Пандиагональный магический квадрат
Пандиагональный магический квадрат или панмагический квадрат (также дьявольский квадрат , дьявольский квадрат или дьявольский магический квадрат ) — это магический квадрат с дополнительным свойством, заключающимся в том, что ломаные диагонали , то есть диагонали, которые закругляются по краям квадрата, также складываются в сумму магическая константа .
Пандиагональный магический квадрат остается пандиагонально магическим не только при вращении или отражении , но и если строка или столбец перемещаются с одной стороны квадрата на противоположную сторону. Таким образом, Пандиагональный магический квадрат можно рассматривать как имеющий ориентации.
Пандиагональные магические квадраты 3 × 3
[ редактировать ]Можно показать, что нетривиальных пандиагональных магических квадратов третьего порядка не существует. Предположим, квадрат
является пандиагонально магическим с магической константой . Сложение сумм и приводит к . Вычитание и мы получаем . Однако, если мы переместим третий столбец вперед и выполним тот же аргумент, мы получим . Фактически, используя симметрию магических квадратов 3 × 3, все ячейки должны быть равны . Следовательно, все пандиагональные магические квадраты 3 × 3 должны быть тривиальными.
Однако если обобщить концепцию магического квадрата и включить в него геометрические фигуры вместо чисел – геометрические магические квадраты, открытые Ли Саллоузом , – пандиагональный магический квадрат 3 × 3 действительно существует.
Пандиагональные магические квадраты 4 × 4
[ редактировать ]Наименьшие нетривиальные пандиагональные магические квадраты — это квадраты 4 × 4. Все пандиагональные магические квадраты 4 × 4 должны быть трансляционно симметричны форме [1]
а | а + б + в + е | а + в + г | а + б + г + е |
а + б + в + г | а + г + е | а + б | а + в + е |
а + б + е | а + с | а + б + в + г + е | а + д |
а + в + г + е | а + б + г | а + е | а + б + в |
Поскольку сумма каждого подквадрата 2 × 2 равна магической константе, пандиагональные магические квадраты 4 × 4 являются наиболее совершенными магическими квадратами . Кроме того, два числа в противоположных углах любого квадрата 3×3 в сумме составляют до половины магической константы. пандиагональные магические квадраты 4 × 4 Следовательно, все ассоциативные должны иметь повторяющиеся ячейки.
Все пандиагональные магические квадраты 4 × 4 с числами от 1 до 16 без дубликатов получаются путем присвоения 1 ; пусть b , c , d и e равны 1, 2, 4 и 8 в некотором порядке; и применив некоторый перевод . Например, при b = 1 , c = 2 , d = 4 и e = 8 мы имеем магический квадрат
1 | 12 | 7 | 14 |
8 | 13 | 2 | 11 |
10 | 3 | 16 | 5 |
15 | 6 | 9 | 4 |
Число пандиагональных магических квадратов 4 × 4 с числами 1–16 без дубликатов равно 384 (16 умножить на 24, где 16 соответствует переводу, а 24 — 4 ! способам присвоения 1, 2, 4 и 8 b , в , г и д ).
Пандиагональные магические квадраты 5 × 5
[ редактировать ]Существует множество пандиагональных магических квадратов 5 × 5. В отличие от пандиагональных магических квадратов 4 × 4, они могут быть ассоциативными . Ниже представлен ассоциативный пандиагональный магический квадрат 5 × 5:
20 | 8 | 21 | 14 | 2 |
11 | 4 | 17 | 10 | 23 |
7 | 25 | 13 | 1 | 19 |
3 | 16 | 9 | 22 | 15 |
24 | 12 | 5 | 18 | 6 |
В дополнение к строкам, столбцам и диагоналям пандиагональный магический квадрат 5 × 5 также показывает свою магическую константу в четырех шаблонах « квинунса », которые в приведенном выше примере таковы:
- 17+25+13+1+9 = 65 (центр плюс квадраты соседних строк и столбцов)
- 21+7+13+19+5 = 65 (центр плюс оставшиеся квадраты строки и столбца)
- 4+10+13+16+22 = 65 (центр плюс соседние по диагонали квадраты)
- 20+2+13+24+6 = 65 (центр плюс остальные квадраты на его диагоналях)
Каждый из этих квинкунсов можно перевести в другие позиции квадрата путем циклической перестановки строк и столбцов (обтекания), что в пандиагональном магическом квадрате не влияет на равенство магических констант. Это приводит к 100 суммам квинконсов, включая ломаные квинконсы, аналогичные ломаным диагоналям.
