Magi , eller magisk kvadrat - en kvadrat fylld med olika siffror på ett sådant sätt att summan av talen i varje rad, varje kolumn och på båda diagonalerna är densamma. Om summan av siffror endast i rader och kolumner är lika i en kvadrat, kallas det semimagic . En normal kvadrat är en magisk kvadrat fylld med naturliga tal från till . En magisk kvadrat kallas associativ eller symmetrisk om summan av två siffror som ligger symmetriskt runt kvadratens mitt är lika med .
Normala magiska rutor finns för alla beställningar utom för , även om fallet är trivialt - kvadraten består av ett enda nummer. Det minimala icke-triviala fallet visas nedan, det har ordning 3.
3 | 9 | åtta | femton | |||
tio | 6 | 2 | femton | |||
5 | fyra | 9 | femton | |||
femton | femton | femton | femton | femton |
Summan av talen i varje rad, kolumn och diagonal kallas den magiska konstanten , M. Den magiska konstanten för en normal magisk kvadrat beror endast på n och ges av
Varför är det så? | |
---|---|
Låt det vara en kvadrat med en sida Då blir det siffror i den. Å ena sidan summan av siffror Å andra sidan, Genom att likställa får vi den önskade formeln. |
De första värdena för de magiska konstanterna ges i följande tabell (sekvens A006003 i OEIS ):
Ordning | 3 | fyra | 5 | 6 | 7 | åtta | 9 | tio | elva | 12 | 13 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
femton | 34 | 65 | 111 | 175 | 260 | 369 | 505 | 671 | 870 | 1105 |
4+5+6 = 15
7+8+9+10 = 34
11+12+15+16+17 = 65
18+19+20+21+22+23 = 111
24+25+26+27+28+29+30 = 175
Lo Shu ( kinesiska trad. 洛書, ex. 洛书, pinyin luò shū ) Den enda normala 3×3 magiska kvadraten. Det var känt i det antika Kina , den första bilden på ett sköldpaddsskal går tillbaka till 2200 f.Kr. e.
5 | tio | 3 |
fyra | 6 | åtta |
9 | 2 | 7 |
I den västeuropeiska traditionen kallas detta torg Saturnus sigill (Sigillum Saturni). Kvadratparametrar: 3, 9, 15, 45 (3x3, 9 celler, summan i alla riktningar är 15, summan av alla tal i kvadraten är 45). [ett]
1 + 2 + 3 + 4 + 5 + 6 + 7 + 8 + 9 = 45
45 : 3 = 15
Det tidigaste unika magiska torget finns i en inskription från 1000-talet i den indiska staden Khajuraho :
7 | 12 | ett | fjorton |
2 | 13 | åtta | elva |
16 | 3 | tio | 5 |
9 | 6 | femton | fyra |
Detta är den första magiska kvadraten som tillhör variationen av de så kallade "djävuls"-rutorna [2] .
1 + 2 + 3 + 4 + 5 + 6 + 7 + 8 + 9 + 10 + 11 + 12 + 13 + 14 + 15 + 16 = 136
136 : 4 = 34
På XIII-talet. matematikern Yang Hui tog upp problemet med metoder för att konstruera magiska rutor. Hans forskning fortsatte sedan av andra kinesiska matematiker. Yang Hui ansåg magiska rutor inte bara av den tredje, utan också av högre ordning. Vissa av hans rutor var ganska komplicerade, men han gav alltid regler för att konstruera dem. Han lyckades konstruera en magisk kvadrat av sjätte ordningen, och den senare visade sig vara nästan associativ (endast två par centralt motsatta tal i den summerar inte till 37) [3] :
27 | 29 | 2 | fyra | 13 | 36 |
9 | elva | tjugo | 22 | 31 | arton |
32 | 25 | 7 | 3 | 21 | 23 |
fjorton | 16 | 34 | trettio | 12 | 5 |
28 | 6 | femton | 17 | 26 | 19 |
ett | 24 | 33 | 35 | åtta | tio |
Summan av alla 36 siffror är 666
666: 6 = 111
Den 4x4 magiska fyrkanten som avbildas i Albrecht Dürers gravyr " Melancholia I " anses vara den tidigaste inom europeisk konst [4] . De två mittersta siffrorna i den nedre raden anger datumet då gravyren skapades ( 1514 ).
17 | fyra | 3 | fjorton |
6 | 12 | 13 | 9 |
tio | åtta | 9 | 13 |
5 | 17 | 16 | 2 |
Summan av talen på alla horisontella, vertikala och diagonala är 34. Denna summa förekommer också i alla hörnrutor 2×2, i den centrala kvadraten (10+11+6+7), i kvadraten av hörnceller (16+) 13+4+1 ), i rutorna byggda av "riddarens drag" (2+12+15+5 och 3+8+14+9), i rektanglarnas hörn parallella med diagonalerna (2+8+ 15+9 och 3+12+14+5 ), i rektanglar bildade av par av mittceller på motsatta sidor (3+2+15+14 och 5+8+9+12). De flesta ytterligare symmetrier beror på det faktum att summan av två centralt symmetriska tal är 17.
