Pătrat magic

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită la 29 aprilie 2022; verificările necesită 19 modificări .

Magic sau pătrat magic  - o masă pătrată plină cu numere diferite, astfel încât suma numerelor din fiecare rând, fiecare coloană și pe ambele diagonale să fie aceeași. Dacă sumele numerelor numai în rânduri și coloane sunt egale într-un pătrat, atunci se numește semimagie . Un pătrat normal este un pătrat magic plin cu numere naturale de la până la . Un pătrat magic se numește asociativ sau simetric dacă suma oricăror două numere situate simetric în jurul centrului pătratului este egală cu .

Pătratele magice normale există pentru toate ordinele , cu excepția , deși cazul este banal - pătratul este format dintr-un singur număr. Cazul minim non-trivial este prezentat mai jos, are ordinea 3.

3 9 opt cincisprezece
zece 6 2 cincisprezece
5 patru 9 cincisprezece
cincisprezece cincisprezece cincisprezece cincisprezece cincisprezece

Suma numerelor din fiecare rând, coloană și diagonală se numește constanta magică , M. Constanta magică a unui pătrat magic normal depinde numai de n și este dată de

Primele valori ale constantelor magice sunt date în următorul tabel (secvența A006003 în OEIS ):

Ordin 3 patru 5 6 7 opt 9 zece unsprezece 12 13
cincisprezece 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

Pătrate magice semnificative din punct de vedere istoric

Piața Lo Shu

Lo Shu ( trad. chineză 洛書, ex.洛书, pinyin luò shū ) Singurul pătrat magic normal de 3×3. Era cunoscut în China antică , prima imagine de pe o carapace de broască țestoasă datează din 2200 î.Hr. e.

5 zece 3
patru 6 opt
9 2 7

În tradiția vest-europeană, acest pătrat se numește Sigiliul lui Saturn (Sigillum Saturni). Parametri pătrați: 3, 9, 15, 45 (3x3, 9 celule, suma în toate direcțiile este 15, suma tuturor numerelor din pătrat este 45). [unu]

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

45 : 3 = 15

Piața găsită în Khajuraho (India)

Cel mai vechi pătrat magic unic se găsește într-o inscripție din secolul al XI-lea din orașul indian Khajuraho :

7 12 unu paisprezece
2 13 opt unsprezece
16 3 zece 5
9 6 cincisprezece patru

Acesta este primul pătrat magic aparținând varietatii așa-numitelor pătrate „diavolului” [2] .

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

136 : 4 = 34

Pătratul magic al lui Yang Hui (China)

În secolul al XIII-lea. matematicianul Yang Hui a abordat problema metodelor de construire a pătratelor magice. Cercetările sale au fost apoi continuate de alți matematicieni chinezi. Yang Hui a considerat pătratele magice nu numai de al treilea, ci și de ordine superioară. Unele dintre pătratele sale erau destul de complexe, dar întotdeauna dădea reguli pentru construirea lor. El a reușit să construiască un pătrat magic de ordinul al șaselea, iar acesta din urmă s-a dovedit a fi aproape asociativ (doar două perechi de numere central opuse din el nu se adună până la 37) [3] :

27 29 2 patru 13 36
9 unsprezece douăzeci 22 31 optsprezece
32 25 7 3 21 23
paisprezece 16 34 treizeci 12 5
28 6 cincisprezece 17 26 19
unu 24 33 35 opt zece

Suma tuturor celor 36 de numere este 666

666 : 6 = 111

Piața lui Albrecht Dürer

Pătratul magic 4x4 descris în gravura lui Albrecht DürerMelancholia I ” este considerat cel mai vechi din arta europeană [4] . Cele două numere din mijloc din rândul de jos indică data la care a fost creată gravura ( 1514 ).

17 patru 3 paisprezece
6 12 13 9
zece opt 9 13
5 17 16 2

Suma numerelor de pe orice orizontală, verticală și diagonală este 34. Această sumă apare și în toate pătratele de colț 2×2, în pătratul central (10+11+6+7), în pătratul celulelor de colț (16+). 13+4+1 ), în pătratele construite prin „mișcarea cavalerului” (2+12+15+5 și 3+8+14+9), în vârfurile dreptunghiurilor paralele cu diagonalele (2+8+). 15+9 și 3+12+14+5 ), în dreptunghiuri formate din perechi de celule mijlocii pe laturi opuse (3+2+15+14 și 5+8+9+12). Cele mai multe simetrii suplimentare se datorează faptului că suma oricăror două numere simetrice central este 17.

