全國中小學科展

2025年

New Properties of Miquel Point

本研究先觀察著名的密克定理(Miquel theorem)與密克點(Miquel point),我們創新給出了新的研究項目,關注密克點𝑃與密克三角形的頂點所構成直線和原三角形𝐴𝐵𝐶三邊直線的其餘六個交點,這是前人沒有觸及的研究項目,從而定義旁接三角形與衍伸三角形。 我們先針對特殊型(直角)的構圖,發現滿足兩個衍伸三角形的有向面積 [𝐴1𝐵1𝐶1]=±[𝐴2𝐵2𝐶2] 時,𝑃 點形成的軌跡為原三角形的 Kiepert hyperbola 與外接圓,這個是有趣且重要發現,我們也進一步給出其幾何必然性。進一步考慮 [𝐴1𝐵1𝐶1]=𝑟[𝐴2𝐵2𝐶2] 時,則刻劃出 𝑃 點軌跡為圓錐曲線系。在前面的基礎下,再針對一般型(任意角)的構圖,若 𝑃 點位於原三角形外接圓及Kiepert hyperbola 與 Steiner circumellipse 的線性組合曲線上,此時兩個衍伸三角形 𝐴1𝐵1𝐶1 與 𝐴2𝐵2𝐶2 的有向面積比值為定值,且兩者恆為相反數。

圓緣相連—關於忍者通道性質之探討

本作品由2023年IMO的第五題出發,希望探索在忍者通道中的其他性質,首先思考改變每排中放入的球數並觀察規律,進而推廣到三維圓圈塔中的性質,最後使用hyper-cube(超立方體)的情況進行一般化的推廣與構造的優化,完成最小值問題的求解,另外也對於特例部分探索解的總數。

Wrong seating around the table

本研究探討在一場圓桌會議中,n人逐一亂序入場找尋各自對應的名牌編號(1~n號)入座,其中1號第一個入場並坐到了k號位,此後入場的人們若發現與自己編號相同的位置是空的,就直接入座;若與自己編號相同的位置被占走了,就以逆時針方向尋找空位入座。在上述的規則下,若共有n 人,且 1 號坐到 k號位的情況,給予與問題相關統計量的組合證明。後續本研究將規則改為1 ~ p號 按照順序進場且皆想坐到 k 號位的前提下,探討了坐錯的人們是怎麼樣的循環和坐錯人數的次數分佈。並多數的研究結果皆與 stirling numbers of the first kind 有相關。 本研究還 探討了共有 n 人,且 1 號坐到 k號位的情況下, 坐錯人數的標準差函數的遞增情況 與對數函數完全曲線相關。

宜蘭地區風場與地形交互作用下的雨量分析

本研究利用中央氣象署2003年至2022年在宜蘭地區的地面測站雨量及風場觀測資料,分別在蘭陽溪以北與以南的平原與山區各選取十個測站進行分析,再輔以宜蘭降雨觀測計畫所提供的探空斜溫圖,探討宜蘭地區三維風場及因特殊地形作用所產生的雨量分布及變化。研究結果顯示:宜蘭地區的降雨量多寡與降雨特性分成五區,分別是中央山脈迎風面(4000~5000mm)>雪山山脈山區(約3500mm)>平原內部(2500~3200mm)>中央山脈背風側(約2700mm)>無地形作用(約1200mm)。其中中央山脈迎風地區年雨量逐年上升,背風面雨量逐年下降。另大尺度的東北季風進入宜蘭平原,與地形交互作用產生繞流西風再與低層東北季風產生輻合舉升作用,常造成了宜蘭地區冬季劇烈降雨事件。

法拉第波輔助合成奈米鎳並應用於有機污染物的快速脫色 Nanostructured Nickel Synthesized through Faraday Waves and Its Application to Rapid Contaminants Decolorization

超音波已廣泛用於奈米粒子的製備,然可聽聞音對奈米粒子製備的影響卻少有研究。本研究以簡易喇叭裝置產生可聽聞音並在溶液表面產生法拉第波及內部流動,來輔助製備奈米鎳。法拉第波是一種表面非線性駐波,透過調整容器形狀、振動頻率等,可產生不同波形。本研究嘗試在法拉第波輔助下,以化學還原法及電沉積法製備出不同性質的奈米粒子。SEM量測並比較無輔助、法拉第波輔助、超音波輔助製備出的奈米鎳的形貌、分布的差異。並將其應用於有機物(即剛果紅、亞甲藍、4-硝基苯酚、2-硝基苯酚)之催化還原。而由SEM量測、催化還原結果及理論模擬反應熱可知,法拉第波確實能夠改善奈米鎳的粒徑大小、分散性、對氫的吸附能力及催化還原能力。

