Magisk firkant

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 29. april 2022; checks kræver 19 redigeringer .

Magi , eller magisk firkant  - et kvadrat fyldt med forskellige tal på en sådan måde, at summen af ​​tallene i hver række, hver kolonne og på begge diagonaler er den samme. Hvis summen af ​​tal kun i rækker og kolonner er lige store i en firkant, kaldes det semimagisk . Et normalt kvadrat er et magisk kvadrat fyldt med naturlige tal fra til . Et magisk kvadrat kaldes associativt eller symmetrisk , hvis summen af ​​to tal placeret symmetrisk omkring midten af ​​kvadratet er lig med .

Normale magiske firkanter findes for alle ordrer undtagen , selvom sagen er triviel - firkanten består af et enkelt tal. Den minimale ikke-trivielle sag er vist nedenfor, den har rækkefølge 3.

3 9 otte femten
ti 6 2 femten
5 fire 9 femten
femten femten femten femten femten

Summen af ​​tallene i hver række, kolonne og diagonal kaldes den magiske konstant , M. Den magiske konstant for et normalt magisk kvadrat afhænger kun af n og er givet af

De første værdier af de magiske konstanter er angivet i følgende tabel (sekvens A006003 i OEIS ):

Bestille 3 fire 5 6 7 otte 9 ti elleve 12 13
femten 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

Historisk betydningsfulde magiske firkanter

Lo Shu Square

Lo Shu ( kinesisk trad. 洛書, ex. 洛书, pinyin luò shū ) Den eneste normale 3×3 magiske firkant. Det var kendt i det gamle Kina , det første billede på en skildpaddeskal dateres tilbage til 2200 f.Kr. e.

5 ti 3
fire 6 otte
9 2 7

I den vesteuropæiske tradition kaldes denne plads for Saturns segl (Sigillum Saturni). Kvadratparametre: 3, 9, 15, 45 (3x3, 9 celler, summen i alle retninger er 15, summen af ​​alle tal i kvadratet er 45). [en]

1 + 2 + 3 + 4 + 5 + 6 + 7 + 8 + 9 = 45

45 : 3 = 15

Firkant fundet i Khajuraho (Indien)

Den tidligste unikke magiske plads findes i en inskription fra det 11. århundrede i den indiske by Khajuraho :

7 12 en fjorten
2 13 otte elleve
16 3 ti 5
9 6 femten fire

Dette er den første magiske firkant, der tilhører rækken af ​​de såkaldte "djævel"-firkanter [2] .

1 + 2 + 3 + 4 + 5 + 6 + 7 + 8 + 9 + 10 + 11 + 12 + 13 + 14 + 15 + 16 = 136

136: 4 = 34

Yang Huis magiske firkant (Kina)

I det XIII århundrede. matematikeren Yang Hui tog problemet op med metoder til at konstruere magiske firkanter. Hans forskning blev derefter videreført af andre kinesiske matematikere. Yang Hui betragtede magiske firkanter ikke kun af den tredje, men også af højere orden. Nogle af hans firkanter var ret komplekse, men han gav altid regler for at konstruere dem. Han formåede at konstruere et magisk kvadrat af sjette orden, og sidstnævnte viste sig at være næsten associativt (kun to par af centralt modsatte tal i den summer ikke til 37) [3] :

27 29 2 fire 13 36
9 elleve tyve 22 31 atten
32 25 7 3 21 23
fjorten 16 34 tredive 12 5
28 6 femten 17 26 19
en 24 33 35 otte ti

Summen af ​​alle 36 tal er 666

666: 6 = 111

Albrecht Dürers plads

Den 4x4 magiske firkant afbildet i Albrecht Dürers gravering " Melancholia I " anses for at være den tidligste i europæisk kunst [4] . De to midterste tal i nederste række angiver datoen, hvor graveringen blev til ( 1514 ).

17 fire 3 fjorten
6 12 13 9
ti otte 9 13
5 17 16 2

Summen af ​​tallene på enhver vandret, lodret og diagonal er 34. Denne sum forekommer også i alle hjørnefelter 2×2, i den centrale firkant (10+11+6+7), i kvadratet af hjørneceller (16+) 13+4+1 ), i felterne bygget af "ridderens træk" (2+12+15+5 og 3+8+14+9), i hjørnerne af rektanglerne parallelt med diagonalerne (2+8+ 15+9 og 3+12+14+5 ), i rektangler dannet af par af midterceller på modsatte sider (3+2+15+14 og 5+8+9+12). De fleste yderligere symmetrier skyldes det faktum, at summen af ​​to centralt symmetriske tal er 17.

