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數學科

旋轉多邊形

我們先定義「旋轉多邊形」,再透過拼組六形積木分析出「旋轉多邊形」的性質為1.偶數個能密鋪的凸多邊形;2.所有頂點相連的2內角和為720°/K,K為拼組數量;3.若拼組數量是4個,則會組成平行四邊形的洞;若拼組數量是6個以上,則會組成等距放射狀的洞。若僅用六形積木組成「旋轉多邊形」,則能組成30種不同的樣貌。若將相同的「旋轉多邊形」彼此相拼,則只有四種結構才能無限擴拼,其中以4個正方形和6個正三角形這2種所組成的「旋轉多邊形」為拉脹結構,當轉動到有最大洞時,其長、寬會等比例分別放大1.5 倍和 √3倍。

分角曲線之探討

本研究探討給定平面任意三點A,B,O,滿足∠OPB=∠APO的點P軌跡為何?有什麼性質?我們主要運用複數解析求出曲線方程式,再運用其對觀察到的曲線性質進行證明,我們亦在作品中給出一些幾何解釋。之後我們更進一步更改兩角度之間的關係(如成倍數關係、差為定值等),得到了豐碩的成果。最終還發現此軌跡與其他曲線間的關聯,並說明了背後的幾何本質。

次方總和公式的拓展

本研究以推導Sm(n)=(n∑k=1)km 一般自然數m次方總和的遞迴關係為起點,並進一步將其轉化為巴斯卡三角矩陣中的線性方程組。透過使用消去演算法,發現Sm(n)的多項式係數不論m皆由白努利數列控制。接著證明白努利數bk的重要規律,推廣次方總和公式在非正整數的意義。再用次方總和公式來加總任何解析函數(平行加總泰勒級數),整理得Euler-Maclaurin 求和公式,然而此無窮級數通常會發散,透過數種技巧估計餘式項上界獲得最佳近似部分和,用以求巴爾賽問題(Basel Problem)的近似解至小數點後18位。

從雞爪定理發想

本研究發想自常見的競賽解題工具「雞爪定理」──三角形內心與三頂點構成的子三角形之三個外心落在其外接圓上。我們將條件更換為垂心和外心,關注連心線三角形,驚喜發現外心與垂心構圖具有巧妙關聯性!值得一提的是,其本質是三圓交於一點,隨後再將三圓交於一點進行一般化,利用此工具解決了2024 年加拿大數學雜誌的一道題目。我們將外心、垂心推廣成任意等角共軛點,利用反演變換證明七圓交於一點,此交點恆在原三角形的外接圓上,再利用連心線與公弦互換,給出四個連心線三角形的關聯性──相似與透視。最後迭作連心線三角形,得出其循環相似性質。整體而言,我們創新了研究項目,循序漸進刻劃出獨特且有趣的結果。

自指數列的週期現象

我們稱滿足遞迴關係an = aan−1 的非負整數數列為「自指數列」。本研究探討其循環性質,發現若存在某個非負整數m 使得am ̸= m+1,則數列從某一項開始會進入循環,且循環長度與am 相關。我們推導出如何根據初始條件計算數列的循環長度,並進一步引入週期與最小循環起始項的概念,定義per(s,p) 自指數列。透過研究,我們找出per(s,p) 各項滿足的充要條件,從而判定自指數列的值。最後,我們證明了一個定理,能夠從初始條件找出所有滿足條件的per(s,p) 自指數列。該定理使得求解數列各項的過程比原始方法更簡潔。此外,我們將此定理轉化為演算法,並以Python實作。

「心」之所「像」─ 萬眾出「群心」

本研究以拿破崙定理為出發點,探討特殊三角形與其所構成的外接特殊圖形之間的幾何對應關係。我們關注三角形的外心、內心與重心所構成的「群心三角形」並進行其分析。 過程中,我們使用GGB進行圖形建構,建立不同類型的特殊三角形與四邊形所構成群心三角形。透過觀察與計算,分析兩個三角形之間是否具有關係並比較其面積比值。進一步地,探討旋轉角度對結果的影響,當外接的圖形發生變化時,群心三角形的結構性質亦會產生對應變化,並成功歸納出具規律性的關係式。 本研究加深了對三角形幾何的理解,也建立群心三角形在幾何理論探討中的新視角。此成果可作為幾何圖形研究的新起點,有潛力應用於生活上為未來幾何學的研究與教學提供了豐富的延伸空間。

