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數學科

領域展開-Dual graph 解 Hamilton cycle在平面圖上的存在性問題

本研究以對偶圖的性質,取代以往著重點或邊數量的方法,探討平面圖中漢米爾頓迴圈的存在性。我們設計一套定理,判斷對偶圖對應之原圖是否存在漢米爾頓迴圈,並提出「T 搜索」,有效降低電腦計算的時間複雜度。此外,我們建立多項化簡定理,能在不影響迴圈存在與否的前提下,透過邊、點的替換與收縮,或圖的結構分解來簡化圖形。研究中也討論 Herschel Graph 與 Tutte’s Graph,並提出當圖中出現特定結構時,原圖不具漢米爾頓迴圈的判別條件。最後,成果可用於構造具漢米爾頓迴圈平面圖之對偶圖,並期望數學方法推導出無漢米爾頓迴圈的平面圖,或用電腦窮舉所有無漢米爾頓迴圈平面圖之對偶圖,以便延伸討論。

真是知「面」、知「心」又識「高」的雙心多邊形!

1.雙心n邊形中,過任一旁心作不相切邊的垂直線(旁心高)並與該旁切圓交於一點,再過此交點作旁心高的垂直線(旁高垂線)則 (1)過內心I作旁心高的垂直線,則該垂足與I、對應切點形成一角具有旁高垂線與圓I是否相交的判別性質。 (2)透過旁心高和旁徑、內切圓、外接圓半徑的關係,進而推導出雙心n邊形面積和三種半徑有關的一般式。 (3)只有雙心四邊形的四條旁高垂線相交形成的旁高垂四邊形和原雙心四邊形全等,且具有對偶性。 2.雙心n邊形中,過每個頂點作不相切邊的頂點高,會與對應外接圓圓心角之正弦函數值有漂亮的比值關係式。 3.推廣文獻1結果到雙心四邊形,可得內切圓半徑與四個旁徑間類似的關係式。

心心相連—探討五線繪製三角形的性質

本研究使用幾何繪圖軟體,利用五條直線繪製至少三個三角形,進而探討這些三角形的相似、全等、五心與內部結構,分析其中存在的數學規律或幾何性質,主要探討為三角形的五心共線和重疊問題。本研究發現,五條直線有一定規則才能繪製出三到五個三角形,且特定畫法的三個相似直角三角形的外心會共線、四個相似或全等三角形的垂心會重疊、三到五個相似或全等三角形的旁心皆會共線或重疊。

書謀話策──論乘法賓果的玄機與妙算

本研究探討乘法賓果雙人對戰遊戲的設計原理與對戰策略。 探討問題與獲致結果如下: 一、正整數1~c兩兩相乘所得乘積總個數,找出計算公式。≤500只有7個c恰可組成正方形棋盤。重複的乘積,其最大質因數≤𝑐/2。 二、由棋盤邊長n和m數連線,可計算出棋盤各位置的賓果組合數量、及可與之賓果的位置數量,且可判斷合適的m值。 三、按照數字大小排列邊長≤6的完美棋盤,都是先手較占優勢的不公平棋盤。對戰策略包括:取得棋盤中央位置、選擇平方數、賓果係數較高,考慮可連跳乘積數的相關性質、倍數位置分布等。 四、設計公平棋盤並用不同方法驗證。 五、編寫程式,找出可排成較大正方形棋盤的數,且模擬隨機對戰,找出雙方勝率,以驗證棋盤的公平性。

有趣的同心三角形

本研究從著名的歐拉三角形公式出發,我們將圓內接同內心三角形,推廣至圓內接同重心三角形和圓內接同垂心三角形。有關同重心與同垂心三角形的存在性與作圖範圍,我們巧妙利用原三角形的九點圓來進行刻劃!再將研究項目放在同心三角形的邊的包絡線,我們先給出其焦點,再用純幾何方式來證明銳角三角形時,其包絡線為橢圓;鈍角三角形時,包絡線為雙曲線;直角三角形時,則是退化為垂心與外心。值得一提的是,本研究進一步整合同內心、同垂心、同重心三角形,發現面積成等比之關聯性。最後考慮將圓內接改成圓外切的同心三角形,這個難度提升很多,我們成功利用奈格爾線來處理這個研究項目,它顯著不同於圓內接同重心三角形。

