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數學科

精打細算

本研究旨在探討圓錐表面積與圓錐體積的關係,期能找到最佳圓心角,使得不浪費紙板材料(圓錐表面積)的情況下,可以得到最大的圓錐體積。本結果之應用可以提供圓錐甜筒、圓錐型帳篷、漏斗等產品製造商的參考,在節省材料以及經濟效益的考慮前提下,建議製造圓錐造型廠商可以針對不同的考量,選擇圓心角的角度介於 222 度和 294 度之間。

翻翻相連──翻杯問題任意狀態到任意狀態的連通與路徑探析

此作品研究「若有m個杯子,其中t1個杯子朝上,每次翻轉n個杯子,討論m、n在何條件下,可將m個杯子翻成t2個杯子朝上,且最少翻轉次數為何?其翻轉過程又為何?是否有漢米爾頓路徑及迴路?」我們用數學歸納法和奇、偶數的特性來解決此問題,當翻轉杯數為奇數時,不管原有杯數為何,每個狀態均可翻到且互通;但翻轉杯數為偶數時,其情形則分兩類:杯子朝上的個數為奇數者屬一類,偶數者為另一類,同類可互通,不同類即不互通。而探討最少次數的作法則有別於其他研究,我們把問題轉換成狀態圖,來尋找最短路徑及翻轉流程,且探討此圖是否有Hamiltonian Cycle或Hamiltonian path。此外,我們亦用矩陣討論當翻轉次數固定時,可看出某狀態至某狀態可互通,並可計算其方法數。

平方和問題的一些探討

在直角三角形中,最重要的性質就是畢氏定理 x2+ y2= z2,當x,y,z都是整數時,這種解有那些?這是平方和的最基本問題,這個問題,在數論上早已經解決了,並且證出了許多美 好的結果。這類問題令人質疑又令人感與趣的就是Fermat 最後問題"當 n≧ 3 時,方程式x2+y2=z2有沒有正整數解?"

生生不息

電視上廣告時常出現台灣區人口問題家庭計劃展覽會上的指示,目前台灣人口增加每小時出生4-8人,平均每平方公里有492人,=高居世界第二位,這個數目實在驚人,有鑑於此,我們利用數學平均值問題在基隆市信義區深澳坑一帶展開抽樣調查,將結果以平均值表示出來,以配合家庭計劃中心加強推行家庭計劃,配合國策,以期增進國民健康及接受良好教育。

天旋地轉─旋轉盤好好玩

旋轉盤是一種操作簡單又好玩的益智遊戲。利用對稱與旋轉的原理,測驗一個人的空間位置轉換概念。 本研究藉著一步步推理,希望找出它的規律性,首先定義角度、方向、不同玩法模式,以利分析歸納。我們先從簡單的模式開始尋求規律,發現角度和及位置和有固定的數值,進一步研究較複雜的模式,尋求它們的相關性。發現不管左右轉、上下轉,甚至斜著轉,其實答案都相同。 再以單一模式的轉動,對答案的變化來分析,發現答案受兩種因素的影響,一個因素是線對稱〈鏡射對稱〉Y=-X。另一個因素是起始點的角度差。最後我們歸納出答案的公式:Y=-X+(Y0-X0)。這個公式符合所有模式。 在實際操作上,經由公式分析,發現一個快速的解題方法:以角度夾角中線為對稱軸,找反向的對稱圖案方向即可。 最後,我們將發現的規律,找同年級的同學做測驗,發現同學答對率有明顯提高。為了增加趣味性及合成各種模式,我們也設計一些相關的玩具。

