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2016年8月15日 星期一

[DSE-Maths] 2015 MC 41

$x^2+y^2+2x-6y+k=0$與直線$x+y-4=0$交於一點, 求k。

https://www.youtube.com/watch?v=SpyyZcdNtas
這位自稱5**補習天王
就說傳統方法用delta去解,有很多困難點,
他就會用program解,好快好強大...

但其實只要知道圖怎畫,不用計數機算得出來...
圓心在$(-2/2, -(-6)2)=(-1,3)$
這點與$L: x+y+4=0$的$y$方向距離係由代$x=-1$找y值的差可得
$-1+y+4=0$
$y=-3$
$3$與$-3$差$6$, $L$ 的斜率為$-1$, 圓心與直線垂直距離為$\frac{6}{\sqrt{2}}$
考慮標準方程
$k=(-1)^2+3^2-(\frac{6}{\sqrt{2}})^2=1+9-18=-8$

一堆AAA的人也只是知其然而不知其所以然,
用program刷題目, 分數再高也沒甚麼意思,
考按計算機不如找電腦來考。

2015年12月14日 星期一

2015年12月9日 星期三

[數學] ABCD共圓,AD與BC的延線交於圓外的一點E,BDM為直線,其中MT與圓ABCD相切。若EM//AC,證明MT=ME。

問題:



題解:




Joint $BT$ and $DT$.

Let $MT=a$, $ME=b$, $MD=r$ and $MB=s$

Our aim is to prove $a=b$.

Consider $\triangle BMT$ and $\triangle TMD$,

$\angle BMT= \angle TMB$   (commond $\angle$)

$\angle TBM= \angle DTM$   ($\angle$ in alt. segment)

Thus, $\triangle BMT \sim \triangle TMD$   (AA)

By corr. sides $\sim \triangle s$, we have,

$\begin{align*}
\frac{MT}{MD}&=\frac{MB}{MT}\\
\frac{a}{r}&=\frac{s}{a}\\
a&=\sqrt{rs}
\end{align*}$

Consider $\triangle BME$ and $\triangle EMD$,

$\angle BME= \angle EMD$   (commond $\angle$)

$\angle MBE= \angle A$   ($\angle s$ in the same segment)

$\angle A= \angle MED$   (alt. $\angle s$, $EM//AC$)

so, $\angle MBE= \angle MED$

Thus, $\triangle BME \sim \triangle EMD$   (AA)

By corr. sides $\sim \triangle s$, we have,

$\begin{align*}
\frac{ME}{MD}&=\frac{MB}{ME}\\
\frac{b}{r}&=\frac{s}{b}\\
b&=\sqrt{rs}=a
\end{align*}$

Therefore, $MT=ME$.

$Q.E.D.$

2015年12月7日 星期一

[數學] 邊長為a的正方形, 其中三角(逆時針, 從左上開始)至正方形一內點的距離分別為1, 2和3, 求邊長a和對應長度為1和2的線段夾角

問題:







解答:

Let $A:(0,0)$, $B:(0,a)$, $C:(a,a)$, $D:(a,0)$ be the corners of the square.

The equations of the circles centered at $A$, $B$ and $D$ with radii $2$, $1$ and $3$ respectively are

$x^2+y^2=4$ ------- $(1)$

$x^2+y^2-2ay+a^2=1$ ------- $(2)$

$x^2+y^2-2ax+a^2=9$ ------- $(3)$

The point $K:(m,n)$ in the square satisfies these equations simultaneously, where $m>0$ and $n>0$

From (1) and (2), (2) and (3), we have

$2an=a^2+3>0$

$2am=a^2-5>0$

Sum of their squares is

$(2ay)^2+(2ax)^2=4a^2(x^2+y^2)=16a^2$

Thus,

$(a^2+3)^2+(a^2-5)^2=16a^2$

$a^4-10a^2+17=0$

Using quadratic equation to solve $a^2$, which is the area of the square.