Acest pătrat este „Sigiliul lui Jupiter” (Sigillum Iouis), are parametri: 4, 16, 34, 136 (dimensiune 4x4, 16 celule, suma direcțiilor este 34, suma tuturor numerelor este 136). [unu]

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

136 : 4 = 34

Pătrate magice de Athanasius Kircher [1]

Piața Marte

Pătratul sau sigiliul lui Marte (Sigillum Martis) are următorii parametri: 5, 25, 65, 325 (dimensiune 5x5, 25 de celule, suma direcțiilor este 65, suma tuturor numerelor este 325).

12 25 opt 21 patru
5 13 26 9 17
optsprezece 6 paisprezece 22 zece
unsprezece 19 2 cincisprezece 23
24 7 douăzeci 3 16

325 : 5 = 65

Pătratul Soarelui

Sigiliul Soarelui (Sigillum Solis) are următorii parametri: 6, 36, 111, 666 (dimensiune 6x6, 36 de celule, suma în direcții este 111, suma tuturor numerelor este 666).

6 32 3 34 35 unu
7 unsprezece 27 28 opt treizeci
19 paisprezece 16 cincisprezece 23 24
optsprezece douăzeci 22 21 17 13
25 29 zece 9 26 12
36 5 33 patru 2 31

666 : 6 = 111

Piața Venus

Sigiliul lui Venus (Sigillum Veneris) are următorii parametri: 7, 49, 175, 1225 (dimensiune 7x7, 49 de celule, suma direcțiilor este 175, suma tuturor numerelor este 1225).

22 47 16 41 zece 35 patru
5 23 48 17 42 unsprezece 29
treizeci 6 24 49 optsprezece 36 12
13 31 7 25 43 19 37
38 paisprezece 32 unu 26 44 douăzeci
21 39 opt 33 2 27 45
46 cincisprezece 40 9 34 3 28

1225 : 7 = 175

pătratul Mercur

Sigiliul lui Mercur (Sigillum Mercurio) are parametrii: 8, 64, 260, 2080 (dimensiune 8x8, 64 de celule, suma direcțiilor este 260, suma tuturor numerelor este 2080).

opt 58 59 5 patru 62 63 unu
49 cincisprezece paisprezece 52 53 unsprezece zece 56
41 23 22 44 45 19 optsprezece 48
32 34 35 29 28 38 39 25
40 26 27 37 36 treizeci 31 33
17 47 46 douăzeci 21 43 42 24
9 55 54 12 13 51 cincizeci 16
64 2 3 61 60 6 7 57

2080 : 8 = 260

Pătratul Lunii

Sigiliul Lunii (Sigillum Lune) are următorii parametri: 9, 81, 369, 3321 (dimensiune 9x9, 81 de celule, suma direcțiilor este 369, suma tuturor numerelor este 3321).

37 78 29 70 21 62 13 54 5
6 38 79 treizeci 71 22 63 paisprezece 46
47 7 39 80 31 72 23 55 cincisprezece
16 48 opt 40 81 32 64 24 56
57 17 49 9 41 73 33 65 25
26 58 optsprezece cincizeci unu 42 74 34 66
67 27 59 zece 51 2 43 75 35
36 68 19 60 unsprezece 52 3 44 76
77 28 69 douăzeci 61 12 53 patru 45

3321 : 9 = 369

Squares de Henry E. Dudeney și Allan W. Johnson Jr.

Dacă o serie de numere non-strict naturală este introdusă într-o matrice pătrată n  ×  n , atunci acest pătrat magic este netradițional . Mai jos sunt două astfel de pătrate magice umplute cu numere prime (deși 1 nu este considerat un număr prim în teoria numerelor modernă). Primul are ordinul n=3 (pătratul lui Dudeney); al doilea ( 4x4 în dimensiune ) este un pătrat Johnson. Ambele au fost dezvoltate la începutul secolului al XX-lea [5] :

68 2 44
paisprezece 38 62
32 74 opt
patru 62 douăzeci 40
44 32 patru 42
opt 12 74 treizeci
68 optsprezece 24 cincisprezece

Există câteva alte exemple similare:

17 89 71
113 59 5
47 29 101
unu 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 unsprezece 787 769 773 419 149 751

Ultimul pătrat, construit în 1913 de J. N. Munsey, este remarcabil prin faptul că este format din 143 de numere prime consecutive, cu excepția a două puncte: este implicată o unitate, care nu este un număr prim, și singurul număr prim par 2. nu este folosit.

