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數學科

神秘的三角格局:塗色規則下的奇幻案圖

本研究在探討數學雜誌《Crux Mathematicorum》2024年公告的題目MA 288.所產生的方格紙圖案分布的規律。我們先解開該題,並透過繪製與分析不同大小的圖形,觀察圖案的規律,並利用此規律求出第 𝑛 列及前 𝑛 列綠色方格數的遞迴關係與一般式。 我們發現在𝑛×(𝑛+1) 的方格紙中,當𝑛為2的次方時,綠色方格圖案會形成一個類似謝爾賓斯基三角形的完整三角形,且每當𝑛增加2的1次方時,綠色方格圖案會利用自我複製的方式形成新的圖案。因此可以把𝑛轉換成二進位的表示法,利用二進位中1的位置與數量推論出方格圖案的樣貌與綠色方格數。 除了利用塗色的方式觀察規律外,本研究還將原問題條件轉換成不同的敘述,方便利用excel繪製圖案,將問題推廣到𝑛×𝑚方格。

共頂點正多邊形共線蝴蝶對稱圖形性質及幾何不變量

基於Anubhav Mishra提出的尚未被證明問題:由基準三角形OAB之兩邊OA與OB生成共頂點O兩正方形,在兩正方形中選取兩組對應點,並做交叉連線相交於N點,則AB之中點M與O、N具有三點共線之性質(此線稱為共軛對稱軸)。首先提出此原題的不同證明,再推廣至正n邊形,並找到一般化的必要條件及廣義共線性質。 研究結果發現並證明:在正n邊形共線蝴蝶對稱圖形中,存在兩稜線在共軛對稱軸鉛直方向投影長相等,及其成形的臨界角範圍;蝴蝶翅膀種類公式、衍生類別及總數量;面積與稜線長的幾何不變量;基準三角形三邊對應之共軛對稱軸共點於其重心;當n為偶數,共軛對稱軸垂直特定共軛對稱點連線段。當n趨近於∞時,共線蝴蝶對稱圖形收斂到圓內接等腰梯形。

空間中兩圓柱面或兩圓錐面之交集研究

本研究探討三類幾何結構的交集特性:第一,兩個直圓柱面在特定條件下相交時,交點集合的幾何特性;第二,兩個直圓錐面相交時,交點集合的幾何特性;第三,一個直圓柱面與一個直橢柱面相交時,交點集合的幾何特性。我們透過數學建模,理解圓錐曲線在不同條件下所形成的圖形,並進一步探索其數學特性。研究過程中,我們考慮了兩個直圓柱面的相對位置、中心軸夾角的變化與比例關係,兩個直圓錐面的相對位置與中心軸夾角的變化,以及一個直圓柱面與一個直橢柱面的相對位置與比例關係,並透過數學推導與動態幾何模擬來分析這些變數對交點集合的影響。

殊途同歸─不可思議的七線共點

本研究探討三角形中線段共點的幾何性質,特別是與奈格爾點相關的七線共點現象,這七條直線包括三條特定的作圖線、三條周長平分線、以及內心與重心的連線。研究動機源於對奈格爾點定義及其作圖方法的探究。研究過程中,我們透過Dussau作圖法、三角形性質及解析幾何等方法,從已知條件推導出相關的幾何性質,並進行了驗證。研究發現這三條作圖線分別與三內角平分線平行,可視為內心在位似變換下的映射。本研究亦探討此類作圖法是否可遷移應用至其他三角形特殊點(如內心、重心)。這些發現證明了即使直線的構成方式看似複雜或「殊途」,最終也能「同歸」於同一個點,展現了幾何的奧妙。

正多邊形的左右逢圓

從一題關於任意三角形兩邊外接正方形的國中練習題出發,利用全等三角形及對頂角性質求出兩線段夾角。後來發現原題的線段夾角與兩邊外接之正多邊形內角相等,且與原三角形頂角無關。在原題目圖形中,我們也發現共圓的性質,進而可以將A點與P點看成是兩圓相交的兩交點,從中得到共線性質。在原三角形兩邊的正多邊形中,有規律的線段交點,竟然是同一個點,進而推廣出任意直線的夾角公式。原三角形若為等腰三角形,則兩邊外接任意不同邊數的正多邊形,其特定直線的夾角公式。當兩正多邊形有一邊重合時,我們也得到其兩不同邊數之正多邊形特定直線夾角的各種公式與性質。

