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數學科

書謀話策──論乘法賓果的玄機與妙算

本研究探討乘法賓果雙人對戰遊戲的設計原理與對戰策略。 探討問題與獲致結果如下: 一、正整數1~c兩兩相乘所得乘積總個數,找出計算公式。≤500只有7個c恰可組成正方形棋盤。重複的乘積,其最大質因數≤𝑐/2。 二、由棋盤邊長n和m數連線,可計算出棋盤各位置的賓果組合數量、及可與之賓果的位置數量,且可判斷合適的m值。 三、按照數字大小排列邊長≤6的完美棋盤,都是先手較占優勢的不公平棋盤。對戰策略包括:取得棋盤中央位置、選擇平方數、賓果係數較高,考慮可連跳乘積數的相關性質、倍數位置分布等。 四、設計公平棋盤並用不同方法驗證。 五、編寫程式,找出可排成較大正方形棋盤的數,且模擬隨機對戰,找出雙方勝率,以驗證棋盤的公平性。

轉呀轉~凸多邊形車輪與曲線的關係

本研究希望能找出一種能使多邊形車輪平穩前進的曲線方程式。由於車輪之中心高度不變時即可達成平穩前進的目標,本研究先是追蹤正多邊形的中心正下方與該圖形的交點所形成的曲線,得出此曲線圖形的方程式。接著因圓內接多邊形可切割成多個直角三角形,利用畢氏定理與三角函數推導,得出圓內接 n 邊形車輪的中心在同高度下滾動時,中心正下方與該圖形的交點之曲線恰為懸鏈線方程式。 在刻劃完正n邊形的情況後,進而推廣至一般圓內接 多邊形以及勒洛多邊形的相關特性。在未來,將可以為多邊形車輪的設計與運行提供新的思路,並可能在交通、機械設計及自動化設備中發揮重要作用,了解懸鏈線的特性將促進相關技術的創新與發展。

圓內接多邊形西姆松線的延伸思考

本研究是將三角形的西姆松線推廣至圓內接N邊形的西姆松線,已知三角形的西姆松線有孟氏定理,利用數學歸納法可證得圓內接N邊形的西姆松線也有孟氏定理;若只考慮外接圓上的一點P對圓內接N邊形各邊所在直線作垂足,則各邊截線段比值的連乘積也會等於1;已知三角形外接圓上兩點𝐏、𝐏′的西姆松線之夾角,會等於𝐏、𝐏′兩點所對的圓周角。利用四點共圓、兩層西姆松線的關係可證得:圓內接N邊形圓上兩點𝐏、𝐏′的西姆松線之夾角,會等於𝐏、𝐏′兩點所對的圓周角的(N-2)倍;已知若兩個三角形的外接圓相同,則外接圓上一點𝐏對應兩者的西姆松線之夾角為定值,跟𝐏的位置無關。利用四點共圓、兩層西姆松線的關係可證得:兩個N邊形的外接圓相同時也成立。

會再次相遇嗎?

一群運動員在一條直線跑道上,以互不相同的均速做折返跑。當這群運動員於某一時刻全部相遇於某一點後,這樣的情形會不會再度發生?我們找出這群運動員第一次相遇和再次相遇的的條件及相遇點,並延伸探討圓形跑道相遇的情形,最後討論給定k名運動員的速率比,判斷其是否會相遇。

好色之徒—塗色方法研究

本研究以排列組合的矩形表格塗色問題為出發點:「k種顏色,m × n的矩形棋盤方格,將上的每一格塗一個顏色,要求任意相鄰兩格顏色不能相同,共有幾種塗色方法?」首先,從1 × n、2 × n表格開始研究,接著往上延伸至3 × n。面臨複雜度的增加時,我們提出新的分類方式,考量各種情況,推導出遞迴關係式後,再以矩陣對角化的方式推導出3 × n塗色公式的一般式。在研究4 × n表格的塗色公式時,我們提出以「行」為單位的分類法來推導其塗色方法數公式,再以矩陣的形式呈現。後續透過觀察原有矩形表格分類,延伸探討頭尾相接的環形表格,推導出1 × n 和2 × n的環形表格塗色方法數公式。

