費馬點的應用 組員:石國廷、溫偉翔、羅文亨、張普肇 世紀帝國攻略 費馬點的應用 組員:石國廷、溫偉翔、羅文亨、張普肇
研究動機 在我們小學的時候,Microsoft出了一款戰略遊戲,當時不管是小孩、壯年人、老人,都在玩這款遊戲。這次我們各個組員,會一起做科展,也是因為這款遊戲。我們組員有一個共同的特點,那就是在我們小時候都玩過世紀帝國。我們常討論如何在這款遊戲裡,克敵制勝,我們也常常一起組隊跟別人對戰。
動機 這款遊戲裡,決勝的關鍵有技術、資源這兩種。資源是很重要的,所 以我們一直在想,當有三個礦坑時,礦場要蓋在哪裡,與各礦坑的距離 才會最短,以縮短資源運送的距離。俗話說:「時間就是金錢」,只要時 間每多一分,勝利的機會也多一分。 隨著我們的數學知識越來越高,我們就越來越相信這一點有特定的名詞 後來我們問老師才發現這就是費馬點。
研究目的 在三角形中的一點,與三角形三個頂點連線,當三條線相加距離最短時,該點即為費馬點。當初定義費馬點時,就只限於三角形而已。我們希望可以將這個理念推廣到n邊形,且n大於等於三。
研究設備及器材 電腦、GSP軟體。
費馬點定義 在三角形中的一點,與三角形三個頂點連線,當三條線相加距離最短時,該點即為費馬點。
步驟1 畫一個任意三角形,點一點D 點,設他為費馬點。
步驟2 D B' C' D' A B C 以A為旋轉點,旋轉60度
步驟3 連D跟D’、連C跟C’因為AB與AB’差60度,所以三角形PAP’會是正三角形,DC=D’C,Ad=DD’ 。因為AD+BD+CD要最短,所以當BD+DD’+D’C為直線時,D點為費馬點。
步驟4 再另一邊以相同方式重複步驟1、2、3,因ACC’跟ABB’為正三角形,所以CB’跟C’B連線的交點,即為費馬點。
完成圖 P點即為費馬點
延伸 因為金礦不可能只有三個,通常都是四個五個,甚至是六個,所以我們就想看看四、五、六邊形,有沒有費馬點。
四邊形 重複三角形的步驟,設P點為費馬點,但我們必須保證她是四段距離相加最短,所以我們利用三角形的特性,任意兩邊和大於第三邊。
四邊形(2) 我們把四邊形的對角線連起來,對任意P點,在ABCD中,由三角不等式,恆有線段PB+PC≧線段BC→P在線段BC上,線段PA+PD≧線段AC→P在線段AD上,線段PA+PB+PC+PD≧AD+BC,當等號成立時,P為線段AD、BC的交點。
完成圖 四邊形的費馬點就是對角線相交的交點。
六邊形的費馬點 在ABCDEF六邊形中,設P點為費馬點,也就是說,線段PA+PB+PC+PD+PE+PF為最短距離。
六邊形的費馬點 把對角線相連,會出現一個三角形,設P點為費馬點,則P點必在MNO三角形內。
六邊形的費馬點
六邊形費馬點 把六邊形的三個對角線連起來,而三個對角線會連成一個三角形,而把那個三角形求出費馬點,而那個費馬點,即是六邊形的費馬點。
研究結果 1.三角形的費馬點:三角形ABC,任意兩邊做正三角形ABD、ACE,線段EB、DC 的交點即為三角形的費馬點。 2.四邊形的費馬點:四邊形ABCD,對角線相連的交點,即為四邊形的費馬點。 3.六邊形的費馬點:六邊形ABCDEF,對角線相連,出現三角形OPQ,做三角形OPQ的費馬點,該點即為六邊形ABCDEF的費馬點
討論 以上敘述有關費馬點的方法,只是檢驗一點是否為費馬點的檢測方法而已,但是,是否有一個證明方法,能利用不設點的方法,立刻證明費馬點,在網路上已有用正三角形和做外接圓的求證方法,希望我們能自己想想看,有沒有新的方法證明,並且推廣至五邊形,七邊形。
討論 而且現在費馬點的運用是非常的廣泛的, 無論是運用在科技產業,或是建築方面, 例如:捷運站或公車的分布站的分布,都是利用費馬點的特色、優點,尤其現在世界上許多國家都講究省能源,利用費馬點,在各頂點之間最短的距離,做任何事情,都可以達到減少能源使用的目的。
結論 我們學習到作三角形費馬點的方法,在做的過程中,我們也從中學到很多東西,可說是獲益良多。像使用GSP,以及很多幾何的概念、定理。我們自己有從中延伸出四、六、八邊形的費馬點的作法。我們做不出奇數邊形的費馬點,我們討論出其原因可能是對角線會形成兩個圖形,但我們會持續研究。
心得 一開始聽說要做科展,大家都覺得很累人,我們選擇了數學組,但開始做了之後,才發現有些東西其實很有趣,例如:我們這次作費馬點,第一次聽到這個名詞還覺得很陌生,所以我們覺得很興奮,因為我們從以前到現在從來沒有聽過有關費馬的東西,聽到了費馬點的定義,我們大家都很開心,因為費馬點的定義是三角形中有一點到各頂點中的合為最短距離。
心得 現在的社會變遷中,有很多見設,都需要運用這個原理來選擇建造地點,例如捷運、市場、超商,我們以為這個東西在網路上很好找到,但是噩夢卻來了,在網路中,費馬點的資料簡直少之又少,非常匱乏,就連友科學寶庫之稱的維基百科也只有半面的資料而已,於是我們只能利用GSP電腦做圖來找出費馬點的位置。
心得 在這次的科展中,我們學到了很多有關於費瑪點的東西,以及很多的數學公式,讓我們對數學更有興趣。雖然在做的過程中,我們遇到了許多困難,但是經過大家的思考以及老師的指導,還有現代網路文明的發達,可以讓我們一一克服各種問題,得以完成這個報告。