全國中小學科展

數學科

物換星移 折折稱奇

本研究利用幾何和代數的方法配合Corel Draw 繪圖軟體突破一般探索星形內角和公式的範圍,從直線星形延伸探討至折線星形。另外,使用GSP 繪製星形,用以呈現折線星形的動態漸變過程,且驗證公式的正確性。主要的研究流程及結果如下:1. 直線星形種類:首先,利用正N 邊形的外框,固定相隔L 點連線即可完成星形。經推理和實際連線的結果,最多可連出[(N-3)/2]種。2. 探討直線星形內角和的一般性公式:無論星形內部的層數存在與否,可證得任意N(L)星形內角和公式為S(N,L)=(N-2L-2)×180°。3探討折線星形的一般內角和公式:當星線為一個折點時,任意N? (L)折線星形內角和為S?(N, L)=Q? (N, L)-(2L+2)×180°,其中Q? (N, L)是折角總和。4. 在一個折點,且折角均相等的條件下,正N? (L,K)折線星形內角和為S?(N, L,K)=(NK-2L-2)×180°。其K 值的變化範圍(2L+2)/N ?K? 1+2(L-[L/2])/2,星形變化的範圍為正N 條放射線至正N([L/2] )直線星形之間,在這個變化的範圍中除了包含了不同層的直線星形([(N-3)/2]- [L/2]+1 種)外,層與層之間尚存在無窮多個星形。5. 當折線星形具 M 個折點時,一般的星形內角和為S?(N, L,M)=(N(1-M)-2L-2)×180°+ Q? (N, L,M) ;而當M 個折角均相等時,正N? (L,K,M) 星形內角和為S?(N, L,K,M)={N[MK-(M-1)]-2L-2}×180°。

星星的禮物

約在5000年以前美索不達米亞地方,有一群巴比倫尼亞的牧羊人過著逐草而居的游牧生活。他們在牧羊的流浪生活中,每天觀察閃爍在夜空中的星星,久而久之,就從星星的動態中看出了很有規則的時刻與季節的變化。 他們將較亮的星星互相連接,並從連接而成的形狀去聯想各種動物、用具或甚至他們所信仰的神像等,並為它們取名,於是創造了所謂的星座。 在三維的宇宙中,處於同一星座的恆星,在多數情況都是沒有甚麼關係的,它們只是剛好在同一視線,而其實它們之間可能相距很遠──「如果我們身處銀河中另一太陽系,我們看到的星空將會完全不同。」 為了實現這個假設,我們透過國小高年級的課程中所運用的星座盤為起點,試著利用數學的理論,以數學軟體Geogebra做出一個立體星座盤的基礎模型。我們依下列的過程完成我們的科展: 1. 以向量來表示平面的點坐標。 2. 建立一個動態的平面直角坐標軸。 3. 利用動態的平面坐標進行作圖。 4. 將平面直角坐標系推廣,建立空間中的直角坐標軸。 5. 利用投影的原理,建立以螢幕的呈現為主的動態三維直角坐標。 6. 利用搜集到的資訊,建立立體的星座模型。 7. 利用圓的參數式,做出一個天球。

幻方研究

在學校中閱讀趣味數學書籍時,對於其中幻方(魔術方陣)特殊的性質,感到十分有興趣,於是便做了以下的研究。

費曼怪數?!

83 年 4 月 16 日聯合報副刊,登了一篇陳之藩教授發表的成功湖邊散記之四一(令人失眼的數),文章中介紹令費曼大師抱恨以終的怪數 1 / 243 =0.004,115,226,337,448,559 ……並呼籲中小學的同學們加以思考,看規律有什麼演變?

小威能!我更能!

有一天.我最喜歡的卡通節目“北海小英雄”所開播的故事是有一位江湖客和水手們玩抓寶遊戲,結果水手們輸光了身上的錢。小威看了,心裹很不服氣,他想了整個晚上,突然大叫一聲說:「有了!」第二天,他終於贏了江湖客。看完了卡通,我心裹一直不明白“小威調底用什麼方法嬴了江湖客呢?於是到學校和幾位同學研究.大家也有相同的疑問,引起我們研究的興趣!老師聽了就指導我們進行下列的研究。