轉呀轉~凸多邊形車輪與曲線的關係

本研究希望能找出一種能使多邊形車輪平穩前進的曲線方程式。由於車輪之中心高度不變時即可達成平穩前進的目標,本研究先是追蹤正多邊形的中心正下方與該圖形的交點所形成的曲線,得出此曲線圖形的方程式。接著因圓內接多邊形可切割成多個直角三角形,利用畢氏定理與三角函數推導,得出圓內接 n 邊形車輪的中心在同高度下滾動時,中心正下方與該圖形的交點之曲線恰為懸鏈線方程式。 在刻劃完正n邊形的情況後,進而推廣至一般圓內接 多邊形以及勒洛多邊形的相關特性。在未來,將可以為多邊形車輪的設計與運行提供新的思路,並可能在交通、機械設計及自動化設備中發揮重要作用,了解懸鏈線的特性將促進相關技術的創新與發展。

三角形內特殊直線變換所構造的軌跡

本研究探討給定三角形經由其三中線、三中垂線、三高、三內角平分線、兩外角平分線及一內角平分線,將線段延伸為直線,分別以其與邊或邊的延長線的交點為旋轉中心同時旋轉,作為新三角形的三個邊,圍出新的三角形時(簡稱為變換)的性質,並關注重心、外心、垂心、內心、旁心的位置。 本研究分析變換一次,尋找新三角形隨旋轉角度變化的性質;及固定某個旋轉角度,進行n次變換時,形成的點列所在的曲線方程式。 結果顯示,變換一次時,根據三線選擇的不同,各自出現陪位重心、心的重疊、Kosnita 點、多心共圓、共圓錐曲線…等性質;而當固定某個旋轉角度,進行n次變換時,則分別有等角螺線或收斂到特定形狀的性質。

有正就贏

本研究的目的是探討巧克力遊戲,切到剩1塊巧克力,對方無法再切時,就贏得遊戲,巧克力紙板的形狀及尺寸與遊戲獲勝的關係。 研究結果發現:巧克力紙板是正方形,後行者切出正方形給先行者,就會贏得遊戲。若正方形的邊長為A,先行者切給後行者n條,先行者贏的比率的分母為(A-1)+(n-1)2,分子為(A-2)+(n-1)2。 巧克力紙板是寬為A,長為B的長方形,先行者切出正方形給後行者,就會贏得遊戲。若A≦2,後行者贏的比率的分母= A+B-2;若A>2,後行者贏的比率的分母=A×(A-2)+B。 此遊戲獲勝的關鍵是「正方形」,先行者或後行者只要能切出正方形尺寸給對方,就會贏得遊戲。

圓內接多邊形西姆松線的延伸思考

本研究是將三角形的西姆松線推廣至圓內接N邊形的西姆松線,已知三角形的西姆松線有孟氏定理,利用數學歸納法可證得圓內接N邊形的西姆松線也有孟氏定理;若只考慮外接圓上的一點P對圓內接N邊形各邊所在直線作垂足,則各邊截線段比值的連乘積也會等於1;已知三角形外接圓上兩點𝐏、𝐏′的西姆松線之夾角,會等於𝐏、𝐏′兩點所對的圓周角。利用四點共圓、兩層西姆松線的關係可證得:圓內接N邊形圓上兩點𝐏、𝐏′的西姆松線之夾角,會等於𝐏、𝐏′兩點所對的圓周角的(N-2)倍;已知若兩個三角形的外接圓相同,則外接圓上一點𝐏對應兩者的西姆松線之夾角為定值,跟𝐏的位置無關。利用四點共圓、兩層西姆松線的關係可證得:兩個N邊形的外接圓相同時也成立。

多邊共舞,四方連心

本研究探討在正n邊形及圓內接多邊形構形中,若已知外圍三角形面積,是否可反推原構形的邊長與面積。研究建立一套幾何與代數互相轉換的流程,透過面積比例推導遞迴數列,進而構建高次方程,並提出新符號 𝑇𝑃𝑄 及 𝑈𝑛𝑞𝑝 表示不相鄰乘積和,以簡化代數結構。進一步運用數學歸納 法 與極值邏輯,成功證明:當高次方程 式 具有正實根時,其最大正實根必定對應唯一的 多邊形 限定構形;反之,若多邊形限定構形存在,也可唯一對應於高次方程式之最大正實根。此研究不僅提供幾何反推的系統化解法,也為代數方程的幾何詮釋建立明確模型,具備理論價值與推廣潛力。