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數學科

差中存異-最長非等差數列

研究目的有四:(一)連續正整數列中,求出最長非等差數列解題策略及一般項公式(二)公差d之等差數列中,最長非等差數列一般項公式(三)從一組等差數列中,求出最長非等差數列總項數(四)求出等差數列中,任意項ai之三等分位置表記法。結果如下: (一)定義非等差數列第k項與原正整數列第k項間的差距為「異」並令為Tk-1=Σ[(k-1)/2i]ŸŸŸ·3i-1, (二)定義非等差數列第k項與原數列第k項間的差距為「異」並令為Tk-1=Σd·[(k-1)/2i]·3i-1, 三)從m項等差數列中找出最長非等差數列: 1. 若m=2·3n+R1,0≦R1>3n,項數2n+1, 2. 若m=Σ3n+2·3n+Rt,其中n1>n2>…>nt,0≦Rt>3n,項數Σ2n+2n+1, 3. 若m=Σ3n+Rs,其中n1>n2>…>ns,Rsϵ{0,1,2},項數Σ2n+Rs, (四)求等差數列中ak位置,取3n≦k>3n+1,nϵℕ,如下: 1. k不為3的倍數,則ak表示為(z1+1)-(z2+1)-(z3+1)-…-(zn+1)-Cn , 2. k為3的倍數,則ak表示為(z1+1)-(z2+1)-(z3+1)-…-zi+1-(3-3-3-…-3){n-1個}。 以此證明最長非等差數列。

任給n個正整數邊長可形成的三角形數及其由最少至最多數目歷程討論

在本篇文章中我們將討論任給n個正整數邊長可形成的三角形數目,以及由最少至最多數目的例子建構歷程,而討論這個問題也牽涉到在一線上建構不同的圓,利用不同的圓及圓心之間的關係來討論出例子建構歷程,也利用幾何關係證明出一些相關定理。

原來她四處流竄

我們利用遞迴式求n個不同球放入k個相同箱子的方法數,得到形如巴斯卡三角的數值表,並發現在遞迴關係裡求得的數與落階乘多項式的係數恰好相同。 接著我們將形如巴斯卡三角的數值表轉換成矩陣表示,求出其反方陣,此反方陣竟然是Stirling numbers of the first kind;再將反方陣中的元素取絕對值得Stirling numbers of the second kind;Stirling numbers of the second kind表中的第n列第x行的元素,竟是將n個人分成x圈的方法數。 接著我們找出: Stirling numbers of the first kind與調和級數的關係式、Stirling numbers of the second kind與Pmn的關係式、Stirling numbers of the second kind與Cmn的關係式及Stirling numbers of the second kind與Hmn的關係式,並利用數學歸納法與gamma函數證明上述關係式;並尋找到響鈴數字與n個不同球放入k個相同箱子的方法數的連結。

多堆洗牌之最少次數探討

我們延伸黃莉芸、邱文均所提供的兩堆洗牌的數學模式,將其擴展到三堆以上的情形,並討論特殊情況下的洗牌次數(如同堆牌顏色相同或每堆牌數量相等)。探討過程中,我們發現前人所提及的數學模式相當有效,但三堆以上的情形更加複雜,我們修正數學模式以適用於多堆洗牌的情形。

三圓共構-探討圓心和直線交點間關係

利用「三角形兩邊之和大於的三邊」的概念,將任意△ABC的三頂點設為圓心,各頂點對邊長為該頂點之半徑畫圓,讓此三圓定兩兩相交於兩點。本研究以作圖與觀察為出發點,利用GeoGebra軟體,觀察到此三圓兩兩相交所形成之三條共弦相交於同一點P,並發現固定B、C兩點,移動A點時,P點位置的改變。過程中我們逐步推測與猜想,最後著眼在只討論A、B、C、P四點坐標位置的關係,在固定B、C兩點的條件下,移動A點觀察P點軌跡,及移動P點觀察A點軌跡,從中我們發現了這些移動軌跡會形成二次曲線,並將這些有趣的現象加以證明。

