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數學

探討「互相牽制」中整除問題的整數解

在這篇作品中,探討科學研習月刊中森棚教官的數學題-「互相牽制」的整除問題,此問題是指「你可以找到多少組正整數對(x, y),讓x的平方減5為y的倍數且y的平方減5為x的倍數?」。我們除了探討原問題之外,也探討將5改為任意整數 l 的情況,我們要刻畫滿足 y | x2- l 且 x | y2- l 的所有整數解(x, y)。 首先建構生成另一組整數解的方法且推導出在 (x2+y2-l) / xy 為整數的條件下生成另一組整數解的方法。在 (x2+y2-l) /xy 為整數的條件下,可利用二階齊次線性遞迴數列及二次曲線刻畫滿足 y | x2 - l 且 x | y2- l 的所有整數解(x, y)。當上述條件不成立時,利用二次曲線試圖刻畫滿足 y | x2 且 x | y2 的所有整數解(x, y),進一步推導出在特定條件下,可利用二次曲線刻畫滿足 y | x2且 x | y2的所有整數解(x, y)。

排排相扣—2341和3421 – avoiding 交替排列的組合關係探討

abcd–avoiding交替排列中的任⼀偶數項都要⼤於相鄰之奇數項,且其中任意四項皆不能有「abcd」的大小關係(「abcd」為 1 ~ 4 的⼀種排序),⽽偶數⾧度的 2341 和 3421–avoiding 交替排列皆為三維卡特蘭數的組合表徵。 本研究欲探討這兩種交替排列的組合關係以及可能的互相變換⽅法,我們發現兩種排列中「數字 1 在各項出現次數」有相同的分佈。我們推測可以透過移動數字 1 的位置在兩種排列中分別建⽴不同排列之間的對應的關係,並找到了兩種排列中部分的「數字 1 在第(2𝑘 − 1) 項」排列和全部的「數字 1 在第 (2𝑘 + 1) 項」排列互相變換的⽅法。利用這種排列關係,我們還證明了「數字 1 在第 (2𝑛 − 1) 項」的 2341 和 3421 – avoiding 交替排列具有一一對應的雙射變換法。

無限棋盤上的各種騎士

騎士巡遊是一個著名的圖論問題,指的是給定一特定大小的棋盤,讓騎士透過日字型移動看是否能不重複的通過每一個點,若最後回到原點,則稱為哈密頓迴圈(閉循環),若否,則為哈密頓路徑(開循環)。而這兩種問題前人都已經研究出了成立條件,因此我決定研究當騎士不再透過日字型的移動會發生什麼事,並探討能否透過特定移動方式,讓騎士能夠在無限大的棋盤上,不重複的通過每個格子點形成開循環。 而我的想法是先透過尋找騎士能走出來的單位圖形(矩形等能夠拼接成無限大平面的圖案),如此,我的目標是著重在找出他們的單位圖形並想辦法拼接。

Wi-Fi收訊範圍—三角形覆蓋圓面積之探討

本研究在探討「利用數個半徑不相等的圓,完全覆蓋三角形所需的圓面積總和之最小值」,其最小值以三角形的邊長、角度及外接圓半徑去作表示。 首先,我們討論利用1、2、3 個圓去覆蓋三角形,並分銳角、直角、鈍角三角形做分類,有完整的結果。並且在銳角及直角三角形中,發現有相似的結論。 再者,用多個圓覆蓋時,我們以特殊樣式去作排列,歸納出最小值的規律,並連結「雙曲函數」與覆蓋圓面積和之間的關係。 最後,我們研究覆蓋圓面積和與三角形面積的比值及其最小值,並討論覆蓋圓圓心之連心線的相關性質。

Wi-Fi收訊範圍—三角形覆蓋圓面積之探討

本研究在探討「利用數個半徑不相等的圓,完全覆蓋三角形所需的圓面積總和之最小值」,其最小值以三角形的邊長、角度及外接圓半徑去作表示。 首先,我們討論利用1、2、3 個圓去覆蓋三角形,並分銳角、直角、鈍角三角形做分類,有完整的結果。並且在銳角及直角三角形中,發現有相似的結論。 再者,用多個圓覆蓋時,我們以特殊樣式去作排列,歸納出最小值的規律,並連結「雙曲函數」與覆蓋圓面積和之間的關係。 最後,我們研究覆蓋圓面積和與三角形面積的比值及其最小值,並討論覆蓋圓圓心之連心線的相關性質。

