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數學科

『數字調查局』--- 你不知道的秘密

在國中一年級下學期二元一次方程式常見到一道題目『一個二位數的十位數字與個位數字的和為15,若將這個數的十位數字與個位數字對調位置,則所得的新數比原數小9,請問原數為何?』。類似這樣的題型有許許多多,但是都探討到四位數之內,因此我們試著將其延伸到多位數,並試著能否找到一定值,並利用這些關係加以編碼,製作數組只有我們才能進行解碼的數字,利用它來傳遞我們之間的小秘密。 本文介紹關於二位數到八位數的證明過程和結果,我們發現只要依循數字之間的大小關係及既定的運算規則即能得一定值。利用這種關係可將轉換成文字,用來編碼及解碼。

棋子排列的研究

若Mn×n(s)表示在n×n 的正方形棋盤中,棋子總數為s;Vn×n×n(a1,a2,a3,…..,an )表示在n×n×n 的正方體棋盤中,每層個數為a1,a2,a3,…..,an,且s=a1+a2+a3+…+an。本研究即在Mn×n(s)和Vn×n×n(a1,a2,a3,…..,an)中探討若要排成每行、列或高的棋子個數均為奇數時s 的變化情形、解答分析並找出其排列方法,最後才推廣到長方形 Mm×n(s)、長方體Vn×n×k(a1,a2,a3,…..,ak)。並以上面研究結果為根據設計遊戲。

天馬行空---n后問題規律之探討

一、『馬步解』定義:向右二格、再向上一格稱為『馬步2』,推廣至向右n 格、再向上一\r 格稱為『馬步n』。\r 二、先逐一嘗試n×n 方陣中馬步解成立與不成立之各種情形,並整理列表。\r 三、利用嘗試結果研究出馬步解的例外規則。\r 四、根據鑲嵌解概念推得『環面解』,再進一步推得『甜甜?解』。\r 五、利用馬步解的特性,得到兩個重要性質:\r (一)『加法對應性質』。 (二)『乘法對應性質』。\r 六、利用『遞降法』,算出乘法對應。\r 七、根據『費馬平方和定理』,推得4m+1 型質數階方陣加法對應重覆之運算。\r 八、利用『削邊法』得到偶方陣的類馬步解,完成所有具有馬步規律解的尋找。\r 九、以往對於n 后問題的研究著重於解題邏輯思考,或是比較程式演算法的優劣。本研究\r 則是針對相同斜率規律格子點的解,探討其規則以及推廣。更重要的是對於經典的『八\r 皇后問題』的解,也可利用甜甜?解的概念加以精簡。

揚名曆萬~萬年曆

「查日期,翻月曆,遜!什麼都不必查,直接告訴你,酷!」我們不是神童,也沒有超強的記憶力,但如果你想知道今年任何一天是星期幾,我們可以馬上回答你。我們以歸納西元2008年的月份、日期和星期之間的規律性為出發點,幫助我們用最有效率的方式,簡單記憶及快速推算西元2008年的任何一天為星期幾,再推演至其它年份,並藉由深入研究「曆法的演進史」以及「回歸年與太陽曆閏平年」之間的關係,找出未來置閏規則的最佳建議方案,以此為基礎,將閏平年規則適用範圍延申至超過一萬年,推算出萬年曆公式及以做出真正適用一萬年的萬年曆轉盤、我們目前在網路上及市面上,都尚為找到可以用超過西元2400年的程式或轉盤,所以我們的萬年曆研究深具參考價值。

搞「軌」-有「跡」可循

路邊停車時,總需要三番兩次的調移車身,過程些許費時,因此,嘗試推算一次順利進出車格之軌跡。我們以開出停車格之軌跡做探討,軌跡建立之後再依循所建軌跡供車輛倒車行駛。為了能順利一次路邊停車,我們設定方向盤轉動量最大,讓前輪達到最大轉向角θ(一般車輛是35度),以取得最小迴轉半徑R,利用車輛基本性質,包括:車前懸a、前後輪軸距b、車後懸c及車寬d,推導計算最小迴轉半徑R,所代出之公式經模擬實驗,其誤差率均小於5%,值得引為後續研究之用。於路邊停車軌跡部分,先探討車輛出車格之軌跡,包括:左轉、直行及右轉軌跡,三個軌跡的反向連續軌跡,即為路邊停車時倒車的應行進軌跡。於倒車入庫軌跡部份,則包含直行及右轉軌跡兩部份。最後,對於誤差修正之探討,我們提出所謂前輪轉動受「軸承」控制之計算觀念,將車輪轉動中心砌合實際狀況轉移,於給定承軸及輪胎外側圓心之距時,將有更精密之數據展現。