Denne firkant er "Jupiters segl" (Sigillum Iouis), har parametre: 4, 16, 34, 136 (størrelse 4x4, 16 celler, summen af ​​retningerne er 34, summen af ​​alle tal er 136). [en]

1 + 2 + 3 + 4 + 5 + 6 + 7 + 8 + 9 + 10 + 11 + 12 + 13 + 14 + 15 + 16 = 136

136: 4 = 34

Magiske firkanter af Athanasius Kircher [1]

Mars Square

Mars kvadrat eller segl (Sigillum Martis) har følgende parametre: 5, 25, 65, 325 (størrelse 5x5, 25 celler, summen af ​​retningerne er 65, summen af ​​alle tal er 325).

12 25 otte 21 fire
5 13 26 9 17
atten 6 fjorten 22 ti
elleve 19 2 femten 23
24 7 tyve 3 16

325: 5 = 65

Solens kvadrat

Solens segl (Sigillum Solis) har følgende parametre: 6, 36, 111, 666 (størrelse 6x6, 36 celler, summen i retninger er 111, summen af ​​alle tal er 666).

6 32 3 34 35 en
7 elleve 27 28 otte tredive
19 fjorten 16 femten 23 24
atten tyve 22 21 17 13
25 29 ti 9 26 12
36 5 33 fire 2 31

666: 6 = 111

Venus Square

Venus segl (Sigillum Veneris) har følgende parametre: 7, 49, 175, 1225 (størrelse 7x7, 49 celler, summen af ​​retningerne er 175, summen af ​​alle tal er 1225).

22 47 16 41 ti 35 fire
5 23 48 17 42 elleve 29
tredive 6 24 49 atten 36 12
13 31 7 25 43 19 37
38 fjorten 32 en 26 44 tyve
21 39 otte 33 2 27 45
46 femten 40 9 34 3 28

1225: 7 = 175

Mercury square

Merkurs segl (Sigillum Mercurio) har parametrene: 8, 64, 260, 2080 (størrelse 8x8, 64 celler, summen af ​​retningerne er 260, summen af ​​alle tal er 2080).

otte 58 59 5 fire 62 63 en
49 femten fjorten 52 53 elleve ti 56
41 23 22 44 45 19 atten 48
32 34 35 29 28 38 39 25
40 26 27 37 36 tredive 31 33
17 47 46 tyve 21 43 42 24
9 55 54 12 13 51 halvtreds 16
64 2 3 61 60 6 7 57

2080: 8 = 260

Månens kvadrat

Månens segl (Sigillum Lune) har følgende parametre: 9, 81, 369, 3321 (størrelse 9x9, 81 celler, summen af ​​retningerne er 369, summen af ​​alle tal er 3321).

37 78 29 70 21 62 13 54 5
6 38 79 tredive 71 22 63 fjorten 46
47 7 39 80 31 72 23 55 femten
16 48 otte 40 81 32 64 24 56
57 17 49 9 41 73 33 65 25
26 58 atten halvtreds en 42 74 34 66
67 27 59 ti 51 2 43 75 35
36 68 19 60 elleve 52 3 44 76
77 28 69 tyve 61 12 53 fire 45

3321: 9 = 369

Squares af Henry E. Dudeney og Allan W. Johnson Jr.

Hvis en ikke-strengt naturlig række af tal indtastes i en n  ×  n kvadratisk matrix , så er denne magiske firkant ikke -traditionel . Nedenfor er to sådanne magiske firkanter fyldt med primtal (selvom 1 ikke betragtes som et primtal i moderne talteori). Den første har orden n=3 (Dudeneys kvadrat); den anden ( 4x4 i størrelse ) er en Johnson firkant. Begge blev udviklet i begyndelsen af ​​det tyvende århundrede [5] :

68 2 44
fjorten 38 62
32 74 otte
fire 62 tyve 40
44 32 fire 42
otte 12 74 tredive
68 atten 24 femten

Der er flere andre lignende eksempler:

17 89 71
113 59 5
47 29 101
en 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 elleve 787 769 773 419 149 751

Det sidste kvadrat, bygget i 1913 af J. N. Munsey, er bemærkelsesværdigt ved, at det består af 143 på hinanden følgende primtal, med undtagelse af to punkter: en enhed er involveret, som ikke er et primtal, og det eneste lige primtal 2 er ikke brugt.

