數學科

我們研究《科學研習月刊》上一個有趣的數學遊戲「正七邊形的頂點中有五個紅點，兩個黑點，用紅點當頂點可以連成多少個等腰三角形？」。 目前研究此題目的其他科展作品，採取直接計算所有頂點皆為紅點的等腰三角形個數，當黑點增加時，分類情形複雜而難有一致規律，所以探討到最多的黑點個數僅為4個。 有別於其他作品，我們提出不同的策略，先計算等腰三角形頂點包含黑點的情形，再利用排容原理扣除，得出一般化的結果：在正N邊形中，給定任意B個黑點（B=0,1,2,…），給出計數等腰三角形的個數一般化策略與公式。除此之外，利用本研究提出的方法，進一步延伸探討正多邊形內的等腰梯形個數，給出計數等腰梯形個數的一般化策略與公式。

本研究是先找出正多面體的每一個「面」上的中垂心，並將相鄰「面」的中垂心相連，紀錄所形成的多面體結構，並歸納出規則原理，進而推論至阿基米德立體。 我們嘗試以「相鄰中垂心相連」的研究方法，用針線實際的連接柏拉圖立體模型的中垂心。結果歸納出四個規律分別為點面個數會互換、邊數不變、面形邊數是原圖共點面數、原面形邊數是新頂點共點面數。而這四項規律推論到阿基米德立體一樣適用，並且在本研究中獲得驗證。 研究中更發現到柏拉圖立體與阿基米德立體的對偶圖型關係，其中正六面體與正八面體互為對偶；正十二面體與正二十面體互為對偶。

本研究是由一個棋盤遊戲推廣延伸而來的，研究內容為紅棋先走或後走，若紅棋壓在藍棋上面，則紅棋獲勝；若藍棋壓在紅棋上面，則藍棋獲勝。(也就是說紅、藍棋在同一方格時，遊戲就分出勝負了。)而本研究分成兩種遊戲：遊戲1：紅、藍棋只能上下左右移動、遊戲2：紅、藍棋除了可上下左右移動外，增加可向斜的移動方式；若紅棋每一次走 步、藍棋每一次走 步，且雙方的起點分別在任意位置的方格中，分別去推導雙方剛好走完或少走k步就分出勝負的最短步數、最短路徑數、雙方分出勝負時的所有位置個數、所有位置(坐標)以及分出勝負的判斷準則，最後由上述遊戲1及遊戲2推導出來的公式，透過演算法並利用程式軟體-R語言寫成程式碼作驗證。

本研究發現互不整除的組合個數在2至Ｎ/２（(Ｎ＋１)/２）之間。且快速找出其中一個互不整除的最少組合內容為(N-1,N)且必有(2,3)。 當N為質數，組合個數(P)為2的情況下， 1~N的組合數量（a_N）有aN=aN-1+N-FN的關係存在。組合個數(P)的組合數量（a(N,P)）有a(N,P)=a(N-1,P-1)+a(N-1,P)的關係存在。也出現連續數的狀況，連續數的數量與N及組合個數(P)，呈現N-2(P-1)的關係存在。 另外，我們創造了「互不整除表」，透過螢光筆劃線即可來快速判斷該組合是否為互不整除的組合。我們也可以透過「互不整除表」快速找出組合個數為2時，1~N的組合數會有多少種組合數量。

本文主要探討兩全等正n邊形之n個邊所在直線所圍2n邊形之交錯邊的m次方和關係，參考資料[1]中的原始問題為：『平面上△ABC與△A1B1C1為兩個全等正三角形，且AB與C1A1、AB與A1B1、BC與A1B1、BC與B1C1、CA與B1C1、CA與C1A1分別相交於P、Q、R、S、T、U等六點，又六邊形PQRSTU未落在兩正三角形外部時，則PQ2+RS2+TU2=QR2+ST2+UP2。』我們發現兩組線段的一次方和亦相等，接著推廣到正方形與正五邊形。我們也考慮正n邊形的兩組線段的一次方和與二次方和，並發現如下的規則：『當0≦m≦n-1時，兩組線段的m次方和亦相等；而當m≧n時，雖然兩組線段的m次方和不再維持恆等，但在滿足特定的條件下，還是有機會相等的。』

