數學科

本作啟發自線上的影片「Can you solve the giant iron riddle?」，內容是在有外觀無法辨認的4顆有電與4個沒電的電池中，在一次只能取2顆電池測試的限制下，以最少的次數找到2顆有電電池的方法，結論是以分組的方式進行測試會有較佳的結果。本作先驗證影片的方法有效後再進行推廣，得到找出2顆有電電池較佳的方法為分組法或直接取法。再嘗試推廣至取3顆電池的情形，發現除了分組法與直接取法外，還可使用「X2Y1循環檢查法」。最後改良「X2Y1循環檢查法」後，不但可以有系統地測試所有可能的情形以外，能更有效地減少測試次數，提高尋找有電電池組的效率。

本研究探討原三角形掉落一角後重心產生偏移後，要如何透過截去另兩角的方式才能使剩餘六邊形重心能回復到原三角形重心。文中依據原三角形、掉落三角形、校正三角形分成六類探討不變心的切割方式及是否存在唯一性，並透過水平、垂直分量建立數學模型來說明作用在物體上的力矩平衡，達成重心不會產生偏移。 本研究利用水平、垂直分量不發生轉動的條件，列出數學式求出不變心裁切的位置，並利用 GeoGebra軟體繪圖驗證；且得知僅需【結論3】的做法，就可以解決所有缺角三角形保持重心不變的問題。更進一步發現維持不變心的三塊頂點三角形面積並不需要相等，打破了49 屆全國科展《剪不斷，理還亂-我就是不變心》的結論。

本研究旨在探討抽獎活動中，抽中累積人數的分布狀況，想要找出抽取次數的中位數。若花費的抽取次數小於中位數，即比一半的人還幸運。大多數人會認為在抽中率為5%的情況下，花20次抽到算是比一半的人幸運，然而，透過人工抽名片卡紙和Scratch程式模擬後，發現大家預期的次數皆大於實際中位數。 使用Excel函數將公式一般化後，發現「第n次抽中的機率」為等比數列，「n次內抽中的機率」為等比級數。又因為公比小於1，造成前半部累積項次較少就達到50%，後半部需較多項次才能累積至100%，故「運氣差的人花費的次數」拉高整體的抽獎次數，才造成大家預期次數與理論值不同的狀況。最後應用研究發現，探討抽紀念酒的運氣分布和抽齊生肖紀念酒的可能性。

本主題是研究七巧板拼凹多邊形的拼法 。 我們得到下列結果： 一、證明七巧板拼成凹多邊形的最大邊數為17。 二、七巧板拼凹四邊形的圖形分析1種情形拼法不存在。 三、七巧板拼凹五邊形的圖形分析3種情形，計算5種情形的拼法。 四、七巧板拼凹六邊形的圖形分析7種情形，計算14種情形的拼法。 五、用Excel驗證凹四至凹六邊形的情形。 六、用Python程式找出凹多邊形的拼法， n = 4有1種；n=5有5種；n=6有14種；n=7有23種；n=8有41種； n = 9有58種；n=10有89種；n=11有118種；n=12有166種；n=13有212種。

先設定△作為外圖形，在其內作內△。利用內△等分點做塞瓦線，透過相鄰內△塞瓦線交點及其頂點探討產生之不同圓錐曲線圖形的關係，並做相關推論及證明。之後，改變外圖形邊數，利用外圖形相鄰邊夾角與內△的關係研究出「萬花三角芒星」規則，並藉由製作多邊形的圓錐曲線，並在確認外圖形邊數及內角角度的條件下直接推出對應圓錐曲線關係。

「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，進一步推論出在其他翻轉次數或是裁切方式所產生的結果。

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。

本研究探討n個邊長分別為1、2、…、n的正方形鍊接成平行封閉結構的存在性與方法透過「 任意值矩形頂點配對法」可成功鍊接；任意數列的正方形組也可成功，最快速的是「最大值矩形頂點配對法」。 推廣至正多邊形正偶邊形透過「對角線重合法」，正奇邊形透過「對角線重合法」搭配「對角線與邊重合法」，每邊可互相平行；將n個正多邊形放置在對角線連線成的平行四邊形，利用n值特性「4k、4k+1、4k+2、4k+3」分類頂點位置結合「單向複雜形平行結構」邊長和的差為1或2可透過對角線「中心」或「端點」出發的「最大值平行四邊形頂點配對法」鍊接 。 最後得到最大及最小完全覆蓋矩形鍊接法，並推得鍊接正方形內部封閉面積公式。

本研究旨在利用組合數來分析第二類斯特靈數在模質數下的性質。研究分為五階段：第一階段我們參考O-Yeat Chan等人的論文，並改良了其證明過程，得到一個同餘組合數。第二階段利用第一階段的奇偶性定理發現(3n n)與𝑆(2𝑛,𝑛)同餘mod2並改良論文證明，使得證明更易推廣。第三階段我們更推廣到更一般的結論：滿足𝑆(𝑝𝑛, 𝑛)≡(p'n n)(𝑚𝑜𝑑2)時，p與p'是線性關係。第四階段與第五階段繪製熱圖時，我們發現圖中存在謝爾賓斯基三角形，對此進行了研究，並成功證明斯特靈數三角形在模2與模3下具有碎形結構與謝爾賓斯基三角形，這是文獻中都沒有探討過的。

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。