Firkanter med yderligere egenskaber

Pandiagonal magisk firkant

En pandiagonal eller djævlefirkant er en magisk firkant, hvor summen af ​​tal langs brudte diagonaler (diagonaler, der dannes, når en firkant foldes til en torus ) i begge retninger  også falder sammen med en magisk konstant .

Der er 48 4x4 djævlefirkanter i standard Frenicle-formen  - op til rotationer og refleksioner. Den pandiagonale firkant bevarer egenskaber, når rækker eller kolonner ombrydes parallelt . Derfor kan enheden flyttes til øverste venstre hjørne. Der er 12 sådanne pandiagonale firkanter i flyet. De er angivet nedenfor:

en otte ti femten
fjorten elleve 5 fire
7 2 16 9
12 13 3 6
en otte ti femten
12 13 3 6
7 2 16 9
fjorten elleve 5 fire
en 12 7 fjorten
femten 6 9 fire
ti 3 16 5
otte 13 2 elleve
en fjorten 7 12
femten fire 9 6
ti 5 16 3
otte elleve 2 13
en otte 13 12
femten ti 3 6
fire 5 16 9
fjorten elleve 2 7
en otte 13 12
fjorten elleve 2 7
fire 5 16 9
femten ti 3 6
en 12 13 otte
fjorten 7 2 elleve
fire 9 16 5
femten 6 3 ti
en 12 13 otte
femten 6 3 ti
fire 9 16 5
fjorten 7 2 elleve
en otte elleve fjorten
femten ti 5 fire
6 3 16 9
12 13 2 7
en otte elleve fjorten
12 13 2 7
6 3 16 9
femten ti 5 fire
en fjorten elleve otte
femten fire 5 ti
6 9 16 3
12 7 2 13
en 12 6 femten
fjorten 7 9 fire
elleve 2 16 5
otte 13 3 ti

På torus svarer hver fire af disse firkanter til en firkant. Dette skyldes, at hvis du skærer torusen, startende fra enhedscellen som et hjørne, så kan dette gøres på fire måder, ved at tildele hvert af de fire hjørner af enhedscellen vinklen af ​​en flad firkant. Derfor er der kun 3 pandiagonale firkanter på torusen.Enhver af de fire, der svarer til den, kan bruges til at afbilde en torisk firkant på et plan.

Pandiagonale kvadrater findes for ulige orden n>3, for enhver dobbelt paritetsorden n=4k (k=1,2,3…) og eksisterer ikke for enkelt paritetsrækkefølge ( ).

Pandiagonale firkanter af fjerde orden har en række yderligere egenskaber, for hvilke de kaldes perfekte . Perfekte firkanter af ulige rækkefølge eksisterer ikke. Blandt pandiagonale kvadrater med dobbelt paritet over 4 er der perfekte [6] .

Pandiagonale firkanter af femte orden 3600 . Inklusive toriske parallelle oversættelser er der 144 forskellige pandiagonale firkanter. En af dem er vist nedenfor.

en femten 24 otte 17
9 atten 2 elleve 25
12 21 ti 19 3
tyve fire 13 22 6
23 7 16 5 fjorten

Hvis det pandiagonale kvadrat også er associativt, så kaldes det ideal [7] . Et eksempel på en perfekt magisk firkant:

21 32 70 26 28 69 22 36 65
40 81 2 39 77 7 44 73 6
62 ti 51 58 atten 47 57 fjorten 52
66 23 34 71 19 33 67 27 29
fire 45 74 3 41 79 otte 37 78
53 55 femten 49 63 elleve 48 59 16
tredive 68 25 35 64 24 31 72 tyve
76 9 38 75 5 43 80 en 42
17 46 60 13 54 56 12 halvtreds 61

Det er kendt, at der ikke er nogen ideelle magiske kvadrater af orden n = 4k+2 og intet kvadrat af orden n = 4 . Samtidig er der perfekte kvadrater af orden n = 8 . Ved at bruge metoden til at konstruere sammensatte kvadrater er det muligt at konstruere, på basis af et givet kvadrat af ottende orden, ideelle kvadrater af orden n = 8k, k=5,7,9... og orden n = 8^p, p=2,3,4… I 2008 blev der udviklet en kombinatorisk metode til at konstruere perfekte kvadrater af orden n = 4k, k = 2, 3, 4,...

