高。

有一次，我們看到陽光照射在走廊圍牆時，發現圍牆的圓洞，隨陽光變換而有不同(圓的變成扁的)，難道形狀和陽光有關嗎？它的影響是怎樣呢？我們結合圓形與比例的關係，動手做做看有那些變化。

本研究的主要目的是探討瓢蟲在空間中行走的軌跡是否存在著某些性質。我們定義瓢蟲分別繞y軸和z軸旋轉θ和 Φ，我們發現當旋轉次數n→∞ ，各收斂點P均位於球面S:(x-1/1-r2)2+y2+z2=(r/1-r2)2 上。接著我們探討當瓢蟲的仰角θ=cos-1r與-cos-1r時，不論轉向角Φ為幾度，瓢蟲分別收斂於固定點A(1, 0, r√1-r2/1-r2) 與B(1, 0, -r√1-r2/1-r2)。透過幾何證明，我們發現直線AB與y軸恰為球面S的配極直線。透過基底變換後，每個轉向點均位於一圓錐面x2+y2=a2(c-z/c)2 上，且繞行的原點O及轉向點Pn均位在一等角螺線G上，G:{x=artcostα y=artsintα(t∈R) z=c(1-rt) 。從高觀點來看，各轉向點是經過一個收縮的仿射變換而來，而收斂點 就是瓢蟲行走軌跡的點吸子(attractor)。最後，我們將軌跡呈現的圖形與自然現象連結。

某日數學課時，老師提到了一些有關多面體之公式，如歐拉定理等，另外亦提出一些有關多面體的角度問題，例如多面體之面角和，因而引起大家的注意，也開啟此次作品的開端。

去年，我們以《女生來做數學》一書中的拓荒遊戲分析致勝的關鍵；今年，老師又教大家研究另一個題目--線條遊戲，當線條數目一樣時，會有各種的選擇方式；當線條數目不一樣，會有不同的輸贏結果。要如何從繁雜的過程中找到相同點呢?先下手為強?還是禮讓對方呢?這些疑問引起大家熱烈地討論，決定要再次攜手合作進行這項任務。

本文透過代數方法先討論驗證10進位制反向倍數的性質，進而用其探討方式推廣找出3進位制、4進位制、5進位制等的反向倍數，從中歸納、假設、驗證n進位制反向倍數的性質，如n進位制二位數、三位數、四位數一般式、數種反向倍數的基本型與組合型型態、n進位制四位數反向倍數之判別法等。並推導驗證n進位制中，a倍的反向倍數四位數10C a的(n，a)遞迴關係式及與其進位值數列的函數關係。且利用本文推論定理撰寫找出n進位制m位數反向倍數演算法與程式，及找出二位數與四位數的n進位制反向倍數基本型的原型，更是此次研究結果的一大特色。

本研究先在正n邊形邊上取任意點P、Q，將Q以P為中心旋轉正n 邊形內角度數θ得到Q’，P、Q進行移動，觀察Q’變化的關係與規律性；接續，將P、Q放在「複合正n邊形」進行探討。發現: 在某一範圍時，P、Q在正n邊形上移動時會形成特殊軌跡中空圖形，邊數分別為n與2n等兩類之多邊形，其邊長比一般化公式為l_1+l_2及l_1 、l_2；還有許多有趣的關係，像：1.軌跡圖形內角公式；2.當Q在頂點A上，移動P點，形成Q’之軌跡在｢正n邊形外角平分線｣上；3.Q在任意點上，則Q’之軌跡與對角線¯BD平行且等長…等，並證明之。 最後推出軌跡圖形參數式為 {xQ'=xP+rcos(θ水平夾角-θ) yQ'=yP+rsin(θ水平夾角-θ)，其中tanθ水平夾角=(yQ-yP)/(xQ-xP )，r=√((yQ-yP)2+(xQ-xP)2)，P(xP,yP )、Q(xQ,yQ )之通式詳見作品，結果可應用在掃地機器人及防盜系統上。

我們定義：騎士的走法，在西洋棋中，依座標來看，如下圖所示。由起點O(0 , 0)出發，有八種走法如下：A(1 , 2)、B(2 , 1)、C(2 , -1)、D(1, -2)、E(-1 , -2)、F(-2 , -1)、G(-2 , 1)、H(-1 , 2)。 探討的目的： 一、用騎士走法，給定一起點，求出其在棋盤中到每一格的最少步數，並利用Visual Basic 6.0 製作輔助程式驗證。接著把所得的數據填入每一格中，推導得每一個步數所形成的圖形公式。 二、藉由研究目的(一)所得的圖形，我們反推求得給定一起點，要到達另一給定終點，所需的最少步數的公式。包括數個判斷公式與使用到高斯函數的對應公式。 三、列舉出不能符合圖形公式與反求步數公式的情況。 進一步討論： 1. 可以進一步討論在給定一起點與一終點，探討其最少步數有幾種走法，並想辦法求得期間最少步數的走法規則。已撰寫出程式供參考，具體結果仍在研究中。 2. 若在一立體空間中給定一起點與一終點，研究騎士走法最少步數的規則及公式。 3. 若騎士有另外的走法譬如由起點O(0, 0)，騎士走法用(±3, ±4) (±4, ±3)、(±4, ±5) (±5, ±4)…等方法，是否也能走遍棋盤的各個座標點？是否有最少步數的公式存在？