多邊共舞,四方連心

本研究探討在正n邊形及圓內接多邊形構形中,若已知外圍三角形面積,是否可反推原構形的邊長與面積。研究建立一套幾何與代數互相轉換的流程,透過面積比例推導遞迴數列,進而構建高次方程,並提出新符號 𝑇𝑃𝑄 及 𝑈𝑛𝑞𝑝 表示不相鄰乘積和,以簡化代數結構。進一步運用數學歸納 法 與極值邏輯,成功證明:當高次方程 式 具有正實根時,其最大正實根必定對應唯一的 多邊形 限定構形;反之,若多邊形限定構形存在,也可唯一對應於高次方程式之最大正實根。此研究不僅提供幾何反推的系統化解法,也為代數方程的幾何詮釋建立明確模型,具備理論價值與推廣潛力。

環遊世界三六形

大部分的作品都是在研究五方連塊和它的特性,本研究特別以三角多連塊以及六邊多連塊為出發點來探討。一開始,我們針對連塊可以擴充的數量來分析,隨著圖形擴充,發現連塊數量、連接邊、V字角會影響總擴充數。接著,蒐集三角多連塊、六邊多連塊,研究它們的周長、角的數量、內角和等幾何性質,隨著圖形發展,發現平角、周角的數量會影響幾何性質的表現。 最後在n階三角形、n階六邊形中,拿走最少個數並找出規律拿法,讓指定三角多連塊、六邊多連塊無法放入n階圖形內。未來,我們希望在更多指定多連塊下,找出各種規律拿法,讓n階圖形呈現更多規律之美。

四邊形內接三角形的面積

本研究從一道科學班入學考題出發,突破傳統代數解法限制,提出創新的幾何作法,並系統性推廣至更廣泛的圖形。透過將內接三角形分為【點邊邊】,與【邊邊邊】的兩種類型。結合使用 GeoGebra 進行作圖與輔助推理。使用正弦定理、餘弦定理與相似形等幾何原理進行推導。探討其內接三角形與周圍多邊形的面積關係。從長方形開始,逐步推廣與觀察,歸納出面積公式的形式,並進一步應用至其他凸多邊形,建立更普遍性的面積關係公式與解題策略。

方圓之間—魔錶3探秘

本研究找出魯比克鐘最少步數解法,發現立柱影響連動範圍、鐘面組合數和同步轉解法: 一、立柱具有唯一性:用於考慮鐘面重疊範圍時,2<=n<=8用鐘面集合的交、差集計算;以阿達瑪矩陣積得到全部鐘面連動範圍。 二、對稱性是決定影響唯一圖的關鍵,考慮「雙重對稱」特性,得到5種唯一立柱組合。 三、組合數與起始狀態數:無對稱軸時,鐘面有n個的組合,組合數為4n個,起始狀態數有4n-1。有1個對稱軸,對稱軸上有a個鐘,共有n個鐘的鐘面組合,組合數為(4n+2n+a)/2個,起始狀態數有(4n+2n+a)/2-1個。 四、鐘面同步轉在考慮立柱唯一性與鐘面對稱性,彼此獨立的鐘面僅有14個,同一指向0的最少步數一定是7步。

四方連塊拼圖問題之研究

此研究探討「在𝑛×𝑛的正方形中L型、T型和O型任兩種四方連塊」及「在𝑚×𝑛的長方形中LO、TO 兩種四方連塊」的拼圖可行性規律。我們發現拼片組合的可能性與正方形邊長有明顯關聯,透過黑白格排列法找出可行的解與排法,並分析不同邊長下的規律與極值,做出分類。此外,研究問題延伸至不同邊長分類下的𝑚×𝑛長方形,我們找到「最小圖形」,如由2個O或2個L組成的𝐿𝑂2×4。接著,定義「中圖形」以分析LO與TO拼片組合的數量規律,如由4個L和一個𝐿𝑂2×4組成的𝐿𝑂3×8。透過將長方形切割成以上圖形、分析性質、找出一般化的公式,進而推導出矩形中LO與TO數量的極值規律。