圓錐曲線的推廣

從圓錐曲線作圖出發,放寬條件產生新圖形並研究其性質。設圓O的半徑為a ,點F 坐標為(k , 0),Q在圓O上,R在 上滿足=t(t?R)〈其中FR 及FQ 表有向線段〉,若直線L過點R與 垂直並與交於點P ,當Q 在圓O上移動時,用極座標推導動點P 方程式, F 點在圓內,t=1/2 時為橢圓; F 點在圓外, t=1/2 時為雙曲線。稱F 點在圓內為E 型曲線為封閉曲線;稱F 點在圓外為H 型曲線為開放曲線。仿圓錐曲線令擬離心率e 為 k / a 。兩曲線e 值相同時有相似性, 以討論圖形。 旋轉直線L , 使過點R 與交於P , 用極座標推導動點P 方程式,當csco ≧時可為開放圖形,稱F 點在圓內為E' 型曲線,在圓外為H' 型曲線。 拋物線仿橢圓作法,將中垂線作圖改為t 比值,改變後圖形仍為拋物線,方程式為 (1-t)y2 - kx + (1-t)k2 = 0 。旋轉後, 拋物線變為雙曲線, 方程式為 (1-t)y2 + cotoxy - kx + (1-t)k2 = 0 。

凡走過必留下痕跡

在此作品”凡走過必留下痕跡”中,我們探討了任意三角形的重心G與其對各邊對稱所得到的三點G1,G2,G3形成的軌跡。使三角形二頂點固定,一頂點於單位圓上繞行,並探討重心G,G1,G2,G3這些點形成的軌跡。我們發現了許多有趣的性質,在這些軌跡中我們找出了近似於蚶線、心臟線、類似彎月等各種奇妙的現象,我們深感有趣,因此繼續深入探討下發現了許多有趣的結論。

三角梅花五面開

2004年DragutinSvrtan,DarkoVeljanandVladimirVolenec三位教授在math.MG上發表了一篇文章,內容提到18世紀的幾何學家Monge將Ptolemy定理延伸到一般的五邊形,而Gauss則利用這個結果證明了一個鮮為人知的有趣定理—“高斯五邊形定理”,其內容是在說明如何從一個五邊形的”部份面積”算出”整體面積”。此結果經由許志農教授重新編寫在《算術講義》第19講中,同時也提出了一些新的問題。我們則在這篇文章中解決了之前留下來的問題,同時也發現了另一個與高斯五邊形定理等價且形式相似的結果—內五邊形定理,再利用之前的文獻和本篇文章的結果便能證明了以下定理的等價關係: Ptolemy定理≡和角公式 ‖‖ Monge公式 ‖‖ 高斯五邊形定理≡內五邊形定理

論正2n邊形與一點決定的三角形面積比

本次研究的靈感來自於能力競賽中,一道證明由六邊形內部一點P所導致的面積比值為1的問題(詳見第3頁)。這份報告主要的目的,在探討推廣到正2n邊形內部時的情況,並求出將P點移至外部時任一點的面積比值。 這次研究利用GSP協助了解圖形的性質,並善用解析幾何和輔助線作圖。報告中的許多證明,可以用「各個三角形的高相加」的觀念搭配三角函數運算做出結論。 文中結果顯示,除了證明:當P點在正2n邊形內部時,必滿足面積比值為1外,並提供了當P點在正2n邊形外部時,面積比值的各種可能性。其證明方法,可作為解決正2n邊形面積問題的重要參考。

完美三角形知多少

班際籃球賽期間,我走到體育組前面的佈告欄,看到籃球賽程有 12 隊參加,在比賽中有: a 隊勝 b 隊、 b 隊勝 c 隊、 c 隊勝 a 隊,此種和局情況。我知道:若 12 個相異點中任三點不共線,兩兩連線有(12×11×10)/(3×2×1)個 △ 。但我想到:若以 1 ~ n 表各隊參賽名稱及點的編號,並定義「 p→q 」表第 p 隊勝第 q 隊,則三隊和局情況可以b>c" src="/ezfiles/4/1004/img/13/4.jpg" /> 或c>b" src="/ezfiles/4/1004/img/13/5.jpg" /> 表示,我們稱此為「完美三角形」。那麼在這定義下,若有 n 個隊伍舉辦了單循環賽,那麼形成完美 △ 個數之範圍為何?於是就展開了我的研究之旅。