數學科

本作品延伸前年數學科展作品《公園跑切線》，研究兩個同內心不同大小的正三角形，中間小三角形旋轉θ，由大三角形的其中一邊上取一出發點，對小三角形的頂點沿射線到下一個邊上，接著重複此動作，最後路徑會收斂成三角形，研究收斂點的位置和出發點、旋轉角度、邊長比與收斂可能的關係。之後我們分離小三角形與大三角形之內心，並研究其性質與收斂可能性。最後，我們加入了共內心、相似且方向相同之兩一般三角形的情形，同樣研究其性質與收斂可能性。

這是一個歷時兩年半鑽研兩共邊三角形外接圓各種有趣關係的探究之旅，透過GeoGebra的輔助，經由(1)觀察圖形及數據形成猜想(2)幾何論證猜想為真的探究歷程。 我們首先探討兩共邊三角形外接圓的圓心位置、半徑、半徑和及連心線的關係，發現並證明出等腰三角形中圓心位置具特殊性、兩外接圓半徑和R1＋R2與連心線─O1O2的長度都跟動點D的x坐標呈現函數關係且圖形為雙曲線的一支；據此討論出兩外接圓面積和與原三角形外接圓面積關係，同時發現∆AO1O2～∆ABC且AO1OO2四點共圓。在研究連心線時也發現，當動點D移動時，─O1O2的中點形成一條直線；每條連心線皆與以頂點A為焦點，(BC) ⃡為準線的拋物線相切。最後得出若任意∆ABC的頂點A到─BC的距離相等，連心線─O1O2所包絡出的拋物線皆全等。

本文以一個跟線段比例和有關的幾何問題出發，探討該問題的推廣以及其背後的數學原理。我們接續原命題中正方形的結論，推廣到了正多邊形乃至等腰三角形。在推廣不等邊三角形時又發現問題與「交比和為定值」有關。將相同概念套用到後續的研究，最終將結論推廣到任意圓錐曲線外切多邊形。

研究四色定理時，我們先找出四種基本圖形，再探尋塗色方法，並且以此四種基本圖形來探討複雜圖形。發現可將複雜圖形分解成簡單的上下層、放射狀、中央有色塊的放射狀及同心圓等四種基本圖形，並依區塊編號，以相鄰不同色的原則找出各區塊對應的色塊，大部份基本圖形可用3色填滿，只有中央有色塊的奇數放射狀圖形會用到4色。合併基本圖形時，因先處理的基本圖形，限制了相鄰色塊的選擇，才會用到4色。將發現的方法驗證到複雜圖形上，不但用4色破解了兩位學者發表的只能用5色的多層同心圓、中央有色塊的奇數放射狀複雜圖形，並找到了規則。最後我們以此規則完成只用四色來著色，成功挑戰世界、歐洲、台灣鄉鎮巿地圖及網路上的纏繞畫。

本作品主要研究點對三角形各邊鏡射，再將鏡射點連接形成鏡射圖形，並探討鏡射圖形和點的變化。發現有些點有不變性，並且可以將原本向外發散的鏡射圖形收斂使其互相重疊並全等，我們稱其為全等點。我們從正三角形開始研究，發現正三角形有六個全等點，因對稱性將其分為兩組。接著延伸至等腰三角形，觀察固定底為2，改變高之等腰三角形全等點軌跡，發現許多特殊現象，接著再將其轉為函數圖形進行討論，進一步利用代數式結合鏡射性質，計算出全等點的座標，並證明觀察時發現的現象以及發生的時機。另外，我們觀察並證明各個鏡射圖形的頂點和全等點會形成五大類共圓之現象，我們也嘗試進行正多邊形全等點之觀察，希望有機會推廣到一般化。

洪新富老師有張隨著開合旋轉的紙雕名片，我們好奇： A、如何製作會旋轉的紙雕？ B、其旋轉角度有無規律？ 在分析探討後發現： 一、在菱形結構中，當摺線呈階梯狀，就能旋轉； 二、在鳶形結構中，要旋轉還須：「中線至較大剪角頂點距離」 ≥「中線至較小剪角頂點距離」－「第一層和第三層剪線在對摺線上的間距」。 三、菱形和鳶形結構，不管每層剪角是否相同，相鄰兩層的旋轉角度皆會相差 「180度－第n層起始處與第 層起始處的夾角」， 其中每層剪角相同的結構，相鄰兩層起始處夾角為一個摺角。 四、在圓形結構中，當摺線呈階梯狀，且摺角不等於180度即可旋轉，其中 若摺角皆＜180度，則逆時針旋轉，若摺角皆＞180度，則順時針旋轉， 且旋轉角度都隨層數遞增。

觀察2020東京奧運會徽，發現圖形是由矩形組成，且矩形可經由三種元件（30°與150°的菱形、60°與120°的菱形、正方形）的各邊中點連線而成，本研究旨在利用這三種元件，探討平面鑲嵌。首先，找出利用元件拼貼一圈的組合個數，進一步向外擴增成正十二邊形，計算面積、對角線的長度，觀察旋轉之幾何變換，藉此得出拼貼成線對稱圖形時對稱軸上元件的擺放情形。接著，探討奧徽鑲嵌背景圖中不同大小正十二邊形的面積關係，並將線段變成曲線，推廣至拼貼成正n邊形的四邊形元件探討，得出如果n為偶數，則圖中的四邊形皆為菱形，且菱形的圈數為n/2-1，種類個數為⌈n/4-1/2⌉。最後，觀察類似奧徽之非平面鑲嵌頂點相接圖，改成用正方形貼接圖形，計算出邊長有1:√2的關係。

在數學上，六芒星是指由兩個正三角形顛倒疊在一起而成的圖形，且以交點為頂點形成正六邊形。本文先給定一三角形(此稱原三角形)，其三頂點與內心連線交內切圓之三點為切點，過此三切點作切線所形成的三角形(此稱共切圓三角形)，由原三角形與共切圓三角形所形成圖形稱為相切六芒星。 本研究主要探討相切六芒星中的原三角形、共切圓三角形及尖角三角形的幾何性質，首先利用尺規作圖建構相切六芒星時，推導出共切圓三角形的角度性質。進一步探討共切圓三角形的邊截線段恆等式及鏢形面積等性質，也探討尖角三角形中的所有內切圓半徑恆等式及相切六芒星中的共線(點)性質。最後將相切六芒星推廣至(非)相切 芒星，也推導出一些有趣的性質。

本文觀察在任意四邊形和蝴蝶形的內、外角平分線所圍成的各種四邊形，並找出相關的性質，其中發現了許多共圓的四邊形，試著證明這些共圓四邊形之間的幾何性質，並探討 這些四邊形的面積關係。

本研究源於 2016 年數學雜誌 Crux Mathematicorum 的一個三角形定性問題[1]，我們將這個問題進行推廣且創新探討其定量與定性性質。我們先討論任意三角形與任意凸四邊形、凹四邊形，分別針對不同連線情形下的兩個衍伸圖形的有向面積之和與有向面積之差進行完整討論，再巧妙利用平移不變性處理行列式級數和，最後給出一般化的不變量關係式與刻劃其幾何意義。此外，我們也特殊化探討其衍伸圖形恆為正三角形、正方形等有趣優美的定性性質。最後，系統性推廣到平面上任意封閉的凸四邊形、凹多邊形，先給出不同連線方式之間的重要輪換對稱性質，再分為奇多邊形與偶多邊形進行討論而得出任意連線構造的衍伸圖形之有向面積不變量的一般式。