割而不捨─正多邊形與任意多邊形的平方重塑

此次的研究,我們著重在切割法的探討與延伸,先研究正n邊形藉由「長方形切割法」與「三角形切割法」成為正方形,在過程中發現問題並分類探討,最後證明一定能切割成正方形,並且計算兩方法完成後的切割塊數。接著研究邊長相等的正n邊形與正 (n+1)邊形,後者利用前者已切割出的正方形,將多餘的部分切割重組,填補成新的 大正方形,建構出遞迴切割的關係。最後發想出等面積三角形置換切割法,並透過此方法來完成任意凸多邊形切割重組成正方形。再進一步研究任意凹多邊形,研發出優角角平分線切割法,將凹多邊形完全切割成數個凸多邊形後,再重組成正方形。

整數與否看源頭

滿足如下遞迴關係的數列,我們給出豐富且新穎的結果: 𝑎𝑛𝑎𝑛−3−𝑎𝑛−2𝑎𝑛−1=𝑘, 它可以轉換成四階線性遞迴式,研究過它的科展作品皆使用特徵方程,我們則從遞迴關係式去推導,手法更簡潔更得到: 1.它是整數數列的充份條件。 2.當固定𝑛,以𝑘為項次,則形成的數列為多階等差數列。 新的結果有: 1.研究項次推廣的遞迴數列: 𝑎𝑁+𝑅𝑎𝑀−𝑅−𝑎𝑁 𝑎𝑀=𝑘, 它可轉換成若干個線性遞迴數列,我們還發現將前述若干迴數列,統整成用單一個數列表示的方法。 2.探討一般化的數列 𝑎𝑛𝑎𝑛−3−𝑎𝑛−2𝑎𝑛−1=𝑘, 條件設定請看說明書。我們得到一些初步成果。 最後應用本作品的結論,解決某科展作品未解決的問題。

三拳演義-猜拳致勝策略研究

本研究邀請60位國小學生參與猜拳比賽,採用嚴謹的統計方法進行母群體分層隨機抽樣與270場循環賽,以利誘激發勝負動機並加以錄影。本研究對資料進行重覆檢核的三角校正以獲得信度。之後利用ChatGPT進行統計分析和考驗全體學生、不同年段、性別的出拳偏好及致勝策略(含回應文獻),再徵詢統計專家分析之合宜性。 結果發現:1.小學生整體偏好出剪刀,尤其男生與低年段在第一拳特別明顯;2.無文獻中提及的「勝後堅持」及「首拳石頭」等偏誤;3.有非常明顯的「敗後改變」、「平手後中斷」與「社會性循環行為」(石頭→剪刀,剪刀→布,布→剪刀);4.出拳策略可透過觀察對手上一拳,依循環模式反制。高年段勝場數最高,顯示經驗與觀察力有助策略制定。

棋盤中放入最多骨牌數及方法數探討

本研究改編自2015 EGMO P2,探討在𝑛×𝑚的棋盤中放入最多的1×𝑡或𝑡×1的骨牌,並使得每一個𝑡×𝑡還有空間再放入一個骨牌的方法數。原本題目是𝑡=2,𝑛=𝑚為偶數的情況。於是我先從𝑡=2開始研究,推導出(1)𝑛,𝑚皆為偶數、(2)𝑛,𝑚一奇一偶、(3) 𝑛,𝑚皆為奇數的答案。接著再推廣到(4)任意的𝑡且𝑡∣𝑛=𝑚的結果。最後再討論(5)𝑛,𝑚分別為𝑡的倍數、模𝑡餘1的數,或其他 數等不同可能性得出的不同答案。