Суммы квинкунса можно доказать, взяв линейные комбинации сумм строки, столбца и диагонали. Рассмотрим пандиагональный магический квадрат.
с магической константой s . Чтобы доказать сумму квинконса (соответствует примеру 20+2+13+24+6 = 65, приведенному выше), мы можем сложить следующее:
- 3 раза по каждой диагональной сумме и ,
- Диагональные суммы , , , и ,
- Сумма строк и .
Из этой суммы вычтите следующее:
- Сумма строк и ,
- Сумма столбца ,
- Дважды суммы каждого столбца и .
Чистый результат , которое делится на 5, дает сумму квинконса. Подобные линейные комбинации можно построить и для других паттернов квинкунса. , , и .
(4 n +2) × (4 n +2) пандиагональные магические квадраты с непоследовательными элементами
[ редактировать ]Никакого пандиагонального магического квадрата упорядоченного не существует. если последовательные целые числа используются . Но некоторые последовательности непоследовательных целых чисел допускают порядок-( ) пандиагональные магические квадраты.
Рассмотрим сумму 1+2+3+5+6+7 = 24. Эту сумму можно разделить пополам, взяв соответствующие группы из трех слагаемых, или на трети, используя группы из двух слагаемых:
- 1+5+6 = 2+3+7 = 12
- 1+7 = 2+6 = 3+5 = 8
Дополнительное равное разбиение суммы квадратов гарантирует отмеченное ниже полубимагическое свойство:
- 1 2 + 5 2 + 6 2 = 2 2 + 3 2 + 7 2 = 62
Обратите внимание, что последовательная целочисленная сумма 1+2+3+4+5+6 = 21, нечетная сумма, не имеет половинного разделения.
При наличии обоих равных разделов числа 1, 2, 3, 5, 6, 7 можно упорядочить в пандигональные шаблоны 6 × 6 A и B , соответственно, определяемые следующим образом:
1 | 5 | 6 | 7 | 3 | 2 |
5 | 6 | 1 | 3 | 2 | 7 |
6 | 1 | 5 | 2 | 7 | 3 |
1 | 5 | 6 | 7 | 3 | 2 |
5 | 6 | 1 | 3 | 2 | 7 |
6 | 1 | 5 | 2 | 7 | 3 |
6 | 5 | 1 | 6 | 5 | 1 |
1 | 6 | 5 | 1 | 6 | 5 |
5 | 1 | 6 | 5 | 1 | 6 |
2 | 3 | 7 | 2 | 3 | 7 |
7 | 2 | 3 | 7 | 2 | 3 |
3 | 7 | 2 | 3 | 7 | 2 |
Затем (где C — магический квадрат с 1 для всех ячеек) дает непоследовательный пандиагональный квадрат 6 × 6:
6 | 33 | 36 | 48 | 19 | 8 |
29 | 41 | 5 | 15 | 13 | 47 |
40 | 1 | 34 | 12 | 43 | 20 |
2 | 31 | 42 | 44 | 17 | 14 |
35 | 37 | 3 | 21 | 9 | 45 |
38 | 7 | 30 | 10 | 49 | 16 |
с максимальным элементом 49 и пандиагональной магической константой 150.Этот квадрат пандиагональный и полубимагический, то есть строки, столбцы, главные диагонали и ломаные диагонали имеют сумму 150, и, если возвести в квадрат все числа в квадрате, только строки и столбцы будут магическими и будут иметь сумму 5150.
Для 10-го порядка аналогичная конструкция возможна при равных разбиениях суммы 1+2+3+4+5+9+10+11+12+13 = 70:
- 1+3+9+10+12 = 2+4+5+11+13 = 35
- 1+13 = 2+12 = 3+11 = 4+10 = 5+9 = 14
- 1 2 + 3 2 + 9 2 + 10 2 + 12 2 = 2 2 + 4 2 + 5 2 + 11 2 + 13 2 = 335 (равное разбиение квадратов; полубимагическое свойство)
Это приводит к тому, что квадраты имеют максимальный элемент 169 и пандиагональную магическую константу 850, которые также являются полубимагическими, при этом сумма квадратов в каждой строке или столбце равна 102 850.