Denna kvadrat är "Jupiters sigill" (Sigillum Iouis), har parametrar: 4, 16, 34, 136 (storlek 4x4, 16 celler, summan av riktningarna är 34, summan av alla siffror är 136). [ett]
1 + 2 + 3 + 4 + 5 + 6 + 7 + 8 + 9 + 10 + 11 + 12 + 13 + 14 + 15 + 16 = 136
136 : 4 = 34
Mars kvadrat eller sigill (Sigillum Martis) har följande parametrar: 5, 25, 65, 325 (storlek 5x5, 25 celler, summan av riktningarna är 65, summan av alla tal är 325).
12 | 25 | åtta | 21 | fyra |
5 | 13 | 26 | 9 | 17 |
arton | 6 | fjorton | 22 | tio |
elva | 19 | 2 | femton | 23 |
24 | 7 | tjugo | 3 | 16 |
325 : 5 = 65
Solens kvadratSolens sigill (Sigillum Solis) har följande parametrar: 6, 36, 111, 666 (storlek 6x6, 36 celler, summan i riktningarna är 111, summan av alla tal är 666).
6 | 32 | 3 | 34 | 35 | ett |
7 | elva | 27 | 28 | åtta | trettio |
19 | fjorton | 16 | femton | 23 | 24 |
arton | tjugo | 22 | 21 | 17 | 13 |
25 | 29 | tio | 9 | 26 | 12 |
36 | 5 | 33 | fyra | 2 | 31 |
666: 6 = 111
Venus SquareVenus sigill (Sigillum Veneris) har följande parametrar: 7, 49, 175, 1225 (storlek 7x7, 49 celler, summan av riktningarna är 175, summan av alla siffror är 1225).
22 | 47 | 16 | 41 | tio | 35 | fyra |
5 | 23 | 48 | 17 | 42 | elva | 29 |
trettio | 6 | 24 | 49 | arton | 36 | 12 |
13 | 31 | 7 | 25 | 43 | 19 | 37 |
38 | fjorton | 32 | ett | 26 | 44 | tjugo |
21 | 39 | åtta | 33 | 2 | 27 | 45 |
46 | femton | 40 | 9 | 34 | 3 | 28 |
1225: 7 = 175
Kvicksilver kvadratMerkurius sigill (Sigillum Mercurio) har parametrarna: 8, 64, 260, 2080 (storlek 8x8, 64 celler, summan av riktningarna är 260, summan av alla siffror är 2080).
åtta | 58 | 59 | 5 | fyra | 62 | 63 | ett |
49 | femton | fjorton | 52 | 53 | elva | tio | 56 |
41 | 23 | 22 | 44 | 45 | 19 | arton | 48 |
32 | 34 | 35 | 29 | 28 | 38 | 39 | 25 |
40 | 26 | 27 | 37 | 36 | trettio | 31 | 33 |
17 | 47 | 46 | tjugo | 21 | 43 | 42 | 24 |
9 | 55 | 54 | 12 | 13 | 51 | femtio | 16 |
64 | 2 | 3 | 61 | 60 | 6 | 7 | 57 |
2080: 8 = 260
Månens kvadratMånens sigill (Sigillum Lune) har följande parametrar: 9, 81, 369, 3321 (storlek 9x9, 81 celler, summan av riktningarna är 369, summan av alla tal är 3321).