從心開始-三角形的四心到各邊距離和

此研究討論三角形𝐴𝐵𝐶的外心、重心、垂心、內心到三邊之距離,並依銳角、直角及鈍角三角形,去比較各距離總和之大小關係及相互之間的關聯性。其主要結果為: 1.用外接圓半徑𝑅及∠𝐴,∠𝐵,∠𝐶表示各心到三邊之距離。 2.設外心、重心、垂心、內心到三邊之距離總和依序為𝑑1, 𝑑2, 𝑑3, 𝑑4 ,其大小關係為: (1)在銳角∆中,𝑑1 ≥ 𝑑2 ≥ 𝑑4 ≥ 𝑑3,僅當正∆ 時,等號成立。 (2)在直角∆中,𝑑1 > 𝑑2 > 𝑑4 > 𝑑3。 (3)在鈍角∆中,𝑑1 > 𝑑2 > 𝑑4 恆成立。𝑑3與𝑑1、𝑑2、𝑑4比較,並無絕對關係,但在等腰鈍角∆,我們給出其大小順序的臨界值。 (4)在鈍角∆中,若最大內角≥ 120° ,則𝑑3 > 𝑑1 > 𝑑2 > 𝑑4。 3.在銳角∆ 及直角∆ 中,等式𝑑2=2/3 𝑑1+1/3 𝑑3和 𝑑2+1/3 𝑑1-1/3 𝑑3-1/3 𝑑4 = 𝑅 恆成立。

神秘的數字圓舞曲 - 探討質數環排列的存在性

如果正整數1~n存在環狀排列,使得相鄰的數字和皆為質數,則將其定義為質數環。 本研究主要使用不同方法探討質數環的存在性。在本研究與文獻中,都沒有寫出質數環通式的方法,因此我藉由孿生質數、類孿生質數、一般質數(相差不固定的質數組)等方法,構造特定值的質數環,並使用程式驗證各定理在有限範圍能構造出質數環的整數個數、比例。 本研究的貢獻之一在於發展出類孿生質數構造質數環的方法,我突破質數對相差變大會比較難找出數字關係的框架,延伸孿生質數的方法至類孿生質數,還結合一對孿生質數與一對相差四的質數以構造質數環。 更進一步地,本研究提出使用不限定差的質數組構造質數環的方法,擺脫孿生質數猜想,使這個問題的解決方法更一般化。

任意進位制下計數問題的公式解

對於任意正整數m和大於1的正整數p,將集合{m,m+1,...,pm-1}中的每一個元素用p進位制表示。令h為介在1到p-1的正整數,將上述集合在p進位制下有i個h的元素個數記為fh,i(m,p)。本文引進一個創新的想法,讓函數 fh,i(m,p)公式解的推導變得可行且簡單。 再者,當 p=2 時,令 fi(m)= f1,i(m,2),由公式解可以推得對怎樣的正整數n,原像集合the preimage fi-1({n})之元素個數為1。

Expected edge number of closed walks in a simple graph

對於一個連通簡單圖G,由點v作為出發點,每次皆以機率均等的原則選擇一條邊移動,在點跟邊都可以重複使用的情況下,移動的過程將依序形成一條道路,當第一次走回v時,則形成特殊的封閉道路,本文的研究是探討這種特殊封閉道路的邊數期望值。考量移動的過程中能否立即回頭,我將問題區分為兩種類型的期望值,利用矩陣解聯立方程組的概念,提供了演算法來求解。此外,我也進一步探討兩個期望值之間的相關性,並利用圖的總邊數以及點度數來刻畫期望值。我亦試著修改機率均等的原則,將選擇邊的機率一般化,探討期望值的特殊性質,從中刻畫出充分必要條件。

多「圓」文化的延伸——Japanese Temple Geometry Problem

本作品靈感來自於算額(Sangaku),Sangaku中的其中一篇文獻是將一三角形的三頂點各分割出兩三角形,本研究將其延伸至於任意三角形各邊上取點 L、M、N兩兩連線段進行討論。在任意△ABC中,L、M、N分別為̅BC、̅AB、̅AC上一點,若△AMN、△BML、△CLN之內切圓半徑相等,則△ABC內切圓半徑等於△LMN內切圓半徑加三等圓半徑。此外,本研究透過代數計算,成功計算出任意△ABC各邊上三點L、M、N的位置,最後也成功計算在任意△ABC之前提下,三等圓半徑(r)的上界。