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數學科

總站該設在哪裡--另類的費馬點研究

所謂的「費馬點」是指三角形內到三頂點距離和最小的點。換言之,「費馬點」就是到平面上不共線三點距離和最小的點。因此,我們可定義,廣義的「費馬點」即是n 多邊形內到各頂點距離和最小的點,亦即到平面上不共線n 點距離和最小的點,但若平面上n 點不能恰為n 多邊形的頂點呢?這就是我們所要討論的。由於我們的靈感來自一份關於「費馬點」的科展作品,所以我們想到,當平面上n 點不能恰為n 凸多邊形的頂點,甚或其中有一部分的點共線時,將不能以n邊形的方法來探討,但我們可以將之化為m 邊形內(n-m)個點來討論。而更重要的是,我們增加了另一個限制,重複的線段將不被我們列入計算。亦即當所求點落在某一多點共線的線段上時,我們只計算該線段的總長,而不計其中重複的較短線段。根據這個原則,我們試行證明平面上三點、四點、五點及六點的可能情況,期望能從中找出足以推廣至平面上n 點的一般性。結果雖不完美,但我們總算差強人意的歸納出了下列結論:1.若n 點共線段,所求點可為所共線段上任一點。2.若(n-1)點共線段,則由該不共線點引一線與共線段垂直,其交點即為所求。3.若(n+m)個點中有m 個點為一m 多邊形的頂點,另外n 個點落在該m 多邊形內,則由兩個外頂點引直線盡可能通過最多點,該兩直線的交點即為所求。

十二枚金幣的奧妙

在一個偶然的機會裡,知道了一個流傳於同學間的益智趣味數學難題。題目是「國王想為聰明漂亮的女兒,選位夫婿,他必須是全國最有智慧的人;所以國王拿出十二枚金幣,其中有一枚是假的,但不知是較輕或較重,誰能用“天平”秤三次,把那枚假的秤出來,誰就能娶得公主 … … 」我和幾位好朋友,以不服輸的精神,突破難題。在研究的過程中,我們也發現許多有關「十二枚金幣的奧妙」。

神奇線條魔法秀

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。

即刻救援

筆者將2005亞太數學奧林匹亞(APMO)試題第四題,延伸題幹情境,將「一個在邊界上之起火點」的條件推廣至「任意位置之多個起火點」,並討論單位時間內搶救數大於1、改變棋盤條件及改變火勢蔓延方式等情況的燃燒數,再推廣至空間系統。在每一種情境下,試著找出最佳的搶救方法、歸納最小燃燒數的規律並證明其皆為最佳的策略,而後發現當起火點數(f)為s個,單位時間內搶救數(d)為1時,燃燒總數b=k(n-k)+(n+1)(h+s);d為2時,火勢被三面包圍之燃燒總數為b=k(k+s)+(4s+1-⌈k/2⌉)⌈k/2⌉+(2s-⌈k/2⌉)⌈(k+1)/2-⌈k/2⌉⌉+(s2-s)/2;而其他條件下,最佳搶救方法的燃燒規律、燃燒數皆有相關性。

滾動前進翻轉提升-探索圖形間的相切圍繞個數問題

這篇作品源自學校模擬考的題目,題目中所探討的是如何將正多邊形兩兩相鄰排列,圍繞在一圓上且每個正多邊形和圓恰好有一個接觸點(相切),我們除透了過排列和計算的方式找出這一題的圖形,也試著針對其他的正多邊形與圓相切,還有圓與圓相切找出彼此間的關係。並且我們發現正多邊形圍繞圓形的一般化結果:即 4/n+2/m=1 ,其中n為正多邊形的邊數,m 為環繞的該正多邊形個數!!

Menger Sponge點邊面的探討

給定正立方體,執行以下動作:(1)把正立方體平均分割為27個小正立方體;(2)把每一面的中間的小正立方體刪除掉,亦將最中心的小正立方體刪除掉;(3)把遺留下來的小正立方體都依序重複步驟(1)、(2)。重複以上步驟,若操作n回後,則將殘存形體稱為第n階的『門格海綿Menger sponge』,並記為Mn 。本文將第n階的門格海綿Mn視為由『true vertices、true edges、true faces』所組合而成的幾何形體,分析結構並建立遞迴關係式來計算出Mn中三者的數量,進一步分別運用『Total Angular Defect Formula』和『遞迴堆疊的結構關係』計算出門格海綿的虧格數。

翻的有理

本文透過翻書籤問題,觀察改變黑色面朝上書籤數1張及2張(含改變中間間隔白色面朝上書籤數各種類型)時,探討書籤總張數及達成翻開所需步數之間的關係,發現到初步判別方法及彼此間呈現等差數列的規律情形。

道同互相為「蒙」—蒙日定理共點共線共圓的問題探討與推廣

正如本研究作品名稱「道同」互相為「蒙」,本研究以三圓蒙日定理「平面上三個圓,彼此的外公切線交點共線(蒙日線),彼此的內公切線交點與另一圓圓心的連線共點(蒙日點)」以及相關共點共線為基礎,推廣至n個圓、球、多邊形與多面體等,發現只要圖形互相「位似」,均可作出代表它們的「蒙日點」、「蒙日圓」,及一般位似圖形的「蒙日形」。同時,也透過其位置與各圓半徑、圓心座標的關係,進一步發現更多共點共線及共圓的性質,其中最令人驚豔的是圓分堆的蒙日點共線性質:「平面上 n 個外離圓,任意 k 圓的蒙日點與另 n-k 圓的蒙日點,必與此 n 圓的蒙日點共線」,推廣至空間中 n 球的蒙日點依然成立,又 n 圓(球)分堆亦具有蒙日圓(球)重合性質。

「三角形負責區域位置設置問題」之探討

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。

正三角形的奧祕

在方格紙上的方格點是否可連成正三角形是一道蠻有趣的問題;這個問題藉由兩種正三角形面積的算式,可以很清楚看出答案是否定的,幾何上的直觀不見得代表其正確性,更須以客觀精準的數據來輔助;除此之外,我們將正三角形條件放寬,以代數的基礎逐一探討各種可能的情況。