「折折」稱奇

過 A 列 × B 行(A≤B)方格紙中每個小正方形中心一次的折線: (一)A、B 均為奇數,起點位置的列數+行數=奇數時,會餘下一格無法通過;起點在角落,以逆時針螺旋型或 S 型走法,折線段數最少為 2A-1 段。 (二)A 為偶數走法如 ,最多段數為 A×B(B-1)+1;A 為奇數走法如 ,最多段數為: (1)B>A:A×(B-1)+1-(B-A); (2)B=A:A×(B-1) 段。 (三)A≥3 時,2A-1≤可能的段數≤最多段數;A=2 時,可能的段數為最少段數、最多段數及兩者間的連續偶數。 (四)當 A 的公差為 d,折線最少段數為公差 2d 的等差數列;A 相同且 B 的公差為 d,若 A 為偶數,最多段數的公差為 A×d;若 A 為奇數且: (1)A (2)當 B=A 時,與 A

MN倍角整數三角形

看到大學入學考試中心九十九學年度學科能力測驗試題G中有關2倍角三角形,就產生討論其三邊整數生成器的發想,便由此出發,證明該三邊整數生成器為全起源整數三邊生成器,並討論其整數邊三邊的數論性質與相關性質,再延伸至3倍角整數邊三角形、4倍角整數邊三角形乃至於n倍角整數邊三角形,得到其三邊全起源生成器與推廣至MN倍角整數邊三角形三邊整數生成器、討論相關特性並推廣至n倍角整數Heronian三角形。

「正」「和」我意——正2n邊形頂點連線性質研究

本研究的原題目是在網路上看到證明兩正六邊形頂點連線所形成的長度平方和相等的關係,這份研究將此題推廣到了所有正2n邊形上,而後又推廣到了面積,探討了面積多次方和的關係,最後我們又發現了這些性質在pn邊形上也都成立。 研究中利用了架設坐標系來表示圖形,再利用各種方法簡化算式。文中的證明多用到三角函數的性質以及轉化為複數的表示法以得出結論。 文中最終證明出對於兩個正pn邊形,他們的頂點連線所劃分的區域分組後可形成次方和相等,以及這些連線分組後具有偶數和相等的性質。

隨機生成數列的長度探討

一個籤筒中有編號為1,2,3,…,𝑛的𝑛的支籤,每抽出一支籤,將其編號寫在紙上,形成一個數列。數列只能向左右兩端添加項,不能從中插入;若無法插入,則操作結束。本研究探討此隨機生成數列的長度期望值的。數列添添加項的向向為為單向向與「單向向與,又添生成原理為為單嚴格遞增減與「的單嚴嚴格遞增減與。過組組計算與「勒展展式,,本研究成證明明: 𝑛趨近無窮大時,向、向向數列的長度為別會趨近𝑒−1「1/2(𝑒2−1)。此外,本研究針對隨機生成數列的單子列與進行延伸探討,發現了向向子列數「Eulerian Number的對應關係,且明明出發現𝑛 籤任意排列時,子列的期望組數為𝑛+1/2的;當𝑛趨近無窮大時,向向子列的長度期望值為2。

妙筆生花-探討圓形一筆畫不相交圖形

我們為了解若將手機解鎖的九宮格圖形改成圓形圖形是否會有更多不一樣的解法且更不容易被破解,於是,我們先在圓形圓周上標示若干個點,取任一點作為起點,再經過其他不重複的二點、三點、四點……形成一條連續線段所組成的圖形,這裡簡稱圓形一筆畫圖形,探討此類圖形的種類與路徑。我們除了利用圖示法詳列外,還利用樹狀法、列舉法佐證,除此之外,我們也從文獻中發現部分樹狀法,跟我們的研究似乎同出一轍,最後依據尋找規律歸納通式,並比較傳統九宮格一筆畫圖形與圓形一筆畫圖形在解鎖上的優缺點。