Pătrate cu proprietăți suplimentare

Pătrat magic pandiagonal

Un pătrat pandiagonal sau al diavolului este un pătrat magic în care sumele numerelor de-a lungul diagonalelor întrerupte (diagonalele care se formează atunci când un pătrat este pliat într-un tor ) în ambele direcții  coincid, de asemenea, cu o constantă magică .

Există 48 de pătrate de diavol 4x4 în forma standard Frenicle  - până la rotații și reflexii. Pătratul pandiagonal păstrează proprietăți atunci când înfășoară rânduri sau coloane în paralel . Prin urmare, unitatea poate fi mutată în colțul din stânga sus. Există 12 astfel de pătrate pandiagonale în plan. Acestea sunt prezentate mai jos:

unu opt zece cincisprezece
paisprezece unsprezece 5 patru
7 2 16 9
12 13 3 6
unu opt zece cincisprezece
12 13 3 6
7 2 16 9
paisprezece unsprezece 5 patru
unu 12 7 paisprezece
cincisprezece 6 9 patru
zece 3 16 5
opt 13 2 unsprezece
unu paisprezece 7 12
cincisprezece patru 9 6
zece 5 16 3
opt unsprezece 2 13
unu opt 13 12
cincisprezece zece 3 6
patru 5 16 9
paisprezece unsprezece 2 7
unu opt 13 12
paisprezece unsprezece 2 7
patru 5 16 9
cincisprezece zece 3 6
unu 12 13 opt
paisprezece 7 2 unsprezece
patru 9 16 5
cincisprezece 6 3 zece
unu 12 13 opt
cincisprezece 6 3 zece
patru 9 16 5
paisprezece 7 2 unsprezece
unu opt unsprezece paisprezece
cincisprezece zece 5 patru
6 3 16 9
12 13 2 7
unu opt unsprezece paisprezece
12 13 2 7
6 3 16 9
cincisprezece zece 5 patru
unu paisprezece unsprezece opt
cincisprezece patru 5 zece
6 9 16 3
12 7 2 13
unu 12 6 cincisprezece
paisprezece 7 9 patru
unsprezece 2 16 5
opt 13 3 zece

Pe tor, fiecare dintre aceste patru pătrate corespunde unui pătrat. Acest lucru se datorează faptului că dacă tăiați torul, pornind de la celula unitară ca una de colț, atunci acest lucru se poate face în patru moduri, atribuind fiecăruia dintre cele patru colțuri ale celulei unitare unghiul unui pătrat plat. Prin urmare, pe tor există doar 3 pătrate pandiagonale.Orice dintre cele patru corespunzătoare acestuia poate fi folosit pentru a reprezenta un pătrat toric pe un plan.

Pătratele pandiagonale există pentru ordinul impar n>3, pentru orice ordin de paritate dublă n=4k (k=1,2,3...) și nu există pentru ordinul de paritate unică ( ).

Pătratele pandiagonale de ordinul al patrulea au o serie de proprietăți suplimentare pentru care sunt numite perfecte . Pătratele perfecte de ordine impară nu există. Printre pătratele pandiagonale cu paritate dublă peste 4 există perfecte [6] .

Pătrate pandiagonale de ordinul al cincilea 3600 . Inclusiv traducerile torice paralele, există 144 de pătrate pandiagonale diferite. Una dintre ele este prezentată mai jos.

unu cincisprezece 24 opt 17
9 optsprezece 2 unsprezece 25
12 21 zece 19 3
douăzeci patru 13 22 6
23 7 16 5 paisprezece

Dacă pătratul pandiagonal este și asociativ, atunci se numește ideal [7] . Un exemplu de pătrat magic perfect:

21 32 70 26 28 69 22 36 65
40 81 2 39 77 7 44 73 6
62 zece 51 58 optsprezece 47 57 paisprezece 52
66 23 34 71 19 33 67 27 29
patru 45 74 3 41 79 opt 37 78
53 55 cincisprezece 49 63 unsprezece 48 59 16
treizeci 68 25 35 64 24 31 72 douăzeci
76 9 38 75 5 43 80 unu 42
17 46 60 13 54 56 12 cincizeci 61

Se știe că nu există pătrate magice ideale de ordinul n = 4k+2 și niciun pătrat de ordinul n = 4 . În același timp, există pătrate perfecte de ordinul n = 8 . Folosind metoda de construire a pătratelor compuse, se pot construi, pe baza unui pătrat dat de ordinul al optulea, pătrate ideale de ordinul n = 8k, k=5,7,9... și de ordinul n = 8^p, p=2,3,4... În 2008, a fost dezvoltată o metodă combinatorie care construiește pătrate perfecte de ordinul n = 4k, k = 2, 3, 4,...

