Magisk kvadrat

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 29 april 2022; kontroller kräver 19 redigeringar .

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

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

Historiskt betydelsefulla magiska rutor

Lo Shu Square

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

Fyrkant hittad i Khajuraho (Indien)

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

Yang Huis magiska kvadrat (Kina)

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

Albrecht Dürers torg

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

Magiska rutor av Athanasius Kircher [1]

Mars Square

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 kvadrat

Solens 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 Square

Venus 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 kvadrat

Merkurius 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 kvadrat

Månens 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

Squares av Henry E. Dudeney och Allan W. Johnson Jr.

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] :

68 2 44
fjorton 38 62
32 74 åtta
fyra 62 tjugo 40
44 32 fyra 42
åtta 12 74 trettio
68 arton 24 femton

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.

Rutor med ytterligare egenskaper

Pandiagonal magisk kvadrat

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:

ett åtta tio femton
fjorton elva 5 fyra
7 2 16 9
12 13 3 6
ett åtta tio femton
12 13 3 6
7 2 16 9
fjorton elva 5 fyra
ett 12 7 fjorton
femton 6 9 fyra
tio 3 16 5
åtta 13 2 elva
ett fjorton 7 12
femton fyra 9 6
tio 5 16 3
åtta elva 2 13
ett åtta 13 12
femton tio 3 6
fyra 5 16 9
fjorton elva 2 7
ett åtta 13 12
fjorton elva 2 7
fyra 5 16 9
femton tio 3 6
ett 12 13 åtta
fjorton 7 2 elva
fyra 9 16 5
femton 6 3 tio
ett 12 13 åtta
femton 6 3 tio
fyra 9 16 5
fjorton 7 2 elva
ett åtta elva fjorton
femton tio 5 fyra
6 3 16 9
12 13 2 7
ett åtta elva fjorton
12 13 2 7
6 3 16 9
femton tio 5 fyra
ett fjorton elva åtta
femton fyra 5 tio
6 9 16 3
12 7 2 13
ett 12 6 femton
fjorton 7 9 fyra
elva 2 16 5
åtta 13 3 tio

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,...

Konstruktion av magiska rutor

Terrassmetoden

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.

fyra 5
3 fyra tio
2 3 9 femton
ett 2 åtta fjorton tjugo
0 ett 7 13 19 25
-ett 6 12 arton 24
-2 elva 17 23
-3 16 22
-fyra 21
.
fyra 3 2 ett 0 ett 2 3 fyra

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.

fyra
3
2 3 16 9 22 femton
ett tjugo åtta 21 fjorton 2
0 7 25 13 ett 19
-ett 24 12 5 arton 6
-2 elva fyra 17 tio 23
-3
-fyra
.
-fyra -3 -2 -ett 0 ett 2 3 fyra


3 16 9 22 femton
tjugo åtta 21 fjorton 2
7 25 13 ett 19
24 12 5 arton 6
elva fyra 17 tio 23

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.

Andra sätt

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 .

Exempel på mer komplexa rutor

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:

arton 24 5 6 12
22 3 9 femton 16
ett 7 13 19 25
tio elva 17 23 fyra
fjorton tjugo 21 2 åtta
64 2 3 61 60 6 7 57
9 55 54 12 13 51 femtio 16
17 47 46 tjugo 21 43 42 24
40 26 27 37 36 trettio 31 33
32 34 35 29 28 38 39 25
41 23 22 44 45 19 arton 48
49 femton fjorton 52 53 elva tio 56
åtta 58 59 5 fyra 62 63 ett
100 99 93 7 5 6 fyra åtta 92 91
elva 89 88 84 16 femton 17 83 82 tjugo
trettio 22 78 77 75 26 74 73 29 21
61 39 33 67 66 65 64 38 32 40
60 52 48 44 56 55 47 43 49 51
femtio 42 53 54 46 45 57 58 59 41
31 62 63 37 36 35 34 68 69 70
71 72 28 27 25 76 24 23 79 80
81 19 arton fjorton 85 86 87 13 12 90
tio 9 3 94 95 96 97 98 2 ett

Det finns dussintals andra metoder för att konstruera magiska rutor.

Chess approach

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.

Se även

Anteckningar

  1. ↑ 1 2 3 Athanasius Kircher. Aritmologi. - ROMAE: Typographia Varesij, 1665. - S. 64-72. — 317 sid.
  2. Tillägnad Jupiter . Hämtad 8 februari 2011. Arkiverad från originalet 8 februari 2011.
  3. V. E. Eremeev " Traditional Science of China Arkivkopia daterad 25 februari 2008 på Wayback Machine " , Kapitel 5: Matematik .
  4. N. Makarova " Dürers magiska kvadratiska arkivkopia av 1 juli 2011 på Wayback Machine "
  5. A.K. Dudeni " Sifting the Numerical Sand in Search of Primes Archived September 21, 2008 at the Wayback Machine "
  6. N. Makarova " Perfekta magiska rutor Arkiverad kopia av 28 april 2011 på Wayback Machine "
  7. 1 2 G. Aleksandrov " Idealiska magiska rutor , där arkivkopia av 20 november 2012 på Wayback Machine "
  8. Magic Square . Encyclopedia "Circumnavigation" . Arkiverad från originalet den 12 januari 2002.
  9. N. Makarova " Metoder för att konstruera magiska rutor (recensionsartikel) Arkiverad kopia av 25 april 2009 på Wayback Machine "
  10. G. Alexandrov " En metod för att konstruera en idealisk magisk kvadrat av udda ordning Arkiverad kopia av 29 januari 2008 på Wayback Machine "
  11. G. Aleksandrov
  12. G. Aleksandrov
  13. N. Makarova " Magiska rutor av nionde ordningens arkivexemplar av 14 april 2011 på Wayback Machine "
  14. N. Makarova " Pandiagonala rutor med udda ordningsföljder av multipler av nio Arkivexemplar av 28 april 2011 på Wayback Machine "
  15. G. Aleksandrov
  16. N. Makarova
  17. N. Makarova “ En metod för att konstruera perfekta kvadrater av ordningen n = 8k Arkivexemplar av 27 april 2011 på Wayback Machine
  18. N. Makarova
  19. E. Slkuni " Icke- traditionella 6:e ordningens pandiagonala magiska kvadrater Arkiverad 2 november 2007 på Wayback Machine "
  20. N. Makarova
  21. G. Alexandrov " Idealisk icke-traditionell magisk kvadrat av ordningen n = 4k + 2 Arkiverad 20 november 2012 på Wayback Machine
  22. G. Aleksandrov " Nästan pandiagonala magiska rutor av ordning 4k + 2 Arkivexemplar av 20 november 2012 på Wayback Machine "
  23. G. Alexandrov " En idealisk perfekt magisk kvadrat av jämn ordning Arkiverad kopia av 20 november 2012 på Wayback Machine
  24. http://bspu.ab.ru/~festival/kon2001/teacher/konspect/inform/stepanowa_nowichihina.rtf  (otillgänglig länk)

Litteratur

Länkar