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數學

Forming Polygons with Broken Pick-up Chocolate Bars and Spaghetti Noodles

”The broken pick-up sticks problem” is proposed by T. Kyle Petersen and Bridget Eileen Tenner in 2020. We solve the problem by considering the discrete version using random variables, and the limit behaviour of the discrete version gives us a combinatorial solution to the original problem. We also evaluate the probabilities of the triangles formed by the broken/pick-up sticks satisfying some specific geometric conditions with various techniques, including calculus and elementary number theory.

坐標平面上△尤拉線的操弄探討

本文先針對直線L和三定點A、B(線外)、P(線上),探討△ABP的尤拉線平行(AB) ⃡的公式,透過函數凹性判定和對函數最小值N和3的比較,提供是否有解的依據,並找到了漂亮的判斷公式4ab/h^2 。接著在確定尤拉線平行(AP) ⃡、(BP) ⃡的存在性及解的公式後,發現最多有三解。 對於前文的P點,作者利用先前發現的一系列定理,設計了能以尺規作圖達成△ABP的尤拉線平行(AB) ⃡、(AP) ⃡、(BP) ⃡的兩條直線,當在那兩條線上分別取A點和B點之後,可用尺規作圖找到P點,甚是有趣。 針對首段P點,兩平行線,尤拉線和△各邊,交角可作為0°,作者推廣至△ABP的尤拉線與¯AB達成交角為指定角的方法。 在探討藉多邊形各邊與分割點連接的子△中,作者發現任意三角形不存在能使各子△尤拉線平行原多邊形與其共用邊的分割點P;但四邊形、五邊形可能存在符合此條件的分割點P,且能利用前文定理創造出這樣的多邊形。

原始畢氏數組數與質數分布關係之探討

本研究從原始畢氏數組數函數探討質數在整數間的分布密度,我利用質因數個數、通式、座標軸上面積導出原始畢氏數組數函數(最小數字不大於自變數的原始畢氏數組數,我視(A,B,C)和(B,A,C)為相同的原始畢氏數),參考其他文獻之後,我得到組數函數可以寫成以下形式:f(x)=c∙x∙ln⁡x+O(x)c∈R ,此推測將在此研究中進行證明。因此我可以依此計算π函數近似值,在進行初步計算後,我亦利用差分法算出較為準確的c值,並以此c值估算更為準確的π函數近似值。

歐德斯-史特勞斯猜想之探討

歐德斯—史特勞斯猜想又稱為 4/n 問題,其內容為對於所有正整數n皆滿足 4/n=1/a+1/b+1/c ,其中a, b, c為正整數。於19世紀提出並在當代引起討論熱潮,至今此問題仍沒有完善的證明方法。經過查閱文獻資料後,我們發現他人研究重點著眼於如何將正整數n以同餘分類,且並未獲得一個系統性的研究結論。研究內容多執著於如何解決此猜想而非探討問題本身的規律性及各項性質。 此外,他人研究少有討論正整數n的解數者。因此本研究將方向設定在n, a, b, c的可行解數量。透過特例解切入n, a, b, c的表示方式,使問題簡化而較易於討論。以求對證明此猜想有所貢獻。

Reduction of traffic congestion in España Boulevard using graph theory

There have been numerous studies exploring the applications of graph theory in traffic management, often finding ways to reduce traffic congestion and make traveling more efficient. Such studies will be beneficial when applied to heavily congested areas such as España Boulevard, one of the busiest thoroughfares in Manila. This paper aimed tooptimize the road map of España Boulevard using graph theory. The current road map of España Boulevard was represented as a directed graphand subjected to the mutation method of edge removal, wherein an edge isremoved in each mutation based on a computed fitness function, F(G),which depicts better efficiency at lower values. Edges were removed until the graph got disconnected, which was tested using the Floyd-Warshall algorithm. The 28th mutation resulted in a minimum F(G) value of 144.4; this is a 50.18% decrease from the F(G) of the original graph, which is 290. After the 28th mutation, the removals resulted in an increase in the F(G). As a result, the final mutation resulted in an F(G) of 311.89, which characterized a less efficient graph. This study was able to apply graph theory concepts to optimize the España Boulevard road map using the mutation method, minimizing its F(G) by at most 50.18%. For future studies, the practicality of the alternate road map may be tested in simulations to examine its efficiency when other factors, such as traffic volume, are introduced.