$Area=a^2$$\\=\frac{10 \pm \sqrt{10^2-4(17)}}{2}
\\=5 \pm 2 \sqrt{2}
\\=5 + 2 \sqrt{2}$

(Since $a^2>5$, reject $a^2=5-2 \sqrt{2}$)

Therefore $a= \sqrt{5 + 2 \sqrt{2}}$

Consider $\triangle ABK$, by cosine law, we have

$\begin{align*}
a^2&=1^2+2^2-2(1)(2) \cos \theta
\\\cos \theta &=-\frac{1}{\sqrt{2}}
\\\theta &=135 ^\circ
\end{align*}$





P.S. 這個順便測試在Mathb.in寫的東西直接複製過來怎麼,完全沒問題。在Mathb.in編輯簡單多了,寫了的東西可立即顯示,這邊預覽跑半天呢。

2015年11月28日 星期六

[數學] 2012 HKDSE MATHS MC 42題 真正秒解

先說說2013年 MC 42題,
Find the range of values of $k$ such that the circle $x^2+y^2+2x-2y-7=0$ and the straight line $3x-4y+k=0$ intersect.

$A.$ $-8<k<22$
$B.$ $-8 \leq k \leq 22$
$C.$ $k<-22$ or $k>8$
$D.$ $k \leq -22$ or $k \geq 8$

k夾在某範圍,可交於一點,必是
$a \leq k \leq b$ 這種形式,B是答案。


而2012年MC42題,在學校沒有教的數學有說明詳解,但他說沒有真正的秒解,所以我這邊就給一個真正的秒解給大家。(這題好像因為命中率低而很紅,網上看到一些補習班數學講座找狀元講解這題)

問題是這樣的:
求 $k$ 值的範圍使得 $x^2+y^2+2x-4y-13=0$ 與直線 $x-y+k=0$ 相交於兩相異點。

$A.$ $-9 < k < 3$
$B.$ $-3 < k < 9$
$C.$ $k<-9$ 或 $k>3$
$D.$ $k < -3$ 或 $k > 9$

有交點,但不能只交於一點,所以必是
$a < k < b$ 這種形式。

圓方程 $x^2+y^2+Dx+Ey+F=0$中,
圓心座標為:$(- \frac{D}{2}, - \frac{E}{2})=(- 1, 2)$

直線方程 $y=mx+c$ 的 $c$ 決定的是線所在的高度,
而圓是對稱的,兩切線中間的平行線必通過圓心,
即對於 $a < k < b$,中間的平行線的 $k$ 值為 $\frac{a+b}{2}$,
所以
$-1-2+\frac{a+b}{2}=0$
$\frac{a+b}{2}=3$

然後很明顯 $\frac{-3+9}{2}=3$
答案是B,不需要二次方程,不需要判別式,
對這題的圖形的圖象有清晰的概念就能解了。



而如果是長題目要找出 $k$ 的上下限,也可以從圖象入手,
我就懶畫了,有興趣請自繪:

圓方程 $x^2+y^2+Dx+Ey+F=0$中,
圓心座標 $(m, n)$ 為:$(- \frac{D}{2}, - \frac{E}{2})=(- 1, 2)$
半徑 $r$ 為 $\frac{1}{2}\sqrt{D^2+E^2-4F}=\frac{1}{2}\sqrt{2^2+4^2-4(-13)}=3\sqrt{2}$

直線 $x-y+k=0$ 的斜率 $s$為 $1$,

考慮三圓心、切點,通過圓心的垂線與切線的交點三者形成的角形,
可知上下限為 $(n-m) \pm \frac{r}{ \sin( \tan^{-1}s)}$,較大的就是上限,較小的是下限。
(這不是通解公式,直線方程我沒用通式,通解請自行推導)

代入可得:
$a$ $\\=(2+1) - \frac{3 \sqrt{2}}{ \sin ( \tan ^{-1}1)} \\
=3 - \frac{3 \sqrt{2} }{ \sin (45^{ \circ})} \\
=3 - \frac{3 \sqrt{2} }{ \frac{1}{ \sqrt{2}}} \\
=3 - 3 \times 2\\
=-3$



$b$ $\\=(2+1) + \frac{3 \sqrt{2}}{ \sin ( \tan ^{-1}1)} \\
=3 + 3 \times 2 \\
=9$

2015年11月17日 星期二

[數學] 指定期數的分期付款公式

剛剛看到一篇一位補習老師寫的關於分期付款的文章。關於分期付款的介紹請直接到那邊看吧,寫得夠清楚了。但他最後說這不是casio計算機能解的問題,筆者就不太同意了。之前筆者弄過一個[資源/Excel] 貸款供款計算表,裡面用來計算每月供款的公式求法以DSE的課程知識足以求得,而且也是casio能計算的數字。

首先設第 $i$ 期尚欠貸款為 $P_i$ ,$0 \leq i \leq n$,借貸為$P_0$,$P_n=0$
月供 $x$ 元,月利率為 $r$ (即年利率/12), $n$ 為還款期數。

每月的尚欠貸款為上一月的尚欠貸款加上利息再扣除供款:
$P_i=(1+r)P_{i-1}-x$

反覆迭代可得
$P_n=(1+r)^2P_{n-2}-x-x(1+r)$
$P_n=(1+r)^3P_{n-3}-x-x(1+r)-x(1+r)^2$
...
$P_n=(1+r)^nP_0-x(1+(1+r)+(1+r)^2+...+(1+r)^{n-1})$

後面的是等比數列,用DSE教的等比數列和公式可化簡
$P_n=(1+r)^nP_0-x(\frac{(1+r)^{n}-1}{r})$

左方是0,將 $x$ 轉為主項
$x(\frac{(1+r)^{n}-1}{r})=(1+r)^nP_0$
$x=\frac{r(1+r)^n}{(1+r)^{n}-1} P_0$
 
以該文用的例子來驗算

借貸$=1 200 000$
月利率$= \frac{1.20 \%}{12}=0.001$
還款期數$=20 \times 12=240$
每月供款就會是
$=\frac{0.001(1+0.001)^240}{(1+0.001)^{240}-1} \times 1200000$
$=5626.46$

「每一個數字都不是CASIO這種計算機所能計到」?
上面用的的技巧全都是DSE所需,
迭代考細心
比數列和公式要背
轉換主項中一就學了
最後按計算機應該沒多難吧,CASIO十年前就出了的
可在屏幕編輯算式的計算機很輕鬆就能算出答案了。

[數學] 54321^2015的最後五位數

問題:
$54321^{2015}$ 的最後五位數。













題解:
老實說我還沒想到比較好的方法,不過 $2^{11}=2048$ ,就算硬解也應該在11步之內能解。
我想過用二項式定理化簡,但步驟數並沒有減少,所以還是放棄了。

利用模除公式
$ab=a \mod 100000+b \mod 100000 \mod 100000$

$54321^{2015}$$\\=(54321^{5})^{403} \mod 100000
\\=75601^{403}
\\=(75601^2)^{201} \cdot 75601
\\=(11201^3)^{67} \cdot 75601
\\=(53601^3)^{22} \cdot 53601 \cdot 75601
\\=40801^{22} \cdot 89201
\\=(40801^3)^7 \cdot 40801 \cdot 89201
\\=42401^7 \cdot 40801 \cdot 89201
\\=56801 \cdot 40801 \cdot 89201
\\=37601 \cdot 89201
\\=46801$

2015年11月12日 星期四

[數學] 設20x^3-21x^2-35x-3之值是3,而24x^3-26x^2-41x-2之值不是4,求x。



看起來雖然不是很像,不過其實這是二次方程!








題解:
$20x^3-21x^2-35x-3=3$
$20x^3-21x^2-35x-6=0$ ...(1)

$24x^3-26x^2-41x-2=4$
$24x^3-26x^2-41x-6=0$ ...(2)

根據題意,表示有些(1)的根不是(2)的根。
如果所有(1)的根都是(2)的根就無解;
如果所有(1)的根都不是(2)的根,
那這題等同在問(1)的所有根,(2)的資料完全沒幫助。

所以合理推測有些(1)的根同時是(2)的根。
先解出同時符合 (1) 和 (2) 的這些根:

這很易解
$6 \times(1)-5 \times(2)$
$4x^2-5x-6=0$
$(4x+3)(x-2)=0$
$x=2$ or $x=-\frac{3}{4}$

再找(1)餘下的根$a$,
可以用長除法,不過既然已有兩根,那根之積(product of roots)會比較快:
$2 \times \frac{-3}{4} \times a= \frac{6}{20}$
$a=- \frac{1}{5}$就是本題所求的根

2015年11月5日 星期四

[數學] 整係數多項式帶入分子涉及平方根的數值的速算法 (餘式定理應用)

學生今傳來兩條問題,這類題目我也沒看過,還沒想到更好的解,現分享如下:


假設沒有計算機... 有的話就不用算了。


$f(x)=4x^4-8x^3-15x^2+13x+1$
$a= \frac{3+2\sqrt{2}}{2}$
$b= \frac{3-2\sqrt{2}}{2}$
$4(x-a)(x-b)=4x^2-12x+1$
(對比二次方程的兩根和與兩根積)

以 $4x^2-12x+1$ 除
$4x^4-8x^3-15x^2+13x+1$

長除法:

得餘式 2

根據餘式定理,函數 $f(\frac{3+2\sqrt{2}}{2})=2$。

思考方向:
如果可以建立一個有因數 $x-\frac{3+2\sqrt{2}}{2}$ 的整係數多項式,
用它整除原式就可把餘式的因次降下來,
而整係數多項式的長除法也相對簡單。

$\frac{3+2\sqrt{2}}{2}$ 類似二次方程的通解,
對比下可設正負開方為兩根,得整係數二次多項式,
用它除原式得一因次最大為1的餘數多項式。

同類題目可用同樣解法:


$m=\frac{1+\sqrt{5}}{2}$
$n=\frac{1-\sqrt{5}}{2}$
$(x-m)(x-n)=x^2-x-1$

以 $x^2-x-1$ 除
$8x^3-16x^2+2x+15$
得餘式 $2x+7$
代入 $x=\frac{1+\sqrt{5}}{2}$
得解為 $1+\sqrt{5}+7=8+ \sqrt{5}$
所以 $(a, b)=(8, 1)$

對於3以下的因次,這做法其實也沒多快,但對於6次以上的多項式,這方法的速度優勢就很明顯了,畢竟長除法只是整數加減,但 $(a+b\sqrt{c})^n$ 卻要比較沒開開的常數和有關方的係數。

2015年11月4日 星期三

[數學] (x^2+3x+1)(x^2+3x+2)+3x^2+9x+2的最小值

問題:求 $(x^2+3x+1)(x^2+3x+2)+3x^2+9x+2$ 的最小值。

剛剛學生傳來問我的,這是嵌套的配方法(Completing the square)題目。
通常看到題中的幾個多項式有大部分係數重覆時,就想想可不可以用另一個代數例如u去取代重覆的部分,然後化簡成平常在解的標準例題形式。

例如本題可這樣解:
$(x^2+3x+1)(x^2+3x+2)+3x^2+9x+2$
$=(x^2+3x+2-1)(x^2+3x+2)+3(x^2+3x+2)-4$
$=u(u-1)+3u-4$, sub. $u=x^2+3x+2$
$=u^2+2u-4$
$(u+1)^2-5$, 配方法

這個的最小值就出現在 $|u+1|$ 達到最小時,
$u+1$
$=x^2+3x+3$
$=(x+3/2)^2+3/4$
很明顯 $u+1$ 的最小值是 $\frac{3}{4}$ 出現在 $x=- \frac{3}{2}$,
要注意,如果 $u+1$ 的最小值小於 $0$,則 $|u+1| $ 的最小值取 $0$。

$(u+1)^2-5$ 的最小值
$=(\frac{3}{4})^2-5$
$=\frac{9}{16}-5$
$=-\frac{71}{16}$

所以 $(x^2+3x+1)(x^2+3x+2)+3x^2+9x+2$ 的最小值為 $-\frac{71}{16}$,出現在 $x=- \frac{3}{2}$。

2015年10月29日 星期四

[數學] 求在單位正方形中, 內切於正方形兩組鄰邊及互相外切的兩圓形的最小面積和

問題:
(出處:Facebook數學討論群組)




題解:
設 $r_1$ 和 $r_2$ 分別是 $O_1$ 和 $O_2$的半徑,
外切點通過圓心至正方形角落的距離為
$(1+\sqrt{2})r$

正方形的對角線長為$\sqrt{2}$

外切點至左下角的距離+外切點至右上角的距離=對角線長
$(1+\sqrt{2})r_1+(1+\sqrt{2})r_2=\sqrt{2}$
$r_1+r_2=\frac{\sqrt{2}}{1+\sqrt{2}}$ ,這是(1)的答案

(2)
$兩圓面積和=(r_1^2+r_2^2)\pi$

根據柯西不等式(Cauchy–Schwarz inequality)
$2(r_1^2+r_2^2) \geq (r_1+r_2)^2$
$(r_1^2+r_2^2) \geq (\frac{1}{1+\sqrt{2}})^2$
$(r_1^2+r_2^2) \geq \frac{1}{3+2\sqrt{2}}$

最小的面積和出現在 $r_1=r_2=r$,其中 $r$ 是常數(可從(1)的答案解出,不過不需要)
所以
$最小面和$ $\\=(r^2+r^2)\pi
\\=\frac{\pi}{3+2\sqrt{2}}$


原發問人是問我怎用梯度(Gradient)和拉格朗日乘數(Lagrange multiplier)去解,
附上該解法:

[數學] 設a>b>c>0, a, b和c屬於整數, (x-c)是f(x)的因式, 其中f(x)=x(x-a)(x-b)-2, 求a+b+c。

問題:設 $a>b>c>0$,a、b和c屬於整數,$(x-c)$ 是 $f(x)$ 的因式,其中 $f(x)=x(x-a)(x-b)-2$,求 $a+b+c$。




題解:

根據餘數定理(Remainder Theorem)
$f(c)=0$
$c(c-a)(c-b)-2=0$
$c(a-c)(b-c)=2$

明顯 $c,(a-c),(b-c)$ 都是正整數,
三個正整數相乘等於 $2$ 的組合只有 ${2,1,1}$

已知 $a>b>c$
所以 $a-c>b-c>0$
可推得
$a-c=2$ 及 $c=b-c=1$
$a=3$ 和 $b=2$

$a+b+c=6$

或者不解出 $a$ 和 $b$,直接求
$a+b+c=a-c+b-c+3c=2+1+3=6$

2015年10月28日 星期三

[數學] 已知方程x^2-11x+(k+30)=0的兩根都比5大,求實數k的取值范圍。(更簡單的解)

題目:已知方程 $x^2-11x+(k+30)=0$ 的兩根都比5大,求實數$k$的取值范圍。
(出處:Facebook 數學問題討論群組)






相信大部分人會這樣解:
http://kantiku.com/math-2375322.htm

在FB上回答的人也是:


在此筆者提供另一個解,用到一個小學有學的定理:
等周定理--等周界的長方形以正方形的面積最大,長方形兩邊長度差越大,面積越小。

設兩根為 $a$ 和 $b$
$a+b=11$ → $b=11-a$ (兩根和)
$a>5$ and $b=11-a>5$

$5<a<6$


$5 \times 6 < ab \leq ( \frac{5+6}{2})^2 $ (等周定理)
$30<k+30 \leq (\frac{11}{2})^2$ (兩根積)
$0<k \leq \frac{1}{4}$


在運算上簡單很多。

台灣>國小科展專題<也有等周定理的研究,不過從這專題報告只知道在小學有教,不知是幾年級,筆者之前幫小學生補習時也有看到類似的題目。
 
用到等周定理那一步的合理性可從算幾不等式和二次方程的性質得出:
算幾不等式(AM-HM inequality)
$\frac{a+b}{2} \geq \sqrt{ab}$
$(\frac{11}{2})^2 \geq ab$

$a(11-a)$是開口向下的二次方程,達到極大值時的 $a$ 從算幾不等式可知是 $\frac{11}{2}$,
$a$ 越是離開這點,$a(11-a)$ 則越小,所以 $a(11-a)$ 的極小值是$5 \times 6$


然後兩根積是 $ab=k+30$

2015年10月26日 星期一

[數學] 證明當整數係數多項式f(x)有有理數x=q/p為根時, f(x)/(px+q)也是整係數多項式


最近遇到一位四處向大學教授寄信問數的台灣高中生,他問了我很多大學數學怎算,他會的一些數學方法我也沒看過,感覺真好,有教學相長的感覺。

他問了我一個問題如標題:

出處不明,我的解如下:

根據一次因式檢驗法(Rational root theorem)
$p|a_n=pb_{n-1}→b_{n-1} \in \mathbb{Z}$

其他項則需分析,先展開 $f(x)$:
$f(x)$$\\=(px+q)(b_{n-1}x^{n-1}+b_{n-2}x^{n-2}+...+b_{1}x+b_{0})
\\=(px+q)b_{n-1}x^{n-1}+(px+q)b_{n-2}x^{n-2}+...+(px+q)b_{1}x+(px+q)b_{0}$

設 $g_{i}(x)$$\\= f(x)-(px+q)b_{n-1}x^{n-1}-(px+q)b_{n-2}x^{n-2}-...-(px+q)b_{i+1}x^{i+1}
\\= (px+q)b_{i}x^{i}+(px+q)b_{i-1}x^{i-1}+...+(px+q)b_{1}x+(px+q)b_{0}
\\=pb_{i}x^{i+1}+(pb_{i-1}+qb_{i})x^{i}+...
\\=pb_{i}x^{i+1}+a_{i}x^{i}+...$,$0\leq i \leq n-2$
第二項以後的係數對應 $a_{i} \in \mathbb{Z}$。

設 $b_{i+1}$ 是整數
$a_{i+1}=pb_{i}+qb_{i+1} \in \mathbb{Z}$
則 $pb_{i}=a_{i+1}-qb_{i+1} \in \mathbb{Z}$
$g_{i}(x)$ 的係數為整數。

$g_{i}(x)$ 有因式 $px+q$,
根據一次因式檢驗法(Rational root theorem)
$p|pb_{i}→b_{i} \in \mathbb{Z}$

由 $b_{n-1}$ 為整數,利用數學歸納法可得
$b_{i} \in \mathbb{Z}$, for $0 \leq i \leq n-1$

2015年10月24日 星期六

[數學] 抽球挑戰題(概率)

問題:袋中有2個紅球,3個白球和4個黑球,如每次在袋中抽出一球並不把球放回袋中,紅球先抽完的機率是多少?
(出處忘了,前幾天看到的,但尾指指根關節發炎所以沒發文,還在痛)

剛看到題目的時候沒甚麼頭緒,現在也是,想不到簡明的方法,總之先把我的解法給大家看一下吧:




解:
以R表示紅球,W表示白球,B表示黑球,
把問題轉換成把9球並列,從左算起,兩個R出現在第3個W和第4個B前,
例如
R W W B B B R W B
R W B R W W B B B

設F(n)是符合題目條件,而最後一個R在第n個位置的組合數,
T是9球隨便排列的組合數

$T=9!=362880$

n只可能是2, 3, 4, 5, 6或7,

F(2)表示球以以下方式排列(X表示在第2個R後的球):
R R X X X X X X X
$F(2)=2!7!=10080$

F(3)表示球以以下方式排列(Y表示在第2個R前非R的球):
R Y R X X X X X X
Y R R X X X X X X
$F(3)=2!2!6! \times (C^{3}_{1}+C^{4}_{1})=20160$

F(4)表示球以以下方式排列:
R Y Y R X X X X X
...
$F(4)=2!3!5! \times (C^{3}_{2}+C^{3}_{1}C^{4}_{1}+C^{4}_{2})=30240$

F(5)表示球以以下方式排列:
R Y Y Y R X X X X
...
$F(5)=2!4!4! \times (C^{3}_{2}C^{4}_{1}+C^{3}_{1}C^{4}_{2}+C^{4}_{3})=39168$

F(6)表示球以以下方式排列:
R Y Y Y Y R X X X
...
$F(6)=2!5!3! \times (C^{3}_{2}C^{4}_{2}+C^{3}_{1}C^{4}_{3})=43200$

F(7)表示球以以下方式排列:
R Y Y Y Y Y R X X
...
$F(6)=2!6!2! \times (C^{3}_{2}C^{4}_{3})=34560$

所以
$P(先抽完紅色)$$\\ =\frac{F(2)+F(3)+F(4)+F(5)+F(6)+F(7)}{T}
\\ =\frac{177408}{362880}
\\ =\frac{22}{45}$

如果有更好的解法請告訴我。

2015年10月13日 星期二

[數學] 一元二次方程 (quadratic equation) 挑戰題

題目:
甲乙兩人用公式解一元二次方程式 $x^2 + bx + c = 0$, 甲錯算 $b^2 - 4c$ 得兩根 $(3, -2)$,乙錯看 $b$ 得兩根 $(-5, 2)$,則原方程式為?
(出自:https://www.ptt.cc/bbs/tutor/M.1263636512.A.D15.html)
[原題是 $x^2 + bx + c = 0$,但這沒意義,三個未知數,兩條式,也就是最少有一個是自由變數(free variable),不失一般性(WLOG) ,設$a$為$1$]







題解:
兩根和$=-b$
兩根積$=c$
二次方程公式解$x=\frac{-b \pm \sqrt{b^2-4c}}{2}$

1. 甲算錯 $b^2 - 4c$ 並不影響兩根之和,因為從公式可知在計算兩根和時 $b^2 - 4c$ 這一項會一加一減相消,也就是甲所得到的根可算出正確的兩根和,即
$-b$ $=3-2\\
=1$
$b=-1$

2. 同理,乙錯看 $b$ 並不影響兩根積,即
$c$ $\\=-5 \times 2
\\=-10$

所以原方程為 $x^2 - x - 10 = 0$

2015年10月11日 星期日

[數學] 面積趣題 (限時1分鐘)

問題:上圖中藍色部分的面積還是黃色部分的面積比較大?
(原圖是打橫的,不知怎麼上傳就變成打直了,真怪,不過不影響問題就算了。)
(問題來自https://brilliant.org/)


... ... ...



... ...



...



..



.




答案:一樣大

解:
設最大的圓的面積是4X,
中圓的面積則是X (長度比的平方等於面積比),
黃色部分面積是Y。
利算排容原理(Inclusion–exclusion principle)可知
藍色部分面積
$\\=大圓-4 \times小圓+黃色部分
\\=4X-4\times X+Y
\\=Y
\\=黃色部分面積$

排容原理在比較深的機率和算組合數的題目中很常用,把這種面積重疊問題想成范氏圖(Venn Diagram)的話就不難理解兩者的關係了。一般兩圖形重疊的情況直接想也想得出怎算,但重疊三次以上的圖就不那麼好想了,引用排容原理能快速解題。

2015年10月5日 星期一

[數學] 7的倍數判斷法(連證明)

網上很多人問7的倍數怎判斷,很多人知道方法但不知道怎證明,而且提不出百位數的判斷法,這個問題只要用模除就能很易證明,就結果而言,四位數以上的7的倍數可以這樣判斷:

設有四個數位以上的大數,從個位開始,每三個數位分成一組,最後一組即使不夠三位也自成一組,然後各組梅花間竹地進行加減,所得數如是7的倍數,則該大數為7的倍數。
 
通例:$abcdefg$是否7的倍數?
先將大數從個位開始分成三個數位組,
$a$ | $bcd$ | $efg$
然後從尾至頭梅花間竹地進行加減
$efg-bcd+a$,如此數是7的倍數,則$abcdefg$是7的倍數。

實例:
$6855448572$是否7的倍數?
先將大數從個位開始分成三個數位組,
$6$ | $855$ | $448$ | $572$
然後從尾至頭梅花間竹地進行加減
$572-448+855-6=973$
因為$973=7 \times 139$,所以 $6855448572$是7的倍數
驗算:
$6855448572=7 \times 979349796$

證明:
首先$A$ $mod$ $B$是指$A$除以$B$的餘數。
引用定理
1. $(A+B)$ $mod$ $C = [(A$ $mod$ $C) + (B$ $mod$ $C)]$ $mod$ $C$
2. $(A \times B)$ $mod$ $C = [(A$ $mod$ $C) \times (B$ $mod$ $C)]$ $mod$ $C$
及事實
3. $1000$ $mod$ $7=-1$
對於大數 $abcdefg$,
$abcdefg=a \times 1000 \times 1000 + bcd \times 1000 +efg$
所以$abcdefg$ $mod$ $7$
$= [(a \times 1000 \times 1000)$ $mod$ $7$ $+ (bcd \times 1000)$ $mod$ $7$ $ +efg]$  $mod$ $7$
$= [(a \times (-1)\times (-1))$ $mod$ $7$ $+ (bcd \times (-1))$ $mod$ $7$ $ +efg]$ $mod$ $7$
$= a-bcd+efg$ $mod$ $7$
$= efg-bcd+a$ $mod$ $7$

如果$abcdefg$是7的倍數,$abcdefg$ $mod$ $7= (efg-bcd+a)$  $mod$ $7=0$



三位數則這樣判斷:
百位數除7的餘數乘2後和百位以內的尾數相加,如答案是7的倍數則該三位數是7的倍數。
通例:$abc$是否7的倍數?
先將$a$除以7,得餘數$r$,百位以內的尾數為$bc$,然後計算
$2r+bc$,如此數是7的倍數,則$abc$是7的倍數。

實例一:
$574$是否7的倍數?
先將$5$除以7,得餘數$5$,百位以內的尾數為$74$,然後計算
$2 \times 5+74=84=7 \times 12$,此數是7的倍數,則$574$是7的倍數。
驗算:
$574=7 \times 82$

實例二:
$826$是否7的倍數?
先將$8$除以7,得餘數$1$,百位以內的尾數為$26$,然後計算
$2 \times 1+26=28=7 \times 4$,此數是7的倍數,則$826$是7的倍數。
驗算:
$826=7 \times 118$

證明(這邊寫簡化點,有點累):
$abc$ $(mod$ $7)$
$= a \times 100 +bc $ $(mod$ $7)$
$= a$ $mod$ $7$ $\times 100$ $mod$ $7$ $+bc $ $(mod$ $7)$
$= r \times 2 +bc $ $(mod$ $7)$
$= 2r+bc $ $(mod$ $7)$

不過百位數直接除也不難就是了,而且活用減700和減70的話很易就能把數值縮得很小。

2015年9月24日 星期四

[數學] 垂心, 形心和外心的向量關係

昨天在小卒論壇看到一個有關外心(circumcentre)、形心(centroid)和垂心(orthocentre)的題目,解下去發現它們三者的向量關係挺有趣,現分享如下:

題目:Let $O$ and $G$ be the circumcentre and the centroid of $\triangle ABC$. $OG$ is produced to a point $H$ such that $OG:GH=1:2$. Use the vector method to show that H is the orthocentre of $\triangle ABC$.



設$\overrightarrow{OA}=\overrightarrow{r_a}$、$\overrightarrow{OB}=\overrightarrow{r_b}$和$\overrightarrow{OC}=\overrightarrow{r_c}$。
WLOG,設圓的半徑為1,即$||\overrightarrow{r_a}||=||\overrightarrow{r_b}||=||\overrightarrow{r_c}||=1$。

$\overrightarrow{BO}=-\overrightarrow{r_b}$

$\overrightarrow{BG}=\frac{2}{3}\cdot \frac{(BA+BC)}{2}=\frac{\overrightarrow{r_a}+\overrightarrow{r_c}-2\overrightarrow{r_b}}{3}$

$\overrightarrow{OG}=\overrightarrow{BG}-\overrightarrow{BO}=\frac{\overrightarrow{r_a}+\overrightarrow{r_b}+\overrightarrow{r_c}}{3}$
原來從外心到形心的向量是從外心到三角形各頂點的向量和的三分一!

$\overrightarrow{OH}=3\overrightarrow{OG}=\overrightarrow{r_a}+\overrightarrow{r_b}+\overrightarrow{r_c}$
我們要證明$H$點是垂心,事實上它真的是垂心。從外心到垂心的向量是從外心到三角形各頂點的向量和!

其中
$\overrightarrow{BH}=\overrightarrow{BO}+\overrightarrow{OH}=\overrightarrow{r_a}+\overrightarrow{r_c}$

相似地:
$\overrightarrow{AH}=\overrightarrow{AO}+\overrightarrow{OH}=\overrightarrow{r_b}+\overrightarrow{r_c}$
$\overrightarrow{CH}=\overrightarrow{CO}+\overrightarrow{OH}=\overrightarrow{r_a}+\overrightarrow{r_b}$

三角形各點的到$H$點的向量原來是圓心到另外兩點的向量和,這些關係都剛剛好,很有趣。


接下來只要計算從三個頂點到$H$點的向量是否垂直於三邊(即檢查點積 dor product 是否為0)即可。

2015年9月18日 星期五

[數學] 三角形重心與面積難題

問題:設三角形$ABC$重心為$G$,已知$GA=6$,$GB=9$,$GC=12$。求三角形$ABC$面積。

題解:
製圖的時間比解題還長(笑

依題意畫出三角形,然後延長$AG$至$E$點,使得$GA=GE=6$。
$GE$與$BC$相交於$D$點,重心$G$落在中線$AD$上,所以$D$為$BC$的中點
$GD:GA=1:2$   [1]
$GD= \frac{1}{2}GA=3$,$DE=GE-GD=3=GD$
所以$D$亦是$GE$的中點,$GE$與$BC$互相平分,
因此四邊形$BECG$為平行四邊形 (對角線互相平分)

考慮平行四邊形$BECG$
$BE=GC=12$ (對邊相等)

考慮三角形$BEG$ (圖中的綠色三角形)
已知$GB=9$,$GE=6$,$BE=12$
利用希羅公式,定義$s=\frac{GB+GE+BE}{2}=\frac{27}{2}$
面積 $\triangle BEG$
$= \sqrt{s(s-GB)(s-GE)(s-BE)}$
$= \sqrt{s(s-9)(s-6)(s-12)}$
$= \sqrt{\frac{10935}{16}}$
$= \frac{27 \sqrt{15}}{4}$

考慮三角形$ABE$,
$AG:GE=1:1$,由於底邊比等於面積比 [2],
可知 $\triangle ABG=\triangle BEG=\frac{27 \sqrt{15}}{4}$

由於三角形的重心均分三角形的面績 [3]
所以
$\triangle ABC=3\triangle ABG=3 \frac{27 \sqrt{15}}{4}=\frac{81 \sqrt{15}}{4}$

$\triangle ABC$的面積大約為78.4279。



註解:
[1] 請參考課本重心與中線的章節,或查看可汗學院的>>這個教學(英文)<<
[2] 請參考我之前的文章>>等高三角形的面積比等於底邊比及應用<<
[3] 證明請參考>>這個教學(普通話)<<