Konstruktion af magiske firkanter

Terrassemetode

Beskrevet af Yu. V. Chebrakov i The Theory of Magic Matrices .

For en given ulige n tegner du en n gange n kvadratisk tabel. Vi vil vedhæfte terrasser (pyramider) til dette bord på alle fire sider. Som et resultat får vi en trinvis symmetrisk figur.

fire 5
3 fire ti
2 3 9 femten
en 2 otte fjorten tyve
0 en 7 13 19 25
-en 6 12 atten 24
-2 elleve 17 23
-3 16 22
-fire 21
.
fire 3 2 en 0 en 2 3 fire

Start fra venstre hjørne af den trinformede figur og fyld dens diagonale rækker med på hinanden følgende naturlige tal fra 1 til .

Derefter, for at opnå en klassisk matrix af N. orden, placeres tallene i terrasserne på de steder i NxN-tabellen, hvor de ville være, hvis de blev flyttet sammen med terrasserne, indtil terrasserne støder op til terrasserne. modsatte side af bordet.

fire
3
2 3 16 9 22 femten
en tyve otte 21 fjorten 2
0 7 25 13 en 19
-en 24 12 5 atten 6
-2 elleve fire 17 ti 23
-3
-fire
.
-fire -3 -2 -en 0 en 2 3 fire


3 16 9 22 femten
tyve otte 21 fjorten 2
7 25 13 en 19
24 12 5 atten 6
elleve fire 17 ti 23

Derudover er denne metode også sand, hvis det magiske kvadrat ikke skal sammensættes af tal fra 1 til N, men også fra K til N, hvor 1 <= K< N.

Andre måder

Reglerne for at konstruere magiske kvadrater falder i tre kategorier, afhængigt af om rækkefølgen af ​​kvadratet er ulige, lig med to gange et ulige tal eller lig med fire gange et ulige tal. Den generelle metode til at konstruere alle kvadrater er ukendt, selvom forskellige skemaer er meget brugt. [8] [9] Det er muligt at finde alle magiske kvadrater af orden kun for , derfor særlige procedurer til at konstruere magiske kvadrater for . Den enkleste konstruktion er til en magisk firkant af ulige rækkefølge. Du skal indsætte et tal i cellen med koordinater (hvor og skift fra 1 til ) (Bemærk: denne formel er sand for alle kvadrater af ulige orden, undtagen kvadrater af formen . I disse kvadrater er summen af ​​tallene på hoveddiagonalen er N mere end den magiske konstant.)

Det er endnu nemmere at konstruere konstruktionen som følger. En nxn matrix er taget. En trappet rhombus er bygget inde i den. I den er cellerne fra venstre og opad langs diagonalerne fyldt med en på hinanden følgende række ulige tal. Værdien af ​​den centrale celle C bestemmes. Derefter vil værdierne i hjørnerne af den magiske firkant være som følger: øverste højre celle C-1 ; nederste venstre celle C+1; nederste højre celle Cn; øverste venstre celle C+n. Fyldning af tomme celler i trinvise hjørnetrekanter udføres i overensstemmelse med enkle regler: 1) i rækker stiger tallene fra venstre mod højre i trin på n + 1; 2) i kolonner fra top til bund øges tallene med et trin på n-1.

Algoritmer til at konstruere pandiagonale kvadrater [10] [11] og ideelle 9x9 magiske kvadrater er også blevet udviklet. [12] [13] Disse resultater giver os mulighed for at konstruere magiske kvadrater i perfekt orden for . [7] [14] Der er også generelle metoder til at arrangere perfekte magiske firkanter af ulige rækkefølge . [15] [16] Metoder til at konstruere ideelle magiske kvadrater af orden n=8k, k=1,2,3… [17] og perfekte magiske kvadrater er blevet udviklet. [18] Pandiagonale og ideelle kvadrater af lige-ulige rækkefølge kan kun kombineres, hvis de er utraditionelle. [19] [20] [21] Ikke desto mindre er det muligt at finde næsten pandiagonale firkanter [22] En særlig gruppe af ideelt perfekte magiske firkanter (traditionelle og ikke-traditionelle) [23] findes .