(6 n ±1)×(6 n ±1) пандиагональные магические квадраты
[ редактировать ]А Пандиагональный магический квадрат можно построить по следующему алгоритму.
- Установите первую колонну квадрата с первым натуральные числа .
1 2 3 4 5 6 7 - Скопируйте первый столбец во второй столбец, но сдвиньте его по кольцу на 2 строки.
1 6 2 7 3 1 4 2 5 3 6 4 7 5 - Продолжайте копировать текущий столбец в следующий, сдвигая по кольцу на 2 строки, пока квадрат не заполнится полностью.
1 6 4 2 7 5 3 2 7 5 3 1 6 4 3 1 6 4 2 7 5 4 2 7 5 3 1 6 5 3 1 6 4 2 7 6 4 2 7 5 3 1 7 5 3 1 6 4 2 - Постройте второй квадрат и скопируйте в него транспонирование первого квадрата.
А 1 6 4 2 7 5 3 2 7 5 3 1 6 4 3 1 6 4 2 7 5 4 2 7 5 3 1 6 5 3 1 6 4 2 7 6 4 2 7 5 3 1 7 5 3 1 6 4 2 1 2 3 4 5 6 7 6 7 1 2 3 4 5 4 5 6 7 1 2 3 2 3 4 5 6 7 1 7 1 2 3 4 5 6 5 6 7 1 2 3 4 3 4 5 6 7 1 2 - Постройте последний квадрат, умножив второй квадрат на , прибавляя первый квадрат и вычитая в каждой клетке квадрата.
Пример: , где B — магический квадрат, в котором все ячейки равны 1.
1 13 18 23 35 40 45 37 49 5 10 15 27 32 24 29 41 46 2 14 19 11 16 28 33 38 43 6 47 3 8 20 25 30 42 34 39 44 7 12 17 22 21 26 31 36 48 4 9
4 n × 4 n пандиагональных магических квадратов
[ редактировать ]А Пандиагональный магический квадрат можно построить по следующему алгоритму.
- Поставь первый натуральные числа в первую строку и первую колонны площади.
1 2 3 4 - Поставь следующий натуральные числа под первым натуральные числа в обратном порядке. Каждая вертикальная пара должна иметь одинаковую сумму.
1 2 3 4 8 7 6 5 - Скопируйте это прямоугольник раз ниже первого прямоугольника.
1 2 3 4 8 7 6 5 1 2 3 4 8 7 6 5 1 2 3 4 8 7 6 5 1 2 3 4 8 7 6 5 - Скопируйте левую прямоугольник вправо прямоугольник, но сдвиньте его по кольцу на одну строку.
1 2 3 4 8 7 6 5 8 7 6 5 1 2 3 4 1 2 3 4 8 7 6 5 8 7 6 5 1 2 3 4 1 2 3 4 8 7 6 5 8 7 6 5 1 2 3 4 1 2 3 4 8 7 6 5 8 7 6 5 1 2 3 4 - Постройте второй квадрат и скопируйте в него первый квадрат, но поверните его на 90°.
А 1 2 3 4 8 7 6 5 8 7 6 5 1 2 3 4 1 2 3 4 8 7 6 5 8 7 6 5 1 2 3 4 1 2 3 4 8 7 6 5 8 7 6 5 1 2 3 4 1 2 3 4 8 7 6 5 8 7 6 5 1 2 3 4 Б 5 4 5 4 5 4 5 4 6 3 6 3 6 3 6 3 7 2 7 2 7 2 7 2 8 1 8 1 8 1 8 1 4 5 4 5 4 5 4 5 3 6 3 6 3 6 3 6 2 7 2 7 2 7 2 7 1 8 1 8 1 8 1 8 - Постройте последний квадрат, умножив второй квадрат на , прибавляя первый квадрат и вычитая в каждой клетке квадрата.
Пример: , где C — магический квадрат, в котором все ячейки равны 1.
33 26 35 28 40 31 38 29 48 23 46 21 41 18 43 20 49 10 51 12 56 15 54 13 64 7 62 5 57 2 59 4 25 34 27 36 32 39 30 37 24 47 22 45 17 42 19 44 9 50 11 52 16 55 14 53 8 63 6 61 1 58 3 60
Если мы построим пандиагональный магический квадрат с этим алгоритмом, то каждый квадрат в квадрат будет иметь ту же сумму. Поэтому многие симметричные модели ячейки имеют ту же сумму, что и любая строка и любой столбец квадрат. Особенно каждый и каждый прямоугольник будет иметь ту же сумму, что и любая строка и любой столбец квадрат. квадрат также является наиболее совершенным магическим квадратом .