三角形的剪裁

在中國數學雜誌八卷二期( Chinese Journal of Mathematics volum 8, Number2 , Jun 1980)有篇朱建正、黃振芳所作”三角形的剪裁” ( "On Trimming A Triangle " )。內容是要證明以下的猜側:定義:剪裁給定一個三角形,固定其兩頂點,而將另一頂點沿三角形的邊向某一固定頂點移動,而得出一較小的三角形,這樣的程序稱為一個剪裁。下一個剪裁則從此較小的三角形出發。 Goodman 的猜測:由 △ ABC經有限多次剪裁成之 △ A'B'C',必可由 7 次以下之剪裁使 A 變到 A', B 變到B',C 變到 C'。實際上,朱、黃所證,僅是沒有“記號”的情形,至於有記號 的情形,卻從略不提。我試於後文提出一反例,說明朱、黃的解法何以無法解決有記號的情形。藉著電子計算機之助,我對此猜測的所有情形作了驗證,證實往考慮記號的情形下此一猜測為真。根據朱教授表示,原問題係他於 1978 年赴英參加數學會議時,一數學家 Coodman 所提出。

數數牙籤組合中的圖形

有一天,我看見弟妹在排牙籤,覺得很好玩!弟弟回頭問我說:「姊!妳猜這兩個圖形是用多少根牙籤排成的?它們所組成的大小正三角形、大小正方形的個數各有多少個?」 這一問,竟把我問傻了,後來覺得它相當有趣,上學時就和老師同學們開始研究這有趣的牙籤組合。

當「月曆縱橫刪」遇上「八皇后棋」

在月曆上任意圈選出一塊4x4的方陣,並在方陣內任選一個數字,將跟此數位在同一行、同一列的其它數字刪除掉,繼續重複一樣的工作,直到4x4的方陣的各行各列都只剩下一個數字,觀察後發現縱橫刪後的四數和等於四角數和。研究過程中,我們發現「八皇后棋」的遊戲方式和「縱橫刪」有異曲同工之妙,將「八皇后棋」與「縱橫刪」的遊戲結合後,發現縱橫斜刪後的八數和均等於四角數和x(8/4)。我們利用符號將縱橫刪的所有可能列舉計算後證明:只要橫列與縱列均為等差數列的nxn方陣,其縱橫刪後的n數和均等於四角數和x(n/4)。另外,我們也延伸思考出一些與「縱橫刪」、「八皇后棋」相關的數學遊戲,希望將來更能研究出結合其他遊戲的「縱橫刪」新玩法。

方格內的數字和

本研究是以環球城市數學競賽2000 秋季賽國中組初級卷4×4 方格的填格問題,尋找解答,試圖從解題過程中,發現填格的規則,進而延伸應用至N×N 方格。研究分析,方格內的空格可分成四個角落位置(只有2 個相鄰的方格)、邊緣位置(有3 個相鄰的方格)以及內側方格位置(有4 個相鄰的方格)三類,進而運用 這 三 種 圖 形 來尋求出填格規律。研究結果顯示,在N×N 的方格中,當N 為奇數時,無法找到覆蓋方式;而當N 是偶數時,可以找到覆蓋的方式,並進一步分析研究,當方格是N×N=(4T)×(4T)時,數字總和為4K2+2K,當方格N×N=(4T+2)×(4T+2)時,數字總和為4K2+6K+2;同時觀察所繪製的解圖,無論是(4T)×(4T)或(4T+2)×(4T+2)類型,均是為左右對稱的圖形,除了可應用所推得的公式來求解之外,亦可直接迅速繪製這二類的解圖,以解決題意。

現在幾「點」了—探討多角數、多面體數之通式

本作品主要是探討多角數(或多邊形數)的一般式及關係式,並將其從平面推廣至立體。在本作品中,本組先以幾何的方式依序定義了三角數、四角數以及五角數並分別介紹了它們的一般式;接著,本組定義了k角數(k=3,4,5,...)並求得第n個k角數的一般式;然後,透過觀察四種k角數(k=3,4,5,...)的數列,我們得到並證明了一些有趣的關係式,如:連續兩項三角數的和為一個四角數等;而這些關係式除了可以透過k角數的一般式獲得驗證(即代數證明),我們也提供了幾何證明。最後,本組將平面上的 角數以不同的方式推廣至立體的多面體數,即第一型多面體數、第二型多面體數及多角錐數,並分別求得它們的一般式及相關性質,這個過程也讓本組意外地接觸了「正多面體」及「錐體」。