水中的奇妙力量探秘 沃辛頓射流

我們以實驗室及生活上容易取得的重物與乒乓球模擬網路上跳水彈射手中球體的沃辛頓射流實驗。結果發現以圓形的類天然海棉托住乒乓球丟入水中可成功產生射流,因此選擇此為托球的載體進行實驗。依據我們的實驗結果,至少需要15公分水深才能形成完整的射流彈射出乒乓球,原則上在下落軌跡完全垂直於水面時,落下高度越高,球體彈射高度越高,實際實驗水深15公分以上時,落下高度50公分彈射高度約可達47公分,但結果受限於托球的海綿在落下高度40公分後下落軌跡不穩定,若期望更高的射流強度需要尋找更穩定下落的載體。最後我們將實驗影片逐格分析計算,證實球體彈射過程是一個反覆受到重力及空氣阻力等因素影響降速,又受到下方射流水柱力量推擠而加速的過程,初步建立以乒乓球標示射流噴射過程運動模式的邏輯。

探討濕地耐鹽菌對植物耐鹽及根部的交互作用

本研究從濕地篩選出可能為新種的耐鹽菌Oceanobacillus sp.,暫命名為OC2,其在無植物相伴狀態下不會降低土壤含鹽量,但卻在與植物共存後誘發特殊機轉,促使土壤含鹽量降低約,並提升植物耐鹽能力,顯示 OC2與植物存在特殊交互作用。深入研究發現,OC2能產生IAA,並吸引植物根部向其生長以利其進入根部,並在鹽逆境下分泌代謝物以刺激植物合成脯胺酸 (增加達98.5%)提升根部滲透壓、增加葉片類胡蘿蔔素及類黃酮含量以提升植物抗氧化力。植物方面,鹽逆境下植物分泌的化學物質會觸發OC2產生更多的IAA(約17%),藉以刺激植物根系發展以利水分吸收,而OC2的存在會促進根部澱粉酶活性上升達88%,以分解澱粉產生可溶性醣類供OC2使用,推測兩者存在共生關係。本研究展示新種耐鹽菌與植物的交互作用,期待透過此菌改善鹽化農地並能提升作物產量。

自監督學習在臺灣手語辨識上之應用研究

在臺灣手語辨識,先前研究所使用的監督式學習需要大量標記樣本而限制可辨識詞彙量。為此,本研究借鑒自然語言處理領域中BERT 的遮罩想法,將未標記手語影片隨機遮蓋部分幀數,並讓模型學習預測被遮蓋的幀數以學習臺灣手語的特徵,並透過遷移學習來訓練辨識模型,此作法可克服現有臺灣手語資料缺少的問題。經過實驗,本研究訓練之詞彙辨識模型達成了242 個詞彙量,94.8%的準確率。 此外,先前研究皆未在手語句子翻譯上有成果。因此本研究基於預訓練模型,整合設計手語翻譯的系統,實驗中,系統在100 個句子的翻譯表現達到88%的準,且BLEU-4 分數取得20.98,證明自監督學習的方式在手語辨識、翻譯上是有效的。並展現出樣本需求少與辨識詞彙量可輕易擴大的潛力。

快速合成金屬有機骨架複合材料用於微量工業廢氣吸附移除Rapid synthesis of metal-organic framework composites for removal of trace industrial waste gases

本研究開發一種新穎孔洞性吸附材料:金屬有機骨架 (MOF)。MOF 在反應溶液中自組裝形成孔洞結構,透過物理吸附有效捕捉氣相乙酸分子。研發出綠色、快速可在常溫常壓下大量合成三種MOF(HKUST-1(Cu)、UTSA-280(Ca) 及 A520(Al))方法。此外,為提升材料機械強度和應用價值,採用 PVA 聚合技術製備 MOF 複合物,使其造粒型化更易處理,提升商業和環境應用價值。吸附實驗結果顯示,HKUST-1(Cu) 粉末對乙酸移除率高達98%,而HKUST-1(Cu) PVA 複合物達93%,對比活性碳及其PVA複合物(移除率分別為85%和78%)表現更優異。MOF憑藉優異吸附性能和可大量生產低成本優勢,成為極具潛力有機無機氣體吸附劑,可為半導體產業提供一種維持高標準製程環境精密且簡便解決方案。

廣義佩爾方程式的一些探討

這是一份將近持續四年的研究,而這一年佩爾質數的出現,讓我們的討論「突飛猛進」。 佩爾方程式是形如𝑥2−𝑚𝑦2=1的方程式,其中𝑘不為完全平方數之正整數。我們定義廣義佩爾方程式是形如𝑥2−𝑚𝑦2=𝑛 的方程式。在過去的研究中,我們主要從𝑥2−𝑘𝑦2=𝑝 (𝑘,𝑝 皆為互質的奇質數) 的正整數解開始研究,接著延伸到 𝑥2−𝑘𝑦2=2𝑚𝑝1𝑛1𝑝2𝑛2⋯𝑝𝑗𝑛𝑗,進而得到了解的唯一分解性質。而本次的研究,延續之前的工作,對佩爾質數展開了討論。利用蜈蚣彘,我們成功地發現了一些佩爾質數,猜測出一些可能的結果並證明;同時我們對佩爾質數的生成結構做了相當程度的了解。作為結束,設法利用分析的方法解決的之前的問題,以及對方程式的不可約解,是否存在較低次方根解,給出了必要條件。