Construcția de pătrate magice

Metoda terasei

Descris de Yu. V. Chebrakov în Theory of Magic Matrices .

Pentru un n impar dat, desenați un tabel pătrat n cu n. Vom atașa terase (piramide) acestei mese pe toate cele patru laturi. Ca rezultat, obținem o figură simetrică în trepte.

patru 5
3 patru zece
2 3 9 cincisprezece
unu 2 opt paisprezece douăzeci
0 unu 7 13 19 25
-unu 6 12 optsprezece 24
-2 unsprezece 17 23
-3 16 22
-patru 21
.
patru 3 2 unu 0 unu 2 3 patru

Pornind de la vârful stâng al figurii în trepte, umpleți rândurile sale diagonale cu numere naturale consecutive de la 1 la .

După aceea, pentru a obține o matrice clasică de ordinul al N-lea, numerele din terase sunt plasate în acele locuri din tabelul NxN în care s-ar afla dacă ar fi mutate împreună cu terasele până când bazele teraselor se învecinează cu partea opusă a mesei.

patru
3
2 3 16 9 22 cincisprezece
unu douăzeci opt 21 paisprezece 2
0 7 25 13 unu 19
-unu 24 12 5 optsprezece 6
-2 unsprezece patru 17 zece 23
-3
-patru
.
-patru -3 -2 -unu 0 unu 2 3 patru


3 16 9 22 cincisprezece
douăzeci opt 21 paisprezece 2
7 25 13 unu 19
24 12 5 optsprezece 6
unsprezece patru 17 zece 23

În plus, această metodă este valabilă și dacă pătratul magic trebuie compus nu din numere de la 1 la N, ci și de la K la N, unde 1 <= K< N.

Alte moduri

Regulile de construire a pătratelor magice se împart în trei categorii, în funcție de ordinea pătratului impar, egală cu de două ori un număr impar sau egală cu de patru ori un număr impar. Metoda generală de construire a tuturor pătratelor este necunoscută, deși diferite scheme sunt utilizate pe scară largă. [8] [9] Este posibil să găsiți toate pătratele magice de ordin numai pentru , prin urmare proceduri speciale de construire a pătratelor magice pentru . Cea mai simplă construcție este pentru un pătrat magic de ordine ciudată. Trebuie să puneți un număr în celulă cu coordonate (unde și modificați de la 1 la ) (Notă: această formulă este valabilă pentru toate pătratele de ordine impară, cu excepția pătratelor de forma . În aceste pătrate, suma numerelor de pe diagonala principală este cu N mai mult decât constanta magică.)

Este și mai ușor să construiți construcția după cum urmează. Se ia o matrice nxn. În interiorul lui este construit un romb în trepte. În ea, celulele de la stânga în sus de-a lungul diagonalelor sunt umplute cu un rând consecutiv de numere impare. Se determină valoarea celulei centrale C. Apoi valorile din colțurile pătratului magic vor fi următoarele: celula din dreapta sus C-1 ; celula din stânga jos C+1; celula dreapta jos Cn; celula din stânga sus C+n. Umplerea celulelor goale în triunghiuri de colț trepte se realizează în conformitate cu regulile simple: 1) în rânduri, numerele cresc de la stânga la dreapta în trepte de n + 1; 2) în coloane de sus în jos, numerele cresc cu un pas de n-1.

De asemenea, au fost dezvoltați algoritmi pentru construirea pătratelor pandiagonale [10] [11] și a pătratelor magice ideale 9x9. [12] [13] Aceste rezultate ne permit să construim pătrate magice de ordine perfectă pentru . [7] [14] Există, de asemenea, metode generale de aranjare a pătratelor magice perfecte de ordine impară . [15] [16] Au fost dezvoltate metode de construire a pătratelor magice ideale de ordinul n=8k, k=1,2,3… [17] și a pătratelor magice perfecte. [18] Pătratele padiagonale și ideale de ordin par-impar pot fi combinate numai dacă sunt netradiționale. [19] [20] [21] Cu toate acestea, este posibil să găsim pătrate aproape pandiagonale [22] Se găsește un grup special de pătrate magice ideal perfecte (tradiționale și netradