串珠中的數學奧祕:多面體與尤拉公式探討

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作者
Shari
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中華民國  第 49 屆中小學科學展覽會 

作品說明書 

 

 

國小組    數學科 

 

最佳(鄉土)教材獎 

080407 

「珠」絲馬跡-串珠與數學原理之探討 

 

學校名稱:嘉義市東區蘭潭國民小學 

作者: 

指導老師: 

小六  黃馨儀 

小六  黃湘樺 

翁秀玉 

李佩馨 

 

關鍵詞:串珠、多面體、尤拉公式

 

background image

 
 

 

1 

 

壹

壹

壹

壹、

、

、

、摘要

摘要

摘要

摘要    

身邊常見美麗的串珠作品,但

但

但

但卻未見有關串珠的數學研究

卻未見有關串珠的數學研究

卻未見有關串珠的數學研究

卻未見有關串珠的數學研究。我們進行二年時間來探討串

珠。結論如下: 

研究一:相同大小的珠珠,以「點→線→面」的方式操作,若以某顆珠為中心點,周圍角

度和是 360°的有:四邊形

四邊形

四邊形

四邊形+

+

+

+四邊形

四邊形

四邊形

四邊形、

、

、

、六邊形

六邊形

六邊形

六邊形+

+

+

+三角形

三角形

三角形

三角形,這二種串法可以形成平面。 

研究二:五邊形組合的「二十面十二面體」(稱為五邊形球體)只要增加四邊形

四邊形

四邊形

四邊形或六邊形

六邊形

六邊形

六邊形就

可以擴充。而且使用六邊形較節省珠數,這也是串珠中最常見的作法。 

研究三:增加六邊形擴大球體時,五邊形維持 12 面,六邊形以 5 的倍數增加。而且串珠

作品只要進行名詞轉換,也符合尤拉公式: 

珠珠數

珠珠數

珠珠數

珠珠數(稜邊數)  +2

2

2

2  =  三角形連接處

三角形連接處

三角形連接處

三角形連接處(頂點數)  +  面數

面數

面數

面數。 

研究四:沙發或盒子轉角處的串法,以畢氏定理檢驗證實為直角。 

 

貳

貳

貳

貳、

、

、

、研究動機

研究動機

研究動機

研究動機    

有一次在義工媽媽的指導下,用珠珠串成由五邊形構成的球體,於是我們開始思考:

為

什麼五邊形會拱起來,可以串成一個球體?

其他的多邊形也會拱起來嗎?我們研究哪幾種正

多邊形的組合會變成平面。後來,又陸續串了一些動物的造型,義工媽媽教我們使用六邊形

來擴充球體,我們竟然從珠數和面數的關係中找到尤拉定理。更因為義工媽媽教導我們沙發

造型的串珠,引發研究立體三面直角中的問題。但是因為沒有相關的參考資料,我們總是在

摸索中學習,一直遇到瓶頸,不過我們也一一克服。這期間,也讓我們驚訝這個小小的串珠

中竟然隱含了這麼多秘密。 

  *教材相關性:南一版數學科第八冊第五單元長方體與正方體 

参

参

参

参、

、

、

、研究

研究

研究

研究目的

目的

目的

目的    

研究一

研究一

研究一

研究一:

:

:

:正多邊形組合的串珠與平面的關係

正多邊形組合的串珠與平面的關係

正多邊形組合的串珠與平面的關係

正多邊形組合的串珠與平面的關係    

研究二

研究二

研究二

研究二:

:

:

:擴充串珠球體的設計

擴充串珠球體的設計

擴充串珠球體的設計

擴充串珠球體的設計    

研究三

研究三

研究三

研究三:

:

:

:串珠

串珠

串珠

串珠立體造型與尤拉公式的關係

立體造型與尤拉公式的關係

立體造型與尤拉公式的關係

立體造型與尤拉公式的關係    

研究

研究

研究

研究四

四

四

四:

:

:

:串珠產生立體三面直角

串珠產生立體三面直角

串珠產生立體三面直角

串珠產生立體三面直角    

    

肆

肆

肆

肆、

、

、

、器材

器材

器材

器材    

珠珠、釣魚線、量角器、直尺、立體模型片、電腦軟體。 

伍

伍

伍

伍、

、

、

、研究過程

研究過程

研究過程

研究過程、

、

、

、結果

結果

結果

結果、

、

、

、與討論

與討論

與討論

與討論    

background image

 
 

 

2 

 

研究

研究

研究

研究一

一

一

一:

:

:

:正多邊形組合的串珠與平面的關係

正多邊形組合的串珠與平面的關係

正多邊形組合的串珠與平面的關係

正多邊形組合的串珠與平面的關係    

一

一

一

一、

、

、

、「

「

「

「點

點

點

點→

→

→

→線

線

線

線→

→

→

→面

面

面

面」

」

」

」的

的

的

的組合

組合

組合

組合方式

方式

方式

方式    

實際串珠的動作中,我們發現串珠中的珠珠經由釣魚線連接,由點變成了線,只要在

最後一顆珠交換線,就可以隨意決定由幾顆珠串成一個平面,然後平面再與平面進行組合

連接,所以串珠基本上是由「點→線→面」的方式形成各種造型。 

 

 

 

 

點:一顆珠

 

線:二顆珠以上 

面:最後一顆珠交換線

 

2 個五邊形面與面的組合 

 

二

二

二

二、

、

、

、大小相同的珠珠串成的是正多邊形

大小相同的珠珠串成的是正多邊形

大小相同的珠珠串成的是正多邊形

大小相同的珠珠串成的是正多邊形    

珠珠串成的多邊形,因為珠珠大小相同,所以串成的多邊形是正多邊形,那我們很容易

推算各種多邊形串珠的內角。內角分別為:三角形是 60°、四邊形是 90°、五邊形是 108°、六

邊形是 120°、七邊形是 129°…。 

圖片

 

 

 

 

 

 

內角

 

60° 

90° 

108° 

120° 

129° 

 

三

三

三

三、

、

、

、分析正多邊形組合

分析正多邊形組合

分析正多邊形組合

分析正多邊形組合形成平面的條件

形成平面的條件

形成平面的條件

形成平面的條件

    

進行串珠時,我們會決定以幾顆珠串成一個平面,以此平面繼續做面與面的組合。

觀察串珠作品,發現大多是各種正多邊形和三角形的組合,我們發現

發現

發現

發現到一些常見的組合會

到一些常見的組合會

到一些常見的組合會

到一些常見的組合會

形成平面

形成平面

形成平面

形成平面,

,

,

,但某些組合卻無法形成平面

但某些組合卻無法形成平面

但某些組合卻無法形成平面

但某些組合卻無法形成平面,因此,我們針對此現象進行探討。 

以某顆珠為中心點

以某顆珠為中心點

以某顆珠為中心點

以某顆珠為中心點,

,

,

,分析其周圍角度

分析其周圍角度

分析其周圍角度

分析其周圍角度,

,

,

,如果角度和是

如果角度和是

如果角度和是

如果角度和是 360

360

360

360°°°°,

,

,

,就可以

就可以

就可以

就可以形成

形成

形成

形成平面

平面

平面

平面;

;

;

;如果

如果

如果

如果

角度和不是

角度和不是

角度和不是

角度和不是 360

360

360

360°°°°,

,

,

,就會拱起

就會拱起

就會拱起

就會拱起。

。

。

。    

background image

 
 

 

3 

 

((((一

一

一

一))))以

以

以

以 nnnn 顆珠為一組

顆珠為一組

顆珠為一組

顆珠為一組,

,

,

,串成一個平面

串成一個平面

串成一個平面

串成一個平面,

,

,

,再繼續面與面的組合

再繼續面與面的組合

再繼續面與面的組合

再繼續面與面的組合。

。

。

。    

1.

1.

1.

1.以

以

以

以 3333 顆珠串成一個平面

顆珠串成一個平面

顆珠串成一個平面

顆珠串成一個平面((((三角形

三角形

三角形

三角形))))         

組合方式 

圖片 

說明 

三角形 

+ 

三角形 

 

以 O 為中心點, 

周圍有 3 個正三角形。 

其周圍的角度 

60°×3=  180°

<360°

 

180°小於 360°,所以會拱起。

 

 

2.

2.

2.

2.     以

以

以

以 4444 顆珠串成一個平面

顆珠串成一個平面

顆珠串成一個平面

顆珠串成一個平面((((四邊形

四邊形

四邊形

四邊形))))    

組合方式

圖片 

說明 

四邊形 

+ 

四邊形 

 

以

O 為中心點, 

周圍有

4 個正方形, 

90° 

╳ 

4=360°, 

等於 360°,所以會形成平面。

 

四邊形 

+ 

三角形 

    

以

O 為中心點, 

周圍有

2 個正四邊形、 

2

個正三角形。 

周圍的角度

 

90°

╳

2+60°

╳

2  =  300°

<360°

 

300°小於 360°,所以會拱起。

 

 

background image

 
 

 

4 

 

3.

3.

3.

3.     以

以

以

以 5555 顆珠串成一個平面

顆珠串成一個平面

顆珠串成一個平面

顆珠串成一個平面((((五邊形

五邊形

五邊形

五邊形))))    

組合方式

 

圖片 

說明 

 

以 O 為中心點, 

周圍有 2 個五邊形、2 個正三角形,

 

周圍的角度 

  (108°+60°)

 

×2=336°

<360°

 

336°小於 360°,所以會拱起。

 

五邊形 

+ 

三邊形 

 

從側面明顯看到拱起。 

 

4.

4.

4.

4.     以

以

以

以 6666 顆珠串成一個平面

顆珠串成一個平面

顆珠串成一個平面

顆珠串成一個平面((((六邊形

六邊形

六邊形

六邊形))))    

組合方式

 

圖片 

說明 

六邊形 

+ 

三邊形 

 

以 O 為中心點

,

 

周圍有 2 個六邊形、2 個正三角形,

 

(120°+60°)

╳ 

2=360°, 

等於 360°,所以可以形成平面。 

 

5.

5.

5.

5.     以

以

以

以 7777 顆珠串成一個平面

顆珠串成一個平面

顆珠串成一個平面

顆珠串成一個平面((((七邊形

七邊形

七邊形

七邊形))))    

組合方式

 

圖片 

說明 

 

以 O 為中心點, 

周圍有 2 個七邊形、2 個三角形,

 

(129°+60°)

╳ 

2=378°, 

378°>360° 

無法形成平面,會凹凸不平。

 

七邊形 

+ 

三邊形 

從側面可明顯看到凹凸不平。 

    

background image

 
 

 

5 

 

((((二

二

二

二))))分析

分析

分析

分析    

1.當我們在進行串珠時,通常以「面與面的組合」為主,當三個面接連時

當三個面接連時

當三個面接連時

當三個面接連時,

,

,

,自然形成一個

自然形成一個

自然形成一個

自然形成一個

三角形

三角形

三角形

三角形,

,

,

,我們稱為

我們稱為

我們稱為

我們稱為「

「

「

「連接處

連接處

連接處

連接處」

」

」

」

。但是,如果刻意四邊形+四邊形的組合,就不會形成三角

形。 

       

 

 

2.以

以

以

以任一

任一

任一

任一顆珠為中心點

顆珠為中心點

顆珠為中心點

顆珠為中心點,

,

,

,其周圍角度和是

其周圍角度和是

其周圍角度和是

其周圍角度和是 360

360

360

360°°°°,

,

,

,只有四邊

只有四邊

只有四邊

只有四邊形

形

形

形+

+

+

+四邊形

四邊形

四邊形

四邊形、

、

、

、六邊形

六邊形

六邊形

六邊形+

+

+

+三角形

三角形

三角形

三角形,

這二種平面的組合,可以使

可以使

可以使

可以使串

串

串

串珠

珠

珠

珠形成平面

形成平面

形成平面

形成平面;而其他的組合會使平面拱起;甚至七邊形以

上的串法就會造成凹凸不平。 

 

 

四邊形+四邊形 

六邊形+三角形 

background image

 
 

 

6 

 

研究二

研究二

研究二

研究二:

:

:

:擴充串珠球體的設計

擴充串珠球體的設計

擴充串珠球體的設計

擴充串珠球體的設計    

一

一

一

一、

、

、

、五邊形組合的

五邊形組合的

五邊形組合的

五邊形組合的「

「

「

「二

二

二

二十面十二面體

十面十二面體

十面十二面體

十面十二面體」

」

」

」    

義工媽媽教導我們串出的各種造型中,最常用的就是以五邊形為平面的串法,如果

繼續串下去,就會形成一個漂亮的球體。在串法上就是讓五顆珠為一組,如果遇到面與

面的組合時,必須扣除共用珠的數量,如此串出的成品就是正五邊形+三角形組合而成

的「二十面十二面體」

,屬於阿基米得多面體的一種。 

 

 

 

五顆珠為一組 

扣除共用珠的數量 

二十面十二面體 

 

二

二

二

二、

、

、

、增

增

增

增加四邊形或六邊形可以擴充

加四邊形或六邊形可以擴充

加四邊形或六邊形可以擴充

加四邊形或六邊形可以擴充五邊形球體

五邊形球體

五邊形球體

五邊形球體    

((((一

一

一

一))))觀察串珠成品

觀察串珠成品

觀察串珠成品

觀察串珠成品    

二十面十二面體,我們自己稱為「五邊形球體」

,是串珠最基本入門的造型,後來再

繼續觀察其他造型,例:Kitty 的頭、豬的身體、沙發的扶手,發現如果要擴充變成橢圓

形球體或柱體等,可以增加四邊形或六邊形。 

    

 

 

 

 

五邊形球體 

Kitty 的頭 

(橢圓形球體) 

豬的身體 

(圓柱體) 

沙發的扶手 

(五邊形柱) 

無增加 

增加六邊形 

增加六邊形 

增加四邊形 

background image

 
 

 

7 

 

((((二

二

二

二))))分析

分析

分析

分析    

1.由研究一的結論恰巧也得知,四邊形或六邊形這二種串法的每一顆珠周圍的角度和是

四邊形或六邊形這二種串法的每一顆珠周圍的角度和是

四邊形或六邊形這二種串法的每一顆珠周圍的角度和是

四邊形或六邊形這二種串法的每一顆珠周圍的角度和是

360

360

360

360°°°°,

,

,

,會形成平面

會形成平面

會形成平面

會形成平面,

,

,

,所以就能達到擴大拉長的效果

所以就能達到擴大拉長的效果

所以就能達到擴大拉長的效果

所以就能達到擴大拉長的效果。

。

。

。    

 

 

 

 

 

五邊形球體 

增加四邊形 

增加六邊形 

 

 

2.雖然增加四邊形或六邊形都能達到擴大拉長的效果,但是,為了符合經濟效益,使用六邊

形可以節省珠珠的使用數量,所以串珠中最常見就是增加六邊形組合來擴大變形

增加六邊形組合來擴大變形

增加六邊形組合來擴大變形

增加六邊形組合來擴大變形。 

 

background image

 
 

 

8 

 

研究三

研究三

研究三

研究三:

:

:

:串珠立體造型與尤拉公式的關係

串珠立體造型與尤拉公式的關係

串珠立體造型與尤拉公式的關係

串珠立體造型與尤拉公式的關係    

一

一

一

一、

、

、

、分析

分析

分析

分析以

以

以

以五邊形

五邊形

五邊形

五邊形球體

球體

球體

球體擴大拉長後

擴大拉長後

擴大拉長後

擴大拉長後柱體的面數與珠數

柱體的面數與珠數

柱體的面數與珠數

柱體的面數與珠數    

名詞解釋: 

「連接處」的意思為 

串珠中 3 顆珠的連接點形成的面(三角形)(如右圖)

 

 

    

((((一

一

一

一))))五邊形球體

五邊形球體

五邊形球體

五邊形球體    

 

五邊形數量 

第一層(頂層):

1

個五邊形 

第二層:

5

個五邊形 

第三層:

5

個五邊形 

第四層(底層):

1

個五邊形 

共

共

共

共

12

12

12

12

個五邊形

個五邊形

個五邊形

個五邊形    

 

珠珠數 

每個五邊形有

5

顆珠,而且 

每顆珠都是 2 個五邊形所

共用

。

 

所以 

12×5÷2=30(顆) 

 

三角形數量 

(連接處) 

第一層:

5

個三角形 

第二層:

5

個三角形 

第三層:

5

個三角形 

第四層:

5

個三角形 

共

共

共

共

20

20

20

20

個三角形

個三角形

個三角形

個三角形 

 

 

background image

 
 

 

9 

 

((((二

二

二

二))))增加

增加

增加

增加 5555 個六邊形的球體

個六邊形的球體

個六邊形的球體

個六邊形的球體    

我們以六邊形來擴充球體,發現每次增加的六邊形必須是 5 的倍數,最後才能串成一個完

整的立體造型。

    

    

五邊形、六邊形

 

的數量 

    第一層(頂層):1 個五邊形 

  第二層:5 個五邊形 

  第三層:5 個六邊形 

  第四層:5 個五邊形 

    第五層(底層):1 個五邊形 

共

共

共

共

12

12

12

12

個五邊形和

個五邊形和

個五邊形和

個五邊形和

5555

個六邊形

個六邊形

個六邊形

個六邊形

    

 

珠珠數 

五邊形有

5

顆珠, 

六邊形有

6

顆珠, 

而且每顆珠都會被

共用一次

。

 

所以 

珠珠數=(5×12+6×5)÷2=45(顆) 

 

三角形數量 

(連接處) 

第一層:

5

個三角形 

第二層:

5

個三角形 

第三層:

5

個三角形 

第四層:

5

個三角形 

第五層:

5

個三角形 

第六層:

5

個三角形 

共

共

共

共

30

30

30

30

個三角形

個三角形

個三角形

個三角形 

    

((((三

三

三

三))))增加

增加

增加

增加 10

10

10

10 個六邊形的球體

個六邊形的球體

個六邊形的球體

個六邊形的球體    

拼湊結構的不同,會有二種形狀的球體。 

1.

1.

1.

1.長球體

長球體

長球體

長球體:

:

:

:    

 

五邊形、六邊形

 

的數量 

第一層(頂層):1 個五邊形 

第二層:5 個五邊形 

第三層:5 個六邊形 

第四層:5 個六邊形 

第五層:5 個五邊形 

第六層(底層):1 個五邊形 

共

共

共

共

12

12

12

12

個五邊形和

個五邊形和

個五邊形和

個五邊形和

10

10

10

10

個六邊形

個六邊形

個六邊形

個六邊形

    

background image

 
 

 

10 

 

 

珠珠數 

五邊形有

5

顆珠, 

六邊形有

6

顆珠, 

而且每顆珠都會被

共用一次

。

 

所以 

珠珠數=(5×12+6×10)÷2=60(顆)

 

 

三角形數量 

(連接處) 

第一層:

5

個三角形 

第二層:

5

個三角形 

第三層:

5

個三角形 

第四層:

5

個三角形 

第五層:

5

個三角形 

第六層:

5

個三角形 

第七層:

5

個三角形 

第八層:

5

個三角形 

共

共

共

共

40

40

40

40

個三角形

個三角形

個三角形

個三角形 

    

2.

2.

2.

2.扁球體

扁球體

扁球體

扁球體:

:

:

:    

五邊形、六邊形

 

的數量 

第一層(頂層):1 個五邊形 

第二層:5 個六邊形 

第三層:10 個五邊形 

第四層:5 個六邊形 

第五層(底層):1 個五邊形 

共

共

共

共

12

12

12

12

個五邊形和

個五邊形和

個五邊形和

個五邊形和

10

10

10

10

個六邊形

個六邊形

個六邊形

個六邊形

    

 

珠珠數 

五邊形有

5

顆珠, 

六邊形有

6

顆珠, 

而且每顆珠都會被

共用一次

。

 

所以 

珠珠數=(5×12+6×10)÷2=60(顆)

 

 

三角形數量 

(連接處) 

第一層: 

5

個三角形 

第二層: 

5

個三角形 

第三層:

10

個三角形 

第四層:

10

個三角形 

第五層: 

5

個三角形 

第六層: 

5

個三角形 

共

共

共

共

40

40

40

40

個三角形

個三角形

個三角形

個三角形 

    

background image

 
 

 

11 

 

二

二

二

二、

、

、

、尤拉公式的套用

尤拉公式的套用

尤拉公式的套用

尤拉公式的套用    

串珠造型本身也是一種多面體的組合,因此我們參考多面體的數學資料中發現「所

有的多面體都會符合尤拉公式

尤拉公式

尤拉公式

尤拉公式」

,即以下: 

稜邊數

稜邊數

稜邊數

稜邊數(E)

(E)

(E)

(E)     +

+

+

+  2 

  2 

  2 

  2  =

=

=

=     頂點數

頂點數

頂點數

頂點數(V)

(V)

(V)

(V)     +

+

+

+     面數

面數

面數

面數(F)

(F)

(F)

(F)    

我們嘗試根據研究二中的各種立體造型,分析五邊形和六邊形的面數、三角形(連接處)

個數、珠珠個數後,套用尤拉公式,竟然可以成立。只是一些名詞必須轉換: 

尤拉公式中的

尤拉公式中的

尤拉公式中的

尤拉公式中的

稜邊數

稜邊數

稜邊數

稜邊數

(E)

(E)

(E)

(E)     =

=

=

=     串珠中的

串珠中的

串珠中的

串珠中的

珠數

珠數

珠數

珠數    

頂點數

頂點數

頂點數

頂點數

((((V

V

V

V))))     =

=

=

=     串珠中的

串珠中的

串珠中的

串珠中的

連接處

連接處

連接處

連接處

((((三角形

三角形

三角形

三角形))))    

因此公式改寫如下: 

尤拉公式

尤拉公式

尤拉公式

尤拉公式→

→

→

→     稜邊數

稜邊數

稜邊數

稜邊數(E)

(E)

(E)

(E)     +

+

+

+  2 

  2 

  2 

  2  =

=

=

=     頂點數

頂點數

頂點數

頂點數(V)

(V)

(V)

(V)     +

+

+

+     面數

面數

面數

面數(F)

(F)

(F)

(F)    

串

串

串

串       

       

       

        珠

珠

珠

珠→

→

→

→       

       

       

       

珠

珠

珠

珠     數

數

數

數

   

   

   

    +

+

+

+  2   

  2   

  2   

  2    =

=

=

=   

   

   

   

連接處

連接處

連接處

連接處

   

   

   

    +

+

+

+    

面數

面數

面數

面數

    

我們將上述串珠成品整理如下表,完全符合公式。 

面數 

多面體 

珠珠數

 

連接處

 

五邊形

 

六邊形

 

總面數

 

公式: 

珠數

珠數

珠數

珠數+

+

+

+  2

  2

  2

  2=

=

=

=連接處

連接處

連接處

連接處+

+

+

+面數

面數

面數

面數

 

五邊形球體 

30 

20 

12 

0 

12 

30+2=20+12 

增加 5 個六邊形

 

45 

30 

12 

5 

17 

45+2=30+17 

增加 10 個六邊形

 

60 

40 

12 

10 

22 

60+2=40+22 

 

 

 

 

 

五邊形球體 

增加 5 個六邊形 

增加 10 個六邊形 

background image

 
 

 

12 

 

三

三

三

三、

、

、

、繼續

繼續

繼續

繼續增加六邊形的數量

增加六邊形的數量

增加六邊形的數量

增加六邊形的數量,

,

,

,球體變成

球體變成

球體變成

球體變成柱體

柱體

柱體

柱體。

。

。

。    

((((一

一

一

一))))觀察成品

觀察成品

觀察成品

觀察成品    

由研究一得知,六邊形構成的串珠會變

六邊形構成的串珠會變

六邊形構成的串珠會變

六邊形構成的串珠會變成平面

成平面

成平面

成平面,

,

,

,所以如果增加六邊形的數量

所以如果增加六邊形的數量

所以如果增加六邊形的數量

所以如果增加六邊形的數量,

,

,

,

就可以使原本的球體拉長

就可以使原本的球體拉長

就可以使原本的球體拉長

就可以使原本的球體拉長,

,

,

,變成

變成

變成

變成柱體

柱體

柱體

柱體。 

 

    

((((二

二

二

二))))分析

分析

分析

分析    

1.擴充五邊形球體的六邊形之所以是以

擴充五邊形球體的六邊形之所以是以

擴充五邊形球體的六邊形之所以是以

擴充五邊形球體的六邊形之所以是以

5555

的倍數增加

的倍數增加

的倍數增加

的倍數增加,我們觀察到是以

延伸出來的連接

處

有幾個而定。例如下圖中,每一層會有 5 個連接處,所以每增加一層,就是增加 5

個六邊形。 

 

background image

 
 

 

13 

 

2.我們計算出珠數

計算出珠數

計算出珠數

計算出珠數、

、

、

、連接處

連接處

連接處

連接處、

、

、

、面數

面數

面數

面數,

,

,

,可以套用尤拉公式

可以套用尤拉公式

可以套用尤拉公式

可以套用尤拉公式。

。

。

。    

 

面數

面數

面數

面數    

珠珠數

珠珠數

珠珠數

珠珠數

    

連接處

連接處

連接處

連接處

    

五邊形

五邊形

五邊形

五邊形

    

六邊形

六邊形

六邊形

六邊形

    

總面數

總面數

總面數

總面數

    

公式

公式

公式

公式    

珠數

珠數

珠數

珠數+

+

+

+  2

  2

  2

  2=

=

=

=連接處

連接處

連接處

連接處+

+

+

+面數

面數

面數

面數    

30

30

30

30    

20

20

20

20    

12

12

12

12    

0000    

12

12

12

12    

30

30

30

30+

+

+

+2222=

=

=

=     20

20

20

20+

+

+

+12

12

12

12    

45

45

45

45    

30

30

30

30    

12

12

12

12    

5555    

17

17

17

17    

45

45

45

45+

+

+

+2222=

=

=

=     30

30

30

30+

+

+

+17

17

17

17    

66660000    

40

40

40

40    

12

12

12

12    

10

10

10

10    

22

22

22

22    

60

60

60

60+

+

+

+2222=

=

=

=     40

40

40

40+

+

+

+22

22

22

22    

75

75

75

75    

50

50

50

50    

12

12

12

12    

15

15

15

15    

27

27

27

27    

75

75

75

75+

+

+

+2222=

=

=

=     50

50

50

50+

+

+

+27

27

27

27    

90

90

90

90    

60

60

60

60    

12

12

12

12    

20

20

20

20    

32

32

32

32    

90

90

90

90+

+

+

+2222=

=

=

=     60

60

60

60+

+

+

+32

32

32

32    

105

105

105

105    

70

70

70

70    

12

12

12

12    

25

25

25

25    

37

37

37

37    

105

105

105

105+

+

+

+2222=

=

=

=     70

70

70

70+

+

+

+37

37

37

37    

120

120

120

120    

80

80

80

80    

12

12

12

12    

30

30

30

30    

42

42

42

42    

120

120

120

120+

+

+

+2222=

=

=

=     80

80

80

80+

+

+

+42

42

42

42    

135

135

135

135    

90

90

90

90    

12

12

12

12    

35

35

35

35    

47

47

47

47    

135

135

135

135+

+

+

+2222=

=

=

=     90

90

90

90+

+

+

+47

47

47

47    

150

150

150

150    

100

100

100

100    

12

12

12

12    

40

40

40

40    

52

52

52

52    

150

150

150

150+

+

+

+2222=

=

=

=100

100

100

100+

+

+

+52

52

52

52    

165

165

165

165    

110

110

110

110    

12

12

12

12    

45

45

45

45    

57

57

57

57    

165

165

165

165+

+

+

+2222=

=

=

=110

110

110

110+

+

+

+57

57

57

57    

180

180

180

180    

120

120

120

120    

12

12

12

12    

50

50

50

50    

62

62

62

62    

180

180

180

180+

+

+

+2222=

=

=

=120

120

120

120+

+

+

+62

62

62

62    

 

background image

 
 

 

14 

 

研究

研究

研究

研究四

四

四

四:

:

:

:串珠產生立體三面直角

串珠產生立體三面直角

串珠產生立體三面直角

串珠產生立體三面直角    

義工媽媽教導我們沙發造型的串珠,觀察到轉角處像是一個三面的直角,但真正的角

度為何?要如何證明?這引發我們研究立體三面直角中的問題。 

我們先串簡單的盒子造型,再仔細觀察轉角處發現,它是由 3 個四邊形和 1 個三角形

構成一半的立方八面體。但是珠珠是圓球體,很難用眼睛觀察珠與珠的角度,所以改用組

合立體模型片,老師教我們畢氏定理,利用畢氏定理證明出直角。 

 

 

 

 

 

 

沙發照片 

盒子 

3 個四邊形和 1 個三角形

 

立方八面體(一半)

 

 

證明過程如下

證明過程如下

證明過程如下

證明過程如下:

:

:

:    

想法

想法

想法

想法:

:

:

:求出

求出

求出

求出圖四-1 中△

△

△

△ABC

ABC

ABC

ABC 各邊長

各邊長

各邊長

各邊長,

,

,

,如果

如果

如果

如果 AB

2

+

+

+

+ AC

2

=

=

=

= BC

2

,

,

,

,    

能

能

能

能符合畢氏定理

符合畢氏定理

符合畢氏定理

符合畢氏定理,

,

,

,則

則

則

則∠

∠

∠

∠A

A

A

A=

=

=

=90

90

90

90°°°°。

。

。

。 

設立體模型的邊長為 1 

 

(一)求 BC 長度? 

BC 是六邊形的對角線, 

設立體模型的邊長為 1, 

所以 BC =2      (圖四-2) 

 

(二)求 AB 、 AC 長度?   

AB 、 AC 是正方形的對角線 

由畢氏定理算出斜邊 AB = AC = 2   (圖四-3) 

 

(三) AB 、 AC 、 BC 符合畢氏定理嗎? 

AB

2

= AC

2

=2 

BC

2

=2

2

=4 

AB

2

+ AC

2

=2+2=4 

BC

2

=4 

AB

2

+ AC

2

= BC

2

,符合畢氏定理,所以∠A=90°。 

由證明得知

由證明得知

由證明得知

由證明得知,

,

,

,沙發或盒子的造型

沙發或盒子的造型

沙發或盒子的造型

沙發或盒子的造型轉角處確實是

轉角處確實是

轉角處確實是

轉角處確實是直角

直角

直角

直角。

。

。

。    

圖四-1 

圖四-2 

圖四-3 

background image

 
 

 

15 

 

陸

陸

陸

陸、

、

、

、結論

結論

結論

結論    

我們身邊常可以看到美麗的串珠作品,甚至手工藝店、網路、書籍也教大家如何串出美

麗的作品,但是卻未見有關串珠的數學研究,我們進行了二年時間的探索,從串珠作品探討

其中的數學原理。結論如下: 

研究一:

相同大小的珠珠,由

「點→線→面」的操作方式串成平面

,若

以某顆珠為中心點,

其周圍角度和是 360°的有:四邊形

四邊形

四邊形

四邊形+

+

+

+四邊形

四邊形

四邊形

四邊形、

、

、

、六邊形

六邊形

六邊形

六邊形+

+

+

+三角形

三角形

三角形

三角形,這些串法可以形

成平面;而其他的組合會使平面拱起,甚至七邊形以上的串法就會造成凹凸不平。 

研究二:五邊形組合的「二十面十二面體」是最常見的造型,增加四邊形

四邊形

四邊形

四邊形或六邊形

六邊形

六邊形

六邊形可以擴

充五邊形球體。使用六邊形比四邊形更節省珠珠的使用數量,所以串珠中最常見

的就是增加六邊形組合來擴大變形。 

研究三:增加六邊形擴大球體時,其中五邊形仍然維持 12 面,六邊形會以 5 的倍數增加。

而且串珠作品只要進行名詞轉換,也符合尤拉公式: 

珠珠數

珠珠數

珠珠數

珠珠數((((稜邊數

稜邊數

稜邊數

稜邊數))))     +

+

+

+2

2

2

2     =

=

=

=     三角形連接處

三角形連接處

三角形連接處

三角形連接處((((頂點數

頂點數

頂點數

頂點數))))     +

+

+

+     面數

面數

面數

面數。

。

。

。    

研究四:利用四邊形再加上一個三角形的串法,就可以形成一個立體的三面直角,以畢氏

定理檢驗,證實確定為直角。 

 

柒

柒

柒

柒、

、

、

、參考資料

參考資料

參考資料

參考資料    

王麗芳(民 88)。串珠方程式

串珠方程式

串珠方程式

串珠方程式。台北縣:民勝文化。 

葉偉文譯(民 93 年)。典雅的幾何。頁 137-139。台北市:天下遠見。 

萊昂哈德·尤拉  -  維基百科,自由的百科全書。民國 98 年 6 月 23 日取自

http://zh.wikipedia.org/w/index.php  。 

background image

 
 

 

16 

 

 

附件

附件

附件

附件

 

我們進行串珠的研究已經二年,其實不止只有上述的研究,還有其他的研究內容,我們

放在附件提供參考。 

※

※

※

※串珠與

串珠與

串珠與

串珠與「

「

「

「一筆畫

一筆畫

一筆畫

一筆畫」

」

」

」原理之間的關係

原理之間的關係

原理之間的關係

原理之間的關係    

串珠的線只有一條,卻可以將珠珠連接起來,所以我們猜測這與「一筆畫」原理有關,

因此深入探討。 

一

一

一

一、

、

、

、介紹

介紹

介紹

介紹「

「

「

「一筆畫

一筆畫

一筆畫

一筆畫」

」

」

」原理

原理

原理

原理:

:

:

:    

數學家尤拉提出,交於點的線如果是兩條或四條,那個點就稱為偶數點;交於點的線

如果是三條或五條,那個點就稱為奇數點。 

一個圖形包括 3 個以上的奇數點,這個圖形就無法以一筆畫完成,所以一個圖形是否

能用一筆畫完成與奇數點數目有關,奇數點必定等於 2 或完全沒有。 

組合情形: 

1.圖形由偶數點組成,一定可以一筆畫完成,畫的時候可以任一偶數點為起點,最後仍

會回到這一點。 

2.只有二個奇數點的圖形,其餘為偶數點,一定可以一筆畫完成,畫的時候必須以一個

奇數點為起點,以另一個奇數點為終點。 

二

二

二

二、

、

、

、觀察偶數點的串珠成品

觀察偶數點的串珠成品

觀察偶數點的串珠成品

觀察偶數點的串珠成品:

:

:

:         

 

 

 

四邊形球(4) 

五邊形球(4) 

KITTY 頭(4) 

 

 

一串(2) 

蟹老闆(底部)(4) 

彩虹魚(4) 

background image

 
 

 

17 

 

三

三

三

三、

、

、

、分析

分析

分析

分析    

1.幾乎所有的串珠成品,交會處都是偶數點,不是 2、就是 4,並沒有奇數點。 

2.串珠只由一條線串成,但沒有重複串珠的情形,所以完全符合一筆畫原理。 

 

 

 

四

四

四

四、

、

、

、特殊情況

特殊情況

特殊情況

特殊情況    

  (一)以下作品是以同一條線,但是

重覆穿過珠珠,不符合一筆畫「不能重覆走」的條件

。 

 

同一條線穿過下面銅色小珠後,必須繞過外側再穿回

綠珠,所以

重覆穿過珠珠。

 

 

 

1.由最下面的黃珠(第 1 顆)開始串,當最後一顆是綠

珠,它會連接到第 1 顆黃珠後,只是形成一個平

面,所以對綠珠而言,仍是偶數點(2)。 

2.再

重覆將線穿過別的黃色珠

,才能將綠色珠固定在

黃色 3 顆珠的上方。 

 

(二)我們發現有些串珠作品

出現奇數點

,但是這些作品是

採用另外

加線的方式完成的

。

(如右圖所示)

   

 

 

background image

 
 

 

18 

 

※

立體串珠球體中面和邊的角度

立體串珠球體中面和邊的角度

立體串珠球體中面和邊的角度

立體串珠球體中面和邊的角度    

我們發現串珠成品並非是正多面體,大多是由二種以上的正多邊形所組合而成的立體造

型,而且通常含有三角形的存在。因此,我們嘗試將三角形+三角形、三角形+四方形、三

角形+五邊形等組合,串成簡單的立體造型,分析邊與邊的角度、面與面之間的角度。 

我們利用電腦軟體找到以下這些串珠造型在數學上的名稱,並且電腦軟體可以看到展開

圖和透視圖,有助於分析角度,我們再以 Phtoimpact 加上中線或角度數據來呈現報告。 

探究一

探究一

探究一

探究一:

:

:

:邊與邊的角度

邊與邊的角度

邊與邊的角度

邊與邊的角度    

我們發現串珠多面體的造型中,是正多邊形+三角形的組合,因此分析邊與邊的角度很

簡單,只要計算多邊形的內角即可。但是,我們也發現串珠造型的中線(稱為立體中線),也會

形成一個多邊形,所以,以下針對這二種進行分析: 

    

一

一

一

一、

、

、

、平面形狀為三角形

平面形狀為三角形

平面形狀為三角形

平面形狀為三角形:

:

:

:三角錐體

三角錐體

三角錐體

三角錐體    

串珠 

柏拉圖四面體 

邊與邊的角度 

 

 

因為邊線都是三角形的邊,所以

邊與邊的角度是 60 度。 

 

二

二

二

二、

、

、

、平面形狀為三角形

平面形狀為三角形

平面形狀為三角形

平面形狀為三角形:

:

:

:立體菱形

立體菱形

立體菱形

立體菱形    

邊與邊的角度 

串珠 

八面體網格球 

展開圖 

立體中線 

 

 

 

因為邊線都是三角形的邊, 

所以邊與邊的角度是 60 度。

 

中間有一個正方形, 

所以是 90 度(橘線)。 

 

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19 

 

三

三

三

三、

、

、

、平面形狀為三角形和正方形

平面形狀為三角形和正方形

平面形狀為三角形和正方形

平面形狀為三角形和正方形:

:

:

:立方八面體

立方八面體

立方八面體

立方八面體    

    

邊與邊的角度 

串珠 

立方八面體 

展開圖 

立體中線 

 

 

 

平面形狀有三角形、 

正方形二種,所以邊與邊的角

度分別有 60 度、90 度。 

中間六邊形, 

所以是 120 度(紅線)。 

 

四

四

四

四、

、

、

、平面形狀為三角形和五邊形

平面形狀為三角形和五邊形

平面形狀為三角形和五邊形

平面形狀為三角形和五邊形:

:

:

:二十面十二面體

二十面十二面體

二十面十二面體

二十面十二面體    

    

邊與邊的角度(3 種) 

串珠二十面十二面體 

展開圖 

立體中線 

 

 

 

半球 

1.三角形:60 度(綠線) 

2.五邊形:108 度(紅線) 

3.正 10 邊形:計算得知一個

角為 144 度(藍線) 

 

 

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20 

 

探究二

探究二

探究二

探究二:

:

:

:面與面的角度

面與面的角度

面與面的角度

面與面的角度    

串珠多面體中大多是正多邊形+三角形的組合,所以求相鄰面與面之間的角度,先畫二

個平面的中線,測量二個平面的中線的夾角,但是,因為都不是很特殊的角度,所以只能使

用立體模形片拼出相同的造型後,以量角器及尺測量 10 次,取平均值,以得知面與面的角度。 

 

一

一

一

一、

、

、

、平面形狀為三角形

平面形狀為三角形

平面形狀為三角形

平面形狀為三角形:

:

:

:三角錐體

三角錐體

三角錐體

三角錐體                         

                         

                         

                          二

二

二

二、

、

、

、平面形狀為三角形

平面形狀為三角形

平面形狀為三角形

平面形狀為三角形:

:

:

:立體菱形

立體菱形

立體菱形

立體菱形    

串珠 

(柏拉圖四面體) 

面與面的角度 

串珠 

八面體網格球 

面與面的角度 

 

 

 

A 面和 B 面之間面與面

的角度是 70 度。 

 

A 面和 B 面之間面與面

的角度是 110 度。 

 

三

三

三

三、

、

、

、平面形狀為三角形和正方形

平面形狀為三角形和正方形

平面形狀為三角形和正方形

平面形狀為三角形和正方形:

:

:

:立體菱形

立體菱形

立體菱形

立體菱形((((立方八面體

立方八面體

立方八面體

立方八面體)))) 

面的形狀 

串珠照片 

模型圖 

面與面的角度

 

三角形與四邊形

 

 

 

125 度 

 

四

四

四

四、

、

、

、平面形狀為三角形和五邊形

平面形狀為三角形和五邊形

平面形狀為三角形和五邊形

平面形狀為三角形和五邊形:

:

:

:圓球形

圓球形

圓球形

圓球形(

(

(

(二十面十二面體

二十面十二面體

二十面十二面體

二十面十二面體)

)

)

)    

面的形狀 

串珠照片 

模型圖 

面與面的角度

 

三角形與五邊形

 

 

 

145 度 

 

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【評語】

080407

 

1、  能由串珠球體中發掘出相關的幾何概念,並察覺其與尤

拉公式相關式,進而利用這個定理推算出製作各種成品造型

所需的珠數,立意頗佳,是個很道地的生活數學,惟數學的

內容方面可以再予以深化。 

2、  作者從不顯眼處察覺到立體角,並利用替代的模型片以

畢氏定理來驗證其角度,充分展現觀察的敏銳度及科學探究

的精神。 

 

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