三「幣」行必有「數」失

「硬幣問題」是指:給一些不同幣值的硬幣(幣值是整數,且它們的最大公因數必須是1),每種幣值的使用數量不限。已知只要夠大的數目,任意金額都可利用它們組成(註1),也就是並非所有金額都能被給定的幣值組成,問:這些無法組成的金額中,最大值是多少? 這個最大值稱Frobenius number,本研究簡稱為「F數」。 歷屆國展國小數學組只有一篇探討了「兩幣值的硬幣問題」,用數學的話來說,就是探討2變數的F數;我不但將該作品推廣到三變數,比起原作有新進展的是:證明特殊通式,發現3變數的F數包含偶數,補充原作未討論的性質,探討F數和變數互質與否,最後,還重證了Schur定理的結論之一。

圓盤在彈性碰撞下覆蓋面積之探討

觀看掃地機器人的運作後,發現其效能不彰,促使我們欲瞭解並模擬其可能的最佳行進路線。本作品將掃地機改成圓盤,假定其以彈性碰撞運動方式行走於矩形區域內,並利用對稱路徑的方式推導出圓盤在不同形狀的區域以不同角度及位置出發的覆蓋面積公式,藉此探討其行進路徑及覆蓋面積;此外,我們為避免路徑重疊而推導出對出發斜率的限制。最後,我們分析數據以瞭解實際運作的情形,從數據中發現,面積覆蓋率和出發角度並沒有絕對關係,而是與碰撞次數關係密切,這樣的結果令人有些出乎意料,卻進一步讓我們瞭解真正影響面積覆蓋率的因子。然而,我們知道面積覆蓋率與運作效能不可兼得,於是我們對這部分做了探討,試圖找出令人滿意的行進路線。

魔豆連連看

抽芽遊戲是由兩人在紙上的點輪流連線,最後一個連線的人就勝利了,我們的研究首先尋找抽芽遊戲的規則,跳脫求勝的策略,將步數與塊數的最大與最小範圍找出來;接下來改變抽芽遊戲的玩法,研究連線數與方法,同時將玩法推展為四面體的遊戲,尋找遊戲的規律。

mxn硬幣翻轉還原之數列化研究

我們從硬幣直線翻轉(原為柱體翻轉)做研究,根據遊戲規則(見p.1),得出對於s枚硬幣經過一次大翻轉的位置變換關係:(1)當x為偶數,則f(x)=1/2*x (2)當x為奇數,則 f(x)=1/2*[(2s+1)-X] 其中:x為原位置,f(x)為新位置。接著,利用上述的變換關係,發展出我們的創意解法---「鏈」(見p.7),並研究出鏈的相關性質,利用其中的性質,解出直線翻轉的完美歸位通式:2l≡±1(mod 2s+1) ,其中l為主鏈長度,並從通式中再延伸出更多性質。最後,我們將直線翻轉研究結果擴展到平面翻轉(見p.14),並發現平面翻轉完美歸位與兩方程式有關,即lny-lmx=0,lny-lmx=1,其中ln,lm分別表示行、列的主鏈長度。進一步,利用相關性質導出平面翻轉第一次完美歸位之通式。

三角形周長等分線的作圖與數量分佈

從基測的一個題目開始,過三角形頂點作出周長等分線,發現三條過頂點的周長等分線交於一點。再把指定通過的點 P,換成三角形邊上任意一點,畫出過 P 點的周長等分線,在眾多周長等分線中,我們發現了一條特殊的周長等分線,其他的周長等分線,中點皆落在此特殊周長等分線上,在文中,我們稱之為基本等周線。後來我們將 P 點改為任意指定的一點,作出過 P 點的周長等分線。我們找到了一個類似三角形的曲線區域,在文中稱為包絡區,當P 點在包絡區內部可繪出三條周長等分線,在這個區域的外部,只能作出一條周長等分線。