數學科

本研究先利用「直角坐標、畢氏定理、全等、相似、三角函數」等基本概念，探討正多邊形之邊長依逆時針方向等比例m:n切割之面積比值(以下均簡稱為母子多邊形之面積比值)。我們依序研究母子正三角形、正方形、正五邊形及正六邊形之面積比值，接著透過母子正多邊形之切割線，推導出任意母子正多邊形之面積比值均為定值(此值只與m，n，θ相關)。最後，我們為了探討更多元廣泛的凸多邊形議題，於是運用「解析幾何、海龍公式、行列式、測量員(surveyor)面積公式、單位向量、線性轉換」等概念，順利推導出母子任意三角形、任意四邊形之面積比值均為定值，而此值只需用m、n表示。以上研究結果均已透過GSP繪圖軟體、Excel軟體獲得相關檢驗，正確無誤。

「莫比烏斯環」是由德國數學家莫比烏斯和約翰．李斯丁在1858年發現的。將一般的紙環剪斷後，將其中一邊翻轉一次（翻轉180度）再黏合，會形成一種單面單邊體。本研究將從莫比烏斯環的結構及特性出發，並測試不同翻轉次數，以及不同的裁切方式所產生的影響。最後嘗試找出翻轉及裁切兩種變因不同時的規律，進一步推論在其他翻轉次數或是裁切方式所產生的結果。

我們從數學遊戲書裡發現西洋棋名家辛克曼發展予以解析並得到擴充結果如下： 一、使用P3V型、P4Z型、P5P型、P6R型與P3I型，以K移動位置作為橋接點VBr，我們找到k值作為多階段移動結果組合數可得到最少移動總次數。 二、複合路徑圖以重圖為主，是EQ和El兩種路徑複合圖。 三、4點配置BR，當弧形邊數EQ≥2，弧形邊可以視為B-K型組路徑，階段中直線數El≥2則可以視為R-K路徑。度序列衍生路徑組合若EQ≥2優先配置B，El≥2優先配置K。 四、P6複合路徑圖的正例所有點都符合DS≥2，反例特徵係每張圖至少有1點DS=1，可2B2R、3B1R、1B3R、4R，3B1R配置條件EQ≥3，2B2R配置條件EQ≥2，1B3R配置條件EQ≥1；但若圖中有2點DS=1且EQ=1，僅能配置4R。

騎士過城堡是一款棋盤模式的電腦遊戲，棋盤是由14格棋盤格組成之圖形，以騎士棋的斜日式走法，選擇棋盤格上的任意棋盤格作起點，跳完棋盤格上的14格棋盤格，每個棋盤格子僅能跳一次，跳完全部棋盤格回到起點即過過關。研究動機是希望能找出符合過關條件的其他棋盤格圖形以增加遊戲樂趣。研究目的在5X5與6X6的棋盤格範圍內，探討以「基礎圖形擴張法」找出其延伸的棋盤格圖形，與圖形中具多條可解路徑之規律性。研究過程中下指令Chatgpt生成Python程式碼，跑出基礎圖形延伸之棋盤格路徑。研究結果在5X5以8格基礎圖形其延伸圖形有14個、5X5與6X6以6格基礎圖形其延伸圖形分別有306與14535個，而圖形的中多條可解路徑由1-多條主迴圈與1-2條次迴圈所構成之規律性。

本次研究以六邊形排列成各種版面來進行點格棋為主題，透過「邊數」的改變去探討彼此的勝負關係，從中找出致勝的關鍵。我們從最簡單的長條形版面開始研究，用1×n來命名(n是橫向六邊形的數量，如下圖)從1×1嘗試到1×4，探討其中是否有必勝策略，並找出其中的關鍵去推導到1×n的情況。

在mxn大小的棋盤上，將一個sxsxt大小的長方體積木立於左下角的格子(始點)，以「倒、滾、立」三種移動方式，以及「向右、向上」兩種方向移動至右上角格子(終點)。本研究的目的在找出所有的有解盤面，以及盤面有解時所有的可行路徑數。作品中我們找出了路徑數的遞迴關係式，並推導出所有可行路徑數的通式，同時求出最小移動步數與最大移動步數。

1.在正n邊形中作內角k等分角線、外角平分線和原邊上作k'等分垂直線（K,K'>2，K,K'∈ ），這三種直線經各自相交或兩兩搭配後相交得到五種相似正n邊形，其邊長、面積會與原正n邊形間存在規律的關係一般式。 2.承1，內角k等分角線與其外角平分線之交點會連成內外分角正nk邊形，滿足邊數n和k的特定關係式時，才能作出此種正n邊形。 3.原正n邊形的邊或其延長線，恰可平分內外分角正nk邊形和外角邊垂正nk'邊形的邊。 4.內分角正nk邊形、邊垂正nk'邊形和內角邊垂正nk,k'邊形皆會出現五點共圓的情形。 5.承1的五種正n邊形會出現旋轉，其旋轉角度與n、k、k'有關，並有一定的範圍。

在「拼組相同剪刀、剪刀組能完全開合」條件下，我們發現若4段臂兩兩等長，則能拼出直線行進剪刀組；若 軸心不在2臂中點，則能拼出弧線行進剪刀組；若4段臂不全等長，則能拼出斜線行進剪刀組。 將弧線行進剪刀組頭尾相拼，形成封閉剪刀組，當其剪刀間形的變化是三角形時，內圈會圍成正n邊形，我們能依此算出在平面中，拼成封閉剪刀組所需的剪刀數量。在彎曲臂剪刀部分，只有當彎曲臂夾角皆相等，且夾角為正n邊形一內角度數時，才能拼成封閉剪刀組，其能在平面中朝圓心、圓周作變動，但不能像直線與斜線行進剪刀組般能無限網狀拼組。 拼組、操控剪刀組能增加面積、體積或折疊縮小，將此應用在太空科技中，能節省運送太陽能板的空間。

本作品取自國際數學奧林匹亞2022年第一題，我們給出完整的解答，不需要使用中學以上的數學知識，而且利用本作品的方法，將原題探討的兩種硬幣，推廣到m≧3種。

本研究旨在探討科學研習月刊60-3期中「黑白毛毛蟲」的問題。意即在一類身體有黑、白色花紋相間的毛毛蟲中，每隻毛毛蟲從頭到尾巴，恰好可以分成四個段落，且這四個段落剛好是兩段黑色及兩段白色，那麼可以分成多少種類的毛毛蟲呢？其身上的顏色段數總和是多少呢？ 先以直接劃記的方法解題，藉由觀察及分析探討，再利用二項式定理、巴斯卡三角形、排列組合的方式推論出符合的關係式。最後進一步延伸探討，當毛毛蟲身體段數為2n，3n時，其毛毛蟲的種類和身體顏色段數總和之間的關係，以及遞迴關係式。