婆羅摩笈多定理推廣至圓錐曲線內接多邊形中之探討

圓內接四邊形有一個幾何定理:若圓內接四邊形的兩對角線相互垂直,則連接對角線交點與一邊垂足點的連線過對邊的中點,稱為婆羅摩笈多定理。 我們嘗試將圓內接四邊形推廣至圓內接多邊形的情形,定義其多邊形中若滿足對邊建構原則:「連接兩垂直對角線交點與一邊垂足點的連線過對邊的中點,同時連接同一邊中點的連線垂直於對邊」,則稱此多邊形為婆羅摩笈多多邊形,簡稱B-多邊形。另外定義在圓內接多邊形中,兩相互不垂直的對角線交點若滿足對邊建構原則,則稱為特定多邊形。 本作品中,深入探討婆羅摩笈多定理推廣至圓錐曲線內接四邊形的情形,先推導出圓錐曲線內接正方形的建構條件,顯然此正方形必為B-正方形,此曲線包含七種。接著利用直徑性質推導出拋物線內接四邊形作圖,進而推導出圓錐曲線內接四邊形的二種建構條件,此曲線包含十一種。

距離便是美—多維空間的支配數之討論

本研究保持社交距離為發想,探討從一維到多維空間的支配數。我們從使得三個同色單位方格不相連的二維情況,拓展至m個同色單位方格不相連的一維、二維、三維情況。本研究從The Domination Number of Grids這篇論文中汲取靈感,其中”Domination Number”也是「支配數」此名詞的由來。我們定義L_nt={(x_1,x_2,…,x_n)|x_1+x_2+⋯+x_n≡t (mod m),x_1∈[1,l_1 ],x_2∈[1,l_2 ],……,x_n∈[1,l_n ]},此處的l_n是邊長。對於一維情形的任意m,其支配數|A_1m |=⌊l_1/m⌋;對於二維情形且m=3時,我們經由列舉和畫圖證明其支配數|A_2 |=⌊(l_1 l_2)/3⌋。同樣的二維和三維情況在m=任意數時的支配數也可求得,不過在此我們改變了研究的方法,我們應用集合與同餘進行運算,除了減少窮舉將花費的時間,也可一次討論m=任意數的情況。

糖果傳遞問題之研究與推廣

n個人圍成一圈,面向圓心,且逆時針編號1,2,……,n。一開始每人手中有一個糖果,由1號開始,逆時針分別給右邊的人一個、兩個、一個、兩個……糖果,手上沒有糖果的人必須退出。我們將此傳遞規則定義為T_1,2,同理T_(1,2⋯,p)。這個傳遞遊戲,最終會有兩種情形,第一種是由一人獨得所有糖果(成功狀態),第二種是數人間傳遞糖果且形成循環(循環狀態)。 研究後得知,在傳遞規則T_(1,2⋯,p) (p≥2)下,若p=〖p_1〗^(α_1 ) 〖p_2〗^(α_2 )⋯〖p_i〗^(α_i )⋯〖p_j〗^(α_j ) ( 為p的相異質因數),任意的n值(n≥p+1)均可唯一表示成n=(p)^t×(〖p_1〗^(s_1 ) 〖p_2〗^(s_2 )⋯〖p_i〗^(s_i )⋅m)+q (t,m∈N, p ∤〖p_1〗^(s_1 ) 〖p_2〗^(s_2 )⋯〖p_i〗^(s_i ), (m,p)=1, q=1,2,⋯,p),令S=(p^t (p-q)+(pq-1))/(p-1)+R⋅p^t,則當m=1時,最終為成功狀態,且獨得糖果者的初始編號為S;當m≥2時,最終為循環狀態,且由m人循環傳遞糖果,而此m人的初始編號是S, S+p^t 〖p_1〗^(s_1 ) 〖p_2〗^(s_2 )⋯〖p_i〗^(s_i ), ⋯⋯ , S+(m-1)⋅p^t 〖p_1〗^(s_1 ) 〖p_2〗^(s_2 )⋯〖p_i〗^(s_i )。上述公式中的R值,可透過我們研究出來的「R值迭代法」求得。更進一步,我們也找出達到成功狀態或循環狀態的最小傳遞數。

半正鑲嵌圖形中的捷徑問題

本研究從在方格棋盤中走捷徑的問題出發,推廣至由多個相異正多邊形所組成的半正鑲嵌圖形棋盤,其沿格線走捷徑的方法數與最短路徑。研究中,我們針對所有8種1律半正鑲嵌圖形進行分類探討,包括截半六邊形、截角六邊形、扭稜六邊形、小斜方截半六邊形、大斜方截半六邊形、扭稜正方形、異扭稜正方形、截角正方形圖形。我們將每種棋盤進行「轉正」,使它對應於唯一的矩形棋盤,達到「捷徑同構」,因而原本半正鑲嵌圖中的捷徑問題就等價於方格棋盤的捷徑問題。我們將走捷徑方法數的通解分類,發現有組合數類、以及階差與指數混合兩大類,並分析康威表示法與通解的關係。

複數平面解析應用-探討旋轉三角形對西姆松線交點軌跡之影響

在三角形的外接圓上取一點,作其對三角形三邊的垂足,此時這三個垂足會共線,稱為西姆松線。本研究主要探討的問題為:當三角形以其外心旋轉 時 (我們稱之為對徑三角形),將此外接圓上一動點P對兩對徑三角形分別做西姆松線,我們想研究當P點在外接圓上轉動時,兩西姆松線的交點軌跡為何。我們將西姆松線放在複數平面上來分析,這兩條西姆松線會互相垂直,並且它們的交點軌跡為一橢圓。此橢圓會相切於兩對徑三角形的六條邊,因此我們將此橢圓稱作這兩對徑三角形的「六點橢圓」,並探討這個橢圓的性質。