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數學科

以圖形分層遞降方式探討整數分割方法數

從圖形分層遞降觀點找硬幣排列與方塊堆疊的遞迴關係式,可用流程圖找方法數。 一、將n個硬幣排成k列排法Bk(n) 種,共A(n)種 (一) 找出B1(n)=1, B2(n)=[n-1/2], B3(n) 。 (二) 從圖形解釋Bk(n)=Bk(n-k)+Bk-1(n-k) : (三) Bk(n)拆為k-1列的關係式: Bk(n)=Bk-1(n-k)+Bk-1(n-2k)+…+Bk-1(n-tk) 二、將n個硬幣遞減排成k列排法Qk(n)種,共P(n)種 (一) 找出 Q1(n)=1, Q2(n)=[n/2], Q3(n)。 (二) 從圖形解釋Qk(n)=Qk(n-k)+Qk-1(n-1) : (三) Qk(n)拆為k-1列關係式:Qk(n)=Qk-1(n-1)+Qk-1(n-1-k)+...+Qk-1(n-1-(t-1)k) 三、將n個方塊堆成k柱排法Tk(n)種,共S(n)種 (一) T1(n)=1, T2(n)=[n-1/2] 。 (二) 從圖形解釋Tk(n)=Tk(n-k)+Tk-1(n-k)+Tk-2(n-k)+...+Tk-t+1(n-k),每柱取走1個: 最低柱為大於1層時,剩n-k個堆成k柱,排法Tk(n-k)種 最低柱為1層且有t-1柱,剩n-k個堆成k-t+1柱,排法Tk-t+1(n-k) (三) Tk(n)降為少於k柱關係式 Tk(n)=[Tk-1(n-k)+Tk-2(n-k)+...+Tk-t+1(n-k)]+[Tk-1(n-2k)+Tk-2(n-2k)+...+Tk-t+1(n-2k)]+...+[Tk-1(n-rk)+Tk-2(n-rk)+...+Tk-t+1(n-rk)] (四) 新發現S(n)數列。

心有千千結

本研究主要在探討打繩結時,繩子會縮短多少長度的問題。我們透過繩結在纏繞處的結構,來探究打繩結時繩子長度會縮減的原因,以及找出能計算繩子長度會縮減多少的公式。研究過程中發現,圓繩和扁平繩的單結,在纏繞處分別會產生纏繞圓和正五邉形的結構,我們藉此找到了估算繩子損失長度的數學公式。最後再將圓繩在打結處會如何縮短長度的數學性質,應用到其他不同的繩結上,完成了圓繩可以在其他繩結上估算損失長度的公式。

積 排 面 ─ 探討方塊鑲嵌平面問題

以2×1的方塊進行排列,探討排列成 m×n (其中m為2、3、4,n為所有自然數)的長方形時,所有的排列方法數;分別以An、Bn、Dn分別表示2×n、3×2n、4×n的所有情況,並比較之間的關聯性。因為2×1方塊無法完整排成3×n的圖形 (其中n為奇數) ,故不討論。研究最後結果,我們得出An、Bn、Dn的遞迴關係式與An的通式解。 另外,還嘗試用3×1方塊,探討3×n的結果,並與An比較,發現之間的關係頗為類似;也因此能類推至利用m×1的方塊,排成m×n的長方形之情況。

奇偶互換-怎樣回到原位

本研究為探討奇數n分為(a,b)整數對後,不斷取偶數除以2加於奇數上的交換過程。 我們從交換過程推導出交換元素 (H×2k,(n- H×2k)),並找到交換奇數集合H,透過交換奇數列表能更快找出數字n中有幾個循環,另外也發現nx=2(x+1)k+2x×k+2(x-1)k+....23k+22k+2k+1時不可交換的數字規律。 交換奇數列表在階段k時,可知[n-(3×2k+1)]÷2k+1=sk...qk,若qk2k,則階段k最小的數字= qk-2k。 依照發現,可列出數字n的所有交換奇數列。 之後,發現交換奇數的排列呈現迴圈規律,並進一步找到形成循環的條件與糖果數目左右交換的關鍵點。 此外還找到了位置移動數列:y×(2k)0,y×(2k)1,y×(2k)2, y×(2k)3……y×(2k) (x-1) 以及位置移動級數s(k,y,x)= y×[1-(-2k)x)]/(2k+1) 透過位置移動數列可更快速的列出迴圈,達到快速降階,更迅速找出循環的目標。

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。

廣義3階魔方陣之研究

一. 找出廣義3階魔方分5型各別計其數MA(t),MB1(t),MB2(t),MC(t)及MD(t)將排和t依序由0,3,6,…到144表列此5型數量,及衍生之H(t),M(t),S(t),SB(t),SC(t),SD(t)數量。 二.用二次函數假定或階差數列求和,推測H(t)及M(t)公式,導出S(t)公式。 三.用位元分析:(一)推出MA(t),MB(t)及MC(t)公式。(二)掌握D型特徵,但暫用階差數列推測MD(t)公式。(三)推出H(t)公式。(四)藉MA(t),MB(t),MC(t)及H(t)論證MD(t)公式與(二)的推測吻合。(五)藉MA(t),MB(t),MC(t),MD(t) 推出M(t)公式符合先前推測。(六)附帶推算SB(t),SC(t),SD(t)公式。 四.討論延伸至4階魔方的作法,並探索用3階建構6階及9階。

錯中有序-部分錯排列的關係與討論

把 個箱子依序編號後排成一排,接著把 顆球也依序編號,這樣一來每個球都有相對應的箱子可以放入。如果今天我們隨意的將球放置在箱子裡,再觀察球跟箱子的編號是否一致,我們可以發現到三種情形: 第一種:每顆球剛好都放進所對應號碼的箱子 第二種:有些球剛好放進所對應號碼的箱子,而有些沒有 第三種:每顆球皆沒有放進所對應號碼的箱子 除了第一種之外,其他兩種有很多種排列的方法數,在考量到排列總數量或是錯誤排列個數這兩個變因後,最後我們得出一個關係式為f(n,t)×Πk=n+x-t-y+1n+xk/Πk=n-t+1nk×Σk=2t+y[(-1)k×1/k!]/Σk=2t[(-1)k×1/k!]=f(n+x, t+y) ,其中n, t, x, y ϵΝ且n≧t>1、n+x≧t+y>1

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。

好牛吃盡窩邊草

本研究從牛吃草問題出發,將牛以繩子綁在房子固定的點,牠吃草的範圍是個部份圓(如圖一斜線部份),我們改變固定點的位置、改變繩長、改變不同的房子形狀、讓固定點變成可動式等,研究所圍成形狀面積的變化,找出規律,並將研究結果進行實際的應用。

偶然中有必然──怎樣才公平?

本研究發現n個人的約瑟夫問題,反覆淘汰留下來的第m個人,m=1〜lcm(n,n-1,……,k) 時,倒數第k個淘汰的編號f(n,m,k) 會循環,其循環節長度是lcm(n,n-1,……,k);又找出 f(n,m,k) 的遞迴公式,再以該公式使用 Excel 推算 n=1〜16,m=1〜lcm(n,n-1,……,2) 時,發現人數不變時,每個編號倒數第 k (k=n〜1) 個淘汰的機會都相同;據此提出並證明「約瑟夫定理」:人數n人,反覆淘汰留下來的第m個人,取 m=1〜lcm(n,n-1,……,2) 時,每個編號倒數第k個淘汰的機會都相同。