(6 n +3)×(6 n +3) пандиагональные магические квадраты
[ редактировать ]А Пандиагональный магический квадрат можно построить по следующему алгоритму.
- Создайте прямоугольник с первым натуральные числа так, чтобы в каждом столбце была одинаковая сумма. Вы можете сделать это, начав с магического квадрата 3 × 3 и расположив остальные ячейки прямоугольника в стиле меандра . Вы также можете использовать шаблон, показанный в следующих примерах.
Для квадрата 9×9
вертикальная сумма = 151 2 3 5 6 4 9 7 8 Для квадрата 15×15
вертикальная сумма = 401 2 3 5 6 4 9 7 8 10 11 12 15 14 13 Для квадрата 21×21
вертикальная сумма = 771 2 3 5 6 4 9 7 8 10 11 12 15 14 13 16 17 18 21 20 19 - Поместите этот прямоугольник в левый верхний угол квадрат и две копии прямоугольника под ним, чтобы первые три столбца квадрата были заполнены полностью.
1 2 3 5 6 4 9 7 8 1 2 3 5 6 4 9 7 8 1 2 3 5 6 4 9 7 8 - Скопируйте левые 3 столбца в следующие 3 столбца, но сдвиньте их по кольцу на 1 строку.
1 2 3 9 7 8 5 6 4 1 2 3 9 7 8 5 6 4 1 2 3 9 7 8 5 6 4 1 2 3 9 7 8 5 6 4 1 2 3 9 7 8 5 6 4 1 2 3 9 7 8 5 6 4 - Продолжайте копировать текущие 3 столбца в следующие 3 столбца, сместив по кольцу на 1 строку, пока квадрат не заполнится полностью.
1 2 3 9 7 8 5 6 4 5 6 4 1 2 3 9 7 8 9 7 8 5 6 4 1 2 3 1 2 3 9 7 8 5 6 4 5 6 4 1 2 3 9 7 8 9 7 8 5 6 4 1 2 3 1 2 3 9 7 8 5 6 4 5 6 4 1 2 3 9 7 8 9 7 8 5 6 4 1 2 3 - Постройте второй квадрат и скопируйте в него транспонирование первого квадрата.
А 1 2 3 9 7 8 5 6 4 5 6 4 1 2 3 9 7 8 9 7 8 5 6 4 1 2 3 1 2 3 9 7 8 5 6 4 5 6 4 1 2 3 9 7 8 9 7 8 5 6 4 1 2 3 1 2 3 9 7 8 5 6 4 5 6 4 1 2 3 9 7 8 9 7 8 5 6 4 1 2 3 1 5 9 1 5 9 1 5 9 2 6 7 2 6 7 2 6 7 3 4 8 3 4 8 3 4 8 9 1 5 9 1 5 9 1 5 7 2 6 7 2 6 7 2 6 8 3 4 8 3 4 8 3 4 5 9 1 5 9 1 5 9 1 6 7 2 6 7 2 6 7 2 4 8 3 4 8 3 4 8 3 - Постройте последний квадрат, умножив второй квадрат на , прибавляя первый квадрат и вычитая в каждой клетке квадрата.
Пример: , где B — магический квадрат, в котором все ячейки равны 1.
1 38 75 9 43 80 5 42 76 14 51 58 10 47 57 18 52 62 27 34 71 23 33 67 19 29 66 73 2 39 81 7 44 77 6 40 59 15 49 55 11 48 63 16 53 72 25 35 68 24 31 64 20 30 37 74 3 45 79 8 41 78 4 50 60 13 46 56 12 54 61 17 36 70 26 32 69 22 28 65 21
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Нг, Луи (13 мая 2018 г.). «Магический счет с многогранниками наизнанку» (PDF) .
- У.С. Эндрюс, Магические квадраты и кубы . Нью-Йорк: Дувр, 1960. Первоначально напечатано в 1917 году. См. особенно главу X.
- Оллереншоу К., Бри Д.: Наиболее совершенные пандиагональные магические квадраты. IMA, Саутенд-он-Си (1998)