37 | 78 | 29 | 70 | 21 | 62 | 13 | 54 | 5 |
6 | 38 | 79 | trettio | 71 | 22 | 63 | fjorton | 46 |
47 | 7 | 39 | 80 | 31 | 72 | 23 | 55 | femton |
16 | 48 | åtta | 40 | 81 | 32 | 64 | 24 | 56 |
57 | 17 | 49 | 9 | 41 | 73 | 33 | 65 | 25 |
26 | 58 | arton | femtio | ett | 42 | 74 | 34 | 66 |
67 | 27 | 59 | tio | 51 | 2 | 43 | 75 | 35 |
36 | 68 | 19 | 60 | elva | 52 | 3 | 44 | 76 |
77 | 28 | 69 | tjugo | 61 | 12 | 53 | fyra | 45 |
3321: 9 = 369
Om en icke strikt naturlig serie av tal läggs in i en n × n kvadratmatris , då är denna magiska kvadrat icke -traditionell . Nedan finns två sådana magiska rutor fyllda med primtal (även om 1 inte anses vara ett primtal i modern talteori). Den första har ordningen n=3 (Dudeneys kvadrat); den andra ( 4x4 i storlek ) är en Johnson square. Båda utvecklades i början av 1900-talet [5] :
|
|
Det finns flera andra liknande exempel:
17 | 89 | 71 |
113 | 59 | 5 |
47 | 29 | 101 |
ett | 823 | 821 | 809 | 811 | 797 | 19 | 29 | 313 | 31 | 23 | 37 |
89 | 83 | 211 | 79 | 641 | 631 | 619 | 709 | 617 | 53 | 43 | 739 |
97 | 227 | 103 | 107 | 193 | 557 | 719 | 727 | 607 | 139 | 757 | 281 |
223 | 653 | 499 | 197 | 109 | 113 | 563 | 479 | 173 | 761 | 587 | 157 |
367 | 379 | 521 | 383 | 241 | 467 | 257 | 263 | 269 | 167 | 601 | 599 |
349 | 359 | 353 | 647 | 389 | 331 | 317 | 311 | 409 | 307 | 293 | 449 |
503 | 523 | 233 | 337 | 547 | 397 | 421 | 17 | 401 | 271 | 431 | 433 |
229 | 491 | 373 | 487 | 461 | 251 | 443 | 463 | 137 | 439 | 457 | 283 |
509 | 199 | 73 | 541 | 347 | 191 | 181 | 569 | 577 | 571 | 163 | 593 |
661 | 101 | 643 | 239 | 691 | 701 | 127 | 131 | 179 | 613 | 277 | 151 |
659 | 673 | 677 | 683 | 71 | 67 | 61 | 47 | 59 | 743 | 733 | 41 |
827 | 3 | 7 | 5 | 13 | elva | 787 | 769 | 773 | 419 | 149 | 751 |
Den sista kvadraten, byggd 1913 av J. N. Munsey, är anmärkningsvärd genom att den består av 143 på varandra följande primtal, med undantag av två punkter: en enhet är inblandad, som inte är ett primtal, och det enda jämna primtal 2 används inte.
En pandiagonal eller djävulens kvadrat är en magisk kvadrat där summan av siffror längs brutna diagonaler (diagonaler som bildas när en kvadrat viks till en torus ) i båda riktningarna också sammanfaller med en magisk konstant .
Det finns 48 4x4 djävulsrutor i standardformen Frenicle - upp till rotationer och reflektioner. Den pandiagonala kvadraten behåller egenskaper när rader eller kolumner raderas parallellt . Därför kan enheten flyttas till det övre vänstra hörnet. Det finns 12 sådana pandiagonala rutor i planet. De ges nedan:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
På torus motsvarar varje fyra av dessa rutor en ruta. Detta beror på att om du skär torusen, med utgångspunkt från enhetscellen som ett hörn, kan detta göras på fyra sätt, genom att tilldela vart och ett av de fyra hörnen av enhetscellen vinkeln på en platt kvadrat. Därför finns det bara 3 pandiagonala rutor på torusen, vilken som helst av de fyra som motsvarar den kan användas för att avbilda en torisk fyrkant på ett plan.
Pandiagonala kvadrater finns för udda ordning n>3, för alla dubbelparitetsordningar n=4k (k=1,2,3...) och finns inte för enkel paritetsordning ( ).
Pandiagonala kvadrater av fjärde ordningen har ett antal ytterligare egenskaper för vilka de kallas perfekta . Perfekta rutor av udda ordning finns inte. Bland pandiagonala kvadrater med dubbel paritet över 4 finns perfekta [6] .
Pandiagonala rutor av femte ordningen 3600 . Inklusive toriska parallella översättningar finns det 144 olika pandiagonala kvadrater. En av dem visas nedan.
ett | femton | 24 | åtta | 17 |
9 | arton | 2 | elva | 25 |
12 | 21 | tio | 19 | 3 |
tjugo | fyra | 13 | 22 | 6 |
23 | 7 | 16 | 5 | fjorton |
Om den pandiagonala kvadraten också är associativ, så kallas den ideal [7] . Ett exempel på en perfekt magisk fyrkant:
21 | 32 | 70 | 26 | 28 | 69 | 22 | 36 | 65 |
40 | 81 | 2 | 39 | 77 | 7 | 44 | 73 | 6 |
62 | tio | 51 | 58 | arton | 47 | 57 | fjorton | 52 |
66 | 23 | 34 | 71 | 19 | 33 | 67 | 27 | 29 |
fyra | 45 | 74 | 3 | 41 | 79 | åtta | 37 | 78 |
53 | 55 | femton | 49 | 63 | elva | 48 | 59 | 16 |
trettio | 68 | 25 | 35 | 64 | 24 | 31 | 72 | tjugo |
76 | 9 | 38 | 75 | 5 | 43 | 80 | ett | 42 |
17 | 46 | 60 | 13 | 54 | 56 | 12 | femtio | 61 |
Det är känt att det inte finns några ideala magiska kvadrater av ordningen n = 4k+2 och ingen kvadrat av ordningen n = 4 . Samtidigt finns det perfekta kvadrater av ordningen n = 8 . Genom att använda metoden för att konstruera sammansatta kvadrater är det möjligt att konstruera, på basis av en given kvadrat av åttonde ordningen, ideala kvadrater av ordningen n = 8k, k=5,7,9... och ordningen n = 8^p, p=2,3,4... Under 2008 utvecklades en kombinatorisk metod som konstruerade perfekta kvadrater av ordningen n = 4k, k = 2, 3, 4,...