Eksempler på mere komplekse firkanter

Magiske firkanter af ulige rækkefølge og rækkefølge af dobbelt paritet er blevet metodisk nøje udarbejdet. [24] Formaliseringen af ​​kvadrater af rækkefølgen af ​​enkelt paritet er meget vanskeligere, som illustreret af følgende skemaer:

atten 24 5 6 12
22 3 9 femten 16
en 7 13 19 25
ti elleve 17 23 fire
fjorten tyve 21 2 otte
64 2 3 61 60 6 7 57
9 55 54 12 13 51 halvtreds 16
17 47 46 tyve 21 43 42 24
40 26 27 37 36 tredive 31 33
32 34 35 29 28 38 39 25
41 23 22 44 45 19 atten 48
49 femten fjorten 52 53 elleve ti 56
otte 58 59 5 fire 62 63 en
100 99 93 7 5 6 fire otte 92 91
elleve 89 88 84 16 femten 17 83 82 tyve
tredive 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
halvtreds 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 atten fjorten 85 86 87 13 12 90
ti 9 3 94 95 96 97 98 2 en

Der er snesevis af andre metoder til at konstruere magiske firkanter.

Skak tilgang

Det er kendt, at skak , ligesom magiske firkanter, dukkede op for snesevis af århundreder siden i Indien . Derfor var det ikke tilfældigt, at ideen om en skaktilgang til konstruktionen af ​​magiske firkanter opstod. Denne idé blev først udtrykt af Euler . Han forsøgte at få den fulde magiske plads ved konstant at gå rundt om ridderen. Han undlod dog at gøre dette, fordi talsummerne i hoveddiagonalerne afveg fra den magiske konstant. Skaklayout giver dig dog mulighed for at skabe enhver magisk firkant. Tallene udfyldes regelmæssigt og linje for linje under hensyntagen til cellernes farve.

Se også

Noter

  1. ↑ 1 2 3 Athanasius Kircher. Aritmologi. - ROMAE: Typographia Varesij, 1665. - S. 64-72. — 317 s.
  2. Dedikeret til Jupiter . Hentet 8. februar 2011. Arkiveret fra originalen 8. februar 2011.
  3. V. E. Eremeev " Traditional Science of China Arkivkopi dateret 25. februar 2008 på Wayback Machine " , Kapitel 5: Matematik .
  4. N. Makarova " Dürers Magic Square Arkivkopi af 1. juli 2011 på Wayback Machine "
  5. A.K. Dudeni " Siktning af det numeriske sand på jagt efter primtal arkiveret 21. september 2008 på Wayback Machine "
  6. N. Makarova " Perfekte magiske firkanter Arkiveret kopi af 28. april 2011 på Wayback Machine "
  7. 1 2 G. Aleksandrov " Ideel rækkefølge magiske firkanter , hvor arkivkopi af 20. november 2012 på Wayback Machine "
  8. Magic Square . Encyklopædi "Omsejling" . Arkiveret fra originalen den 12. januar 2002.
  9. N. Makarova " Metoder til at konstruere magiske firkanter (anmeldelsesartikel) Arkiveret kopi af 25. april 2009 på Wayback Machine "
  10. G. Alexandrov " En metode til at konstruere en ideel magisk firkant af ulige orden Arkiveret kopi af 29. januar 2008 på Wayback Machine "
  11. G. Aleksandrov
  12. G. Aleksandrov
  13. N. Makarova " Magiske firkanter af niende ordens arkivkopi af 14. april 2011 på Wayback Machine "
  14. N. Makarova “ Pandiagonale kvadrater af ulige rækkefølger af multipler af ni Arkiveksemplar af 28. april 2011 på Wayback Machine
  15. G. Aleksandrov
  16. N. Makarova
  17. N. Makarova “ En metode til at konstruere perfekte kvadrater af orden n = 8k Arkivkopi af 27. april 2011 på Wayback Machine
  18. N. Makarova
  19. E. Slkuni " Utraditionelle 6. ordens pandiagonale magiske firkanter Arkiveret 2. november 2007 på Wayback Machine "
  20. N. Makarova
  21. G. Alexandrov " Ideelt ikke-traditionelt magisk kvadrat af orden n = 4k + 2 Arkiveret 20. november 2012 på Wayback Machine
  22. G. Aleksandrov " Næsten pandiagonale magiske firkanter af orden 4k + 2 arkivkopi af 20. november 2012 på Wayback Machine "
  23. G. Alexandrov " En ideel perfekt magisk firkant af jævn orden Arkiveret kopi af 20. november 2012 på Wayback Machine
  24. http://bspu.ab.ru/~festival/kon2001/teacher/konspect/inform/stepanowa_nowichihina.rtf  (utilgængeligt link)

Litteratur

Links