全國中小學科展

2024年

格子點的可見性研究

本文的主要結果有兩部分,第一部分,對於固定的𝑏 ∈ 𝑁以原點 O為觀測點,𝑓(𝑥) = 𝑎𝑥𝑏, 𝑎 ∈ 𝑄為觀測視線,觀測目標為格子點陣列𝑉(𝑚) = {(𝑖, 𝑗)|𝑖, 𝑗 ∈ 𝑁, 1 ≤ 𝑖 ≤ 𝑚, 1 ≤ 𝑗 ≤ 𝑚 },研究其中可見點的數量與機率。我們發現可見點的數量與歐拉函數及默比烏斯函數有關,可見點的機率也與黎曼𝑧𝑒𝑡𝑎函數具有關聯性。第二部分,對於固定的𝑏 ∈ 𝑁,我們在 𝑥軸與𝑦 軸上布置觀測點,以布置的觀測點為新原點,𝑓(𝑥) = 𝑎𝑥𝑏, 𝑎 ∈ 𝑄為觀測視線,研究將目標點集𝑉(𝑚 × 𝑛) = {(𝑖, 𝑗)|𝑖, 𝑗 ∈ 𝑁, 1 ≤ 𝑖 ≤ 𝑚}完整觀測的布點方法與數量。得到重要成果如下,設正整數𝑚 ≥ 6且𝑇 ⊂ {1, … , 𝑚 + 1}為一個 𝐹(𝑚) −覆蓋,𝑟為大於𝑚的最小質數,對於目標點集𝑉(𝑚 × 𝑛),建構觀測點集 𝑆2 = {(0, 0), (0, 𝑟)}∪{(𝑡, 0) | 𝑡 ∈ 𝑇},則 𝑉(𝑚 × 𝑛)為𝑆2 −可見。並進一步研究將目標點集改為𝑉(𝑛 × 𝑚) = {(𝑖, 𝑗)|𝑖, 𝑗 ∈ 𝑁, 1 ≤ 𝑗 ≤ 𝑚},發現其所需要的觀測點數可顯著減少。

Candy Can遞 Can遞

n個人面向圓心圍成一圈,順時針編號1, 2,..., n。初始每人手中皆持有一顆糖果,由 1 號開始依序傳給左邊的人一顆、兩顆、一顆、兩顆……糖果,手上沒有糖果的人必須立即退 出,直到不再有人退出。本研究主要探討此種糖果傳遞遊戲之最終結果,研究後發現僅分為由一人獨得之成功狀態,以及數人間循環傳遞之循環狀態,因此針對達成成功和循環狀態的充要條件、勝利者的初始編號、最終剩餘人數、遊戲結束時的傳遞輪數等進行研究探討。 除了研究最基本的型態之外,亦將遊戲規則推廣至初始每人手中可持有任意m顆糖果,也可任意傳遞i顆、 j顆、i顆、 j顆……糖果,且均已歸納並嚴謹證明其傳遞結果會依n值分為三大類。另外在研究過程中還發現:當傳遞步驟數為質數時,將其結果所成數列進行特定的行列式運算後之值與 jmn相關。

使用大型語言模型生成音樂中的故事

本研究旨在探索大型語言模型如何應用於音樂生成故事。研究動機源自音樂作為文化中不可或缺的一部分,但若要以文字精準表達出音樂中的故事情緒尚屬困難,藉由本研究提出的方法可以使故事顧及到音樂的情緒起伏。隨著 AI 的發展,我 們開始看到它們在各領域的應用。這項研究的目的是製作出一個系統能以音樂作為輸入,輸出音樂內的故事,為達成目的,我們結合多個模型。研究使用 PyTorch等工具,並探討文句和音樂的共同表示方法,實現情感匹配。研究結果顯示,音樂和文句情感辨識模型表現不錯,也研發出一個完整的生成流程。目前已有直接生成音樂的模型,也有把音樂統整介紹的模型,卻沒有依據音樂中的情緒生成故事的模型。我們研究就是在解決這個問題,結合到 LLaMA2預訓練模型生成出具情緒浮動的故事,要注意的是 LLaMA2的輸出限制最多只能有 4096個token。我們將此產生過程稱為 MTSPL (Music To Story Procedure with LLaMA)。

維持粒線體功能的重要基因Rrm2b對於不同種類中樞神經細胞的調控與影響

老化造成的神經退化性疾病,與細胞內粒線體機能異常有重要的關聯性。已知核醣核苷酸還原酶 M2B (Rrm2b) 的主要負責協助粒線體的基因合成、修復以及功能維持。本研究以核醣體核酸干擾技術,使 Rrm2b 表現量降低,探討其對不同種類中樞神經細胞粒線體 DNA 含量、細胞形態及功能的影響。結果顯示,Rrm2b 表現量降低並不會對粒線體 DNA 含量造成影響,但會使呼吸作用的效率降低,以及讓神經細胞更易分化,甚至反分化。同時,星狀膠細胞中的水通道蛋白表現量增加 165%,葡萄糖轉運蛋白表現量增加 27%,麩胺醯胺合成酶表現量則降低 22%。因此,Rrm2b 的低表現量,使星狀膠細胞運輸功能變強,而麩胺醯胺的合成變慢,則氨的代謝減緩。這些星狀膠細胞異常可能是造成腦部功能受損的原因之一。

NUDGE TO ZERO. Using on-device, nudge-based interventions to improve road safety equity: Building on and democratising in-vehicle technologies.

To develop a mobile application that complements the Waka Kotahi Road to Zero campaign.Itaimstoincentivisesafedrivingbyidentifyingbehavioursandsituations that increase the risk of crashes and providing audio interventions.

以限制酶酵素切位多樣性檢驗臺灣入侵紅火蟻基因體重組事件

入侵紅火蟻( Solenopsis invicta,以下簡稱紅火蟻) 起源於南美洲巴拉那河流域,其對於農業、畜牧業、甚至對人的健康都具有高度危險性及破壞性。由於國際貿易地興 起,紅火蟻目前已於包含台灣在內多個國家中被發現並在當地造成危害。為了對抗紅 火蟻造成的影響,瞭解紅火蟻的基因將是個有效的方向。故希望從決定紅火蟻的性別 決定基因之候選位置中探索其重組率以更精準地定位性別決定基因的所在位置。本篇 研究選用紅火蟻其中兩條等位基因序列,分別標記為 H04、H07。對於紅火蟻來說,正常情況下單套個體將發育成雄蟻、雙套且為異型合子的個體將發育成為雌蟻(職蟻或處 女蟻后),然而同型合子個體則會發育為不孕的雙套體雄蟻。本實驗利用限制酶酵素切 位多樣性( Restriction Fragment Length Polymorphism, RFLP )技術,使用 MEGA 軟體將H04、H07 序列之同源序列做排序後,使用 Ape 軟體找出其候選酵素切位並篩選出於不同等位基因序列上具有多樣性之切位後,利用聚合酶鏈鎖反應( polymerase chain reaction, PCR )、酵素酶切割及電泳凝膠技術,找出理應為異型合子之雌蟻中只具有 H04 或 H07 序列其中一個訊號之個體,即代表該區域曾發生過基因體重組事件而應被排除出性別決定基因的候選位置。我們成功確認 H07、H04 的 90 個樣本中,同型合子共有12 個、異型合子共有 78 個,並且雄蟻皆只偵測到一個訊號,符合預設。未來繼續縮短範圍,直至找尋到決定紅火蟻重要基因序列。

以LoRa物聯網通訊技術及去中心化網狀網路構建緊急救難發報系統

網際網路高速發展時代,為解決身處於無蜂窩訊號涵蓋範圍下,可提供通訊服務及緊急呼叫的手持無線電及衛星服務昂貴不普及,因此本研究採用遠距離、低成本、ISM免執照頻段的LoRa物聯網無線電技術,透過其啁啾調頻技術(Chirp Spread Spectrum)、高鏈路預算等優勢,以「人人皆為基地台,亦為客戶端」理念,設計P2P去中心化網狀網路(Mesh Net work)節點傳輸協定和低廉可負擔的通訊裝置,應用於SOS緊急救難呼叫、短文通訊、定位回報等。在固有網路系統不可用時也得以獨立組網,無須高昂的修建維護成本。也可透過搜救無人機、高空氣球等,快速部署Gateway於高山極地、無訊號區、第三世界國家等情境場所,促進人類福祉達成聯合國SDGs永續理念,未來將技術結合低軌道衛星,較其他衛星技術更經濟、環保,並覆蓋全球範圍達成無死角通訊。

空氣鳳梨毛狀體降低空汙之探討與應用

本研究主要是探討空氣鳳梨葉子作為清淨環境空氣和降低 PM2.5 濃度以及物理性微粒的功能。為了解空氣鳳梨的吸附能力,我們先測量空氣鳳梨的滯塵能力,發現高居室內植物滯塵能力第二名:其次是測量植株能否降低線香微粒濃度,發現其葉片具有減少懸浮微粒的能力,顯示其具有空氣淨化效果;猜測上述能力應與毛狀體結構有關,於是著手測量去毛後的吸附能力,得知毛狀體是影響吸附能力的關鍵。接著我們學習 Image J 操作,進一步了解空氣鳳梨在各部位的吸收能力及運送途徑。透過數位化影像分析,推測微粒的路徑為葉基→葉中→葉尖。最後比較了吸附微粒後的植株與對照組的抗氧化能力,發現實驗組明顯降低,說明微粒會對空氣鳳梨造成氧化壓力並影響生理代謝。

利用Chain-of-thought Prompt優化ChatGPT邏輯推理方面的能力

ChatGPT 問世後,許多問題皆已能由其回答。然而在邏輯方面的問題,ChatGPT 免費版有著明顯的不足,時常出現似是而非的答案。為了解決此問題,本研究利用連線 ChatGPT API,使用四種 Chain-of-thought prompt 的方式,將問題分解成若干個子問題,利用子問題們提供原問題較多的資訊以降低在解題過程出現的錯誤。最後分析四種方法的優劣,四種方法各有優缺,並無一方法於所有題目皆正確率最高。

衛星影像分析-集集攔河堰水體計算

本研究利用福爾摩沙衛星 5 號及 Sentinel-2 之衛星影像監測 2018-2023 年集集攔河堰集水區的變化量值,並利用 Semi-automaticClassificationPlugin(SCP)及 NormalizedDifferenceWater Index(NDWI)兩種指標運算方式,比較集集攔河堰的水體面積變化及兩種指標的差異與應用。結果顯示 NDWI 相較於 SCP 更接近水利署所提供的航照資料,因此 NDWI 在測量水體範圍上具較高可信度。 如果用(面積×水位高度)無法真實計算可利用的水資源,因為水面下的沉積物會隨時間增減或遷徙。因此我們利用地表輻射值與數值高程模型(DEM)模擬水下的沉積物堆疊情形。為證實地表輻射值與地形有關聯性,因此利用水利署光達剖面圖資與本研究計算結果比對,發現乾季時模擬結果與光達實測地形資料高度相似。 此外亦利用 NDWI、NDVI 與空拍圖的相互比對重新細分不同物質在 NDWI 的適當數值區間範圍,能有效將濕砂石與深水區分離,並應用於其他及水樣區。