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數學科

幾何配數歸,碰出新滋味

本研究主要在探討正多邊形翻摺時,其摺邊與邊所圍成三角形周長的規律。原題目如下:「給一正方形ABCD、將A摺至(CD) ̅上任一點E,翻摺過去的(AB) ̅與原(BC) ̅交於F。試證△CEF的周長為正方形邊長的兩倍。」 本研究先以軟體觀察數值,發現其規律在奇數邊形與偶數邊形時不同。正奇數邊形折點左右兩三角形相加值與多邊形邊長的比值為定值,其值與多邊形內角三角函數值有關;正偶數邊形折點右邊的三角形周長為邊長2倍,且摺點、原多邊形頂點與線邊交點的角度也與偶數的邊數有關。除此之外,也找到了正多邊形翻摺後所形成之各三角形周長在適當配組後,其和有定值的不變性規律,及推廣摺到任意邊上,其三角形周長和或差為定值的規律。

因「材」施計-觀察倍數關係,推理原始密碼

在數字2~100之間,約定取哪五個數字,每個數字有五張牌。 每次遊戲,提問者從這二十五張牌中抽五張作牌組。 答題者用乘法提問,以較少提問次數答出牌組數字者,獲勝! (一) 解題步驟 (1) 問五張牌相乘,找出具有特殊質因數的牌; (2) 找出牌組中,會造成乘積相同的組合,問其中最大數字的倍數相乘。 如果執行步驟(1),尚未完全解題,就執行步驟(2); 如果執行步驟(2),尚未完全解題,再次執行步驟(2)。 在這個規則之下,可以依序確定五張牌。 (二) 提問次數 第一題問五張牌相乘的質因數分解,出現 (1) 四種以上的質數,直接得知五張牌數字; (2) 三種質數,最多加問一題; (3) 兩種質數,最多加問兩題; (4) 一種質數,最多加問三題。 在這個提問上限之內,一定可以成功解題!

兩組直線所構造的三角形外心軌跡性質

本研究源於 2022 年數學雜誌《Crux Mathematicorum》的一道四邊形動態幾何問題,我們先將此問題設定為三角形,利用綜合幾何方法給出了兩種構圖條件下的三角形外心軌跡皆為圓弧,並且發現兩種圓弧的變換關係,也給出豐富有趣的性質。值得一提的是,分別對三角形的三個頂點輪換進行第一種構圖得出三個圓弧,這些圓弧恰可組合成三角形的九點圓,這是有趣的發現!回到原始問題的四邊形,我們構造了兩個三角形,透過巧妙轉換頂角與直徑圓變換而給出外心軌跡所在圓弧的兩個定點而解決此問題。最後推廣至鄰邊連線時,我們用雙射對應觀點簡潔刻劃了軌跡圓弧。重要的是,本研究處理四邊形的手法與三角形的是一致的,意味著證明手法具有推廣性。

以邊追圓 - 多邊形內切圓形成規律之探討

一、每一個圓外切四邊形的對邊和都相等,每一個對邊和相等的四邊形也都有內切圓。在各邊長度、順序、對邊和都相等的相異四邊形,隨著內角的不同而有不同大小的內切圓。 二、本研究從圓外切四邊形出發,試圖找到一套方法在僅知各邊邊長條件(長度、順序)下,判斷多邊形是否可能有內切圓。 三、多邊形如何在僅知邊長條件下,判斷是否有內切圓存在?以及如何進一步找出內切圓半徑長度與相對應多邊形的內角關係為本研究重心所在。

繞遠路的螞蟻

本研究探討螞蟻在一個無向簡單圖上,由原點出發沿著邊移動。當抵達某一點時,螞蟻會選擇和此點相鄰的某一點前進,作為下一步移動,但不能往回走,若螞蟻回到原點便不再移動。已知圖上各點的度皆大於等於 2,試問螞蟻在數次移動後回到原點時,移動次數的期望值為多少? 我們最初是藉由觀察螞蟻經移動後回到原點的機率,推測每次回到原點時的機率之規律,但此方法難以在較為複雜的圖形上得到結果。接著使用了矩陣來研究,以矩陣乘法表示一次移動。有了矩陣,我們便能透過矩陣運算得到螞蟻在數次移動後抵達各點的機率,也能更方便的求出期望值。

是幸運還是機率-探討彭尼遊戲必勝秘訣

我們準備了銅板和紀錄表,想要了解彭尼遊戲中,乙玩家是否可以技巧性地提高勝率,以及彭尼遊戲的變化形態延伸後對勝率有什麼影響。在實驗一我們發現不同的對戰組合,其勝率確實存在落差;在實驗二中,我們發現乙玩家確實可以透過彭尼的技巧取得更高的獲勝機率,在實驗三,我們發現當加入更多玩家時,後手不一定能掌握更高的勝率,在實驗四,我們發現相較於以第一或第三字節相反來作為乙玩家的第一字元,以第二字元相反後做為乙玩家的第一字元勝率更高,而本次實驗我們只以擲七次銅板中猜測三次的排列作探討,未來也許可以嘗試其他不同的擲銅板次數、猜測次數,以了解彭尼遊戲及其相關變形遊戲的勝率變化。

相切六芒星

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。

從圖形內在結構探討凡·奧貝爾定理的推廣

將凡•奧貝爾定理的四邊形依對角線等長、垂直、平分分類,外接正方形推廣為正多邊形,則原四邊形對角線與相對中心連線有等長和垂直對偶、平分不變的現象。考慮相鄰頂點之中點時,則對點連線與相對中心連線也有相同結論;當原四邊形等垂對時,作出相鄰頂點之等比例內分點或外接相似三角形,則對點連線會等垂對。 當原四邊形外接平行四邊形時,則相對中心連線與相鄰頂點的中點之對點連線也會等長和垂直對偶。若原四邊形改成八邊形且外接正方形時,則相對中心連線的中點(或相鄰頂點之中點的相對中點)之對點連線會垂直且等長;外接對邊相似的平行四邊形時,則相對中心連線的中點之對點連線與相鄰頂點之中點的相對中點之對點連線也會等長和垂直對偶。

正方形疊羅漢

這次的研究是要找出,當利用正方形排列成多邊形時,最多邊數的多邊形,其邊數的快數算法。首先我們討論限制堆疊方式的必要性,再透過圖形觀察,找出影響邊數變化的因素。再利用其因素,找出能排出最多邊數的「十字形排法」。推排出不同正方形數時的最多邊形邊數,再觀察其邊數間的關係,找出五個規則,之後先證明這五個規則的正確性,再利用其找出快速算出最多邊多邊形邊數的算法步驟,得到我們要找的研究結果。

「石」在好玩-探討放石頭的規律

為了在放石頭的限制之下,找出(n×m)大小的方格圖,可以放幾顆石頭,並找出通式,本研究由1×1的方格圖開始慢慢擴展,求出數據,然後利用數據找出規律並利用階差數列、牛頓插值定理找出R(n×1)、R(n×2)、R(n×3)、R(n×4)的通式,並預測R(n×m)會是n的m次方。再藉由費氏數列、二階非齊次遞迴式的解法等方法找出R(1×m)、R(2×m)、R(3×m)的通式及R(4×m)的遞迴式 。透過整合利用階梯式累加法用excel表格整理區塊和區塊間的方法數差,始能快速找出第n列的通式,而求出R(n×5)、R(n×6)的通式。希望利用這些通式,透過整合推出方格圖大小(n×m)的通式。