〝十傑〞指的是10個違反本文〝基本定理〞但仍能保持相似的△。二刀流指的是這十傑都產生在倒數第二條分角線上，在A,B,C三隊的〝推推樂〞團體遊戲活動過程中，本文發現從對應的輾轉相除法中可取得有用的P值、Q值、R值，用於推導演算規則預判遊戲結果。而在S=180時，使用分角線幾何作圖，可用來重新發現△中的Bevan Point，又利用前述建立的演算規則可推導倒數第二刀交叉形成的△的三內角及其順逆時針偏向屬性，進而在整數內角角度中找到10個特殊的相似△(本文稱之為十傑)，這10個特殊的△的三內角有一定的特殊相關比例，利用這套比例關係式及S值的標準分解式可在任意S值遊戲中找到對應的〝傑數〞，非常有趣。

交通號誌具有指揮車輛通行路口的權力，藉由適宜的週期、時相、綠燈秒數之時制規劃，可有效增加路口汽車的通行量，解決不必要停等之交通壅塞問題。 緊鄰學校的五叉路口，是重要的交通要道。根據我們的路口影片分析，發現南來北往的車輛在交通尖峰的上班時刻，總是因為停等此路口號誌造成一定程度的塞車，致使部分車輛需要停等到第二個周期時才能通過路口，著實影響路口通行成效。本次研究透過系列性科學化的測量、計算與分析，我們提出路口週期再增加5-15秒時，共有25種新的交通時制設置方式，可使此路口通行量每秒增加0.268至0.737公尺，將能有效紓解停等紅綠燈的壅塞。

本文主要是在探討二維醉漢走路問題的各種情形。 參考一維醉漢走路的原始問題「一醉漢從距離懸崖一步的位置出發，另一端則是無窮延伸的道路，醉漢在道路上每步以一固定機率不停的前後隨機移動，直到落下懸崖則停止移動，試求醉漢落下懸崖機率為何？」我們將其拓展至二維平面上，利用一路領先問題的概念以及無窮級數的生成函數，探討二維一邊懸崖、兩邊懸崖以及三邊懸崖的情況下，不同移動機率組合，醉漢落下懸崖的機率，並發現Catalan Series是研究二維醉漢走路問題很有力的工具。

本科展作品在研究正N邊形的頂點塗色，定義相鄰兩頂點的距離為1，先設定距離m，規定若兩頂點相距m則塗不同色，求塗完N個頂點的最少色數。當只設定1個m時，我們研究出最少色數只有2與3兩種，並清楚區分出對應條件。而設定兩個m時，我們研究出最少色數有2 , 3 , 4 , 5等四種，同樣清楚區分出對應條件。最後推廣到設定k個m時，我們證出最少色數的絕對下界為2，絕對上界為2k+1。並以N、m的奇偶性細分各情況來做出更精密的上界估計。

本文源於 Tsintsifas 所提出的線段比值和定值問題，我們以射影幾何、重心（面積）坐標、極點（線）等方法，推廣平面上 P 點關於「n 邊形及其外接錐線」的有向線段比值和，並刻劃其滿足定值 k 的點軌跡，主要發現為： 1、滿足三角形的有向線段比值和為定值的點軌跡必為二次曲線 Γ3,k，我們找出其判別式。 2、Γ3,k 是由外接錐線與直線 L0 所構成的二次曲線系。 3、刻劃 Γ3,k 同心二次曲線的充要條件。 4、推廣滿足 n 邊形的有向線段比值和為定值的點軌跡必為二次曲線 Γn,k，我們找出其判別式與 Γn,k 同心橢圓。 我們將研究結果與原作者討論，確認為新發現。應用本研究方法可推論到三維空間的 Tsintsifas 二次曲面。