「線」出原形——加密五重奏

密碼學分為密碼術與破密學,而本次的研究重點在密碼術的部分。密碼術的研究在於加密的複雜性與解密的可逆性,而一個加密系統的好壞取決於它的安全性。本次研究運用了國中的幾何概念與高中的矩陣發展出新的加密方式。並透過合成函數的概念結合五重不同的加密方式,增加其加密的安全性,分別為改良式改撒密碼、不完全加密法(一維度不完全鏡射法、二維度分別不完全鏡射法、二維度不完全鏡射法、二維度不完全點射法、二維度改良式不完全映射法,高維度不完全加密法)、煙霧彈加密法(改良式維吉尼亞密碼、干擾加密法)、連分數加密法與RSA公鑰演算法,以各自加密法的優點截長補短,使這五重加密方式能相互配合,奏出和諧優美的「加密五重奏」。

一刀切圓-探討多圓切割面積比

本研究靈感來自2013澳洲數學能力測驗中級卷第22題,我們發現直線L分割互相外切的兩圓,其無陰影面積與有陰影面積形成固定之比例關係。於是我們繼續探討直線L分割多個圓時,第k個圓與第一個圓的面積關係,得知圓的個數(k為奇數或偶數)會影響其比例,無陰影面積及有陰影面積皆存在半徑平方比的關係。接著,我們將總陰影部分面積固定,探討其與第一個圓之面積比例關係,並利用數學歸納法整理出關係式。 最後,我們改變直線,利用折線來進行分割,進一步探討其面積比例關係,並進一步延伸至球體,發現平面切割多個球時,第k個球與第一個球無陰影部分及有陰影部分的體積亦存在半徑立方比的關係。

共軛三角形與其頂內、邊內三角形之性質探討

三角形內心中,我們發現新理論將內心沿角平分線至頂點放大"特定倍率"產生新三角形其重心與原三角形內心共點。內心沿角平分線點放大另一"倍率"產生另一三角形又和原三角形內心共點,並稱為頂內與邊內三角形,兩三角形不僅全等且圖形疊代形成完美心對稱圖形。再利用向量理論創出新三角形通式使原三角形垂心或外心變換成新三角形重心。內心能變重心,重心也能變內心嗎?我們再找出並與原三角形合稱三共軛三角形,討論三者關係。最後在角平分線上找出和原三角形共圓的三角形,發現原三角形內心和新三角形垂心共點且兩三角形外心亦共點的特殊現象,進行重複疊作三角形最終將收斂為正三角形,並修正第52屆科展高中組心心相印類似研究的錯誤。

透視法中的尺規作圖

透視法在建築圖學上是常被使用的方法,例如一點透視、兩點透視、三點透視等。透視法在文藝復興時期對繪畫也產生重要的影響,例如馬薩喬的「聖三位一體」。 我試著不使用幾點透視的看法,而是對透視法建立一個模型,再根據這個模型中得到的性質,去進行一般化情形的尺規作圖,並對透視法中常用的理論進行驗證。 作品說明書中所有的幾何圖形,都是利用Geogebra自行繪製而成。

密克點與心圓的美麗邂逅

本研究是探討一般位置的n條直線(無三線共點且無平行線組),皆會產生圓共點和圓心共圓的現象。在一般位置的四條直線中,四個三角形的外接圓會共點,稱此點為密克點。 同時其圓心也會共圓,稱此圓為心圓。若再添加一條直線,則可以任意的取出四條直線,分別找出它的心圓,而這五個心圓仍然會共點,同時其圓心又會共圓。為了證明此種情況會不斷地延續下去,我們利用數學歸納法以及四點共圓的性質證出一般位置的n(n≥4)線形都會有密克點和心圓。此外,如果考慮退化的情形(共點或平行),也會同時有密克點和心圓。我們還進一步發現四面體也有相對應的密克點和心球,但五面體以上就沒有。