Beskrivs av Yu. V. Chebrakov i The Theory of Magic Matrices .
För ett givet udda n, rita en n gånger n kvadratisk tabell. Vi kommer att fästa terrasser (pyramider) till detta bord på alla fyra sidor. Som ett resultat får vi en stegad symmetrisk figur.
|
Börja från vänster hörn på den stegade figuren, fyll dess diagonala rader med på varandra följande naturliga tal från 1 till .
Därefter, för att erhålla en klassisk matris av N:te ordningen, placeras numren i terrasserna på de platser i tabellen NxN där de skulle vara om de flyttades tillsammans med terrasserna tills terrassernas baser gränsar till motsatt sida av bordet.
|
|
Dessutom är den här metoden också sann om den magiska kvadraten inte behöver bestå av siffror från 1 till N, utan också från K till N, där 1 <= K< N.
Reglerna för att konstruera magiska rutor delas in i tre kategorier, beroende på om kvadratens ordning är udda, lika med två gånger ett udda tal eller lika med fyra gånger ett udda tal. Den allmänna metoden för att konstruera alla rutor är okänd, även om olika scheman används i stor utsträckning. [8] [9] Det är möjligt att hitta alla magiska rutor av ordning endast för , därför särskilda procedurer för att konstruera magiska rutor för . Den enklaste konstruktionen är för en magisk kvadrat av udda ordning. Du måste sätta ett tal i cellen med koordinater (där och ändra från 1 till ) (Obs: denna formel är sann för alla kvadrater av udda ordning, förutom kvadrater av formen . I dessa kvadrater, summan av talen på huvuddiagonalen är N mer än den magiska konstanten.)
Det är ännu lättare att konstruera konstruktionen enligt följande. En nxn-matris tas. En trappad romb är byggd inuti den. I den är cellerna från vänster och uppåt längs diagonalerna fyllda med en rad med udda tal. Värdet på den centrala cellen C bestäms. Då blir värdena i hörnen på den magiska kvadraten följande: övre högra cellen C-1 ; nedre vänstra cell C+1; nedre högra cellen Cn; övre vänstra cellen C+n. Fyllning av tomma celler i stegade hörntrianglar utförs i enlighet med enkla regler: 1) i rader ökar antalet från vänster till höger i steg om n + 1; 2) i kolumner uppifrån och ned ökar siffrorna med steget n-1.
Algoritmer för att konstruera pandiagonala rutor [10] [11] och idealiska 9x9 magiska rutor har också utvecklats. [12] [13] Dessa resultat tillåter oss att konstruera magiska rutor i perfekt ordning för . [7] [14] Det finns också allmänna metoder för att ordna perfekta magiska kvadrater av udda ordning . [15] [16] Metoder för att konstruera ideala magiska kvadrater av ordningen n=8k, k=1,2,3… [17] och perfekta magiska kvadrater har utvecklats. [18] Pandiagonala och ideala kvadrater av jämn-udda ordning kan bara kombineras om de är otraditionella. [19] [20] [21] Ändå är det möjligt att hitta nästan pandiagonala rutor [22] En speciell grupp av idealiskt perfekta magiska rutor (traditionella och icke-traditionella) [23] finns .
Magiska rutor av udda ordning och ordning av dubbel paritet har metodiskt strikt utarbetats. [24] Formaliseringen av kvadrater i ordningen enkel paritet är mycket svårare, vilket illustreras av följande scheman:
|
|
|
Det finns dussintals andra metoder för att konstruera magiska rutor.
Det är känt att schack , som magiska rutor, dök upp för dussintals århundraden sedan i Indien . Därför var det inte av en slump att idén om en schackinställning till konstruktionen av magiska rutor uppstod. Denna idé uttrycktes först av Euler . Han försökte få hela magiska torget genom att kontinuerligt gå runt riddaren. Men han misslyckades med att göra detta, för i huvuddiagonalerna skilde sig summorna av siffror från den magiska konstanten. Men schacklayouten låter dig skapa vilken magisk ruta som helst. Siffrorna fylls i regelbundet och rad för rad, med hänsyn till cellernas färg.
Ordböcker och uppslagsverk |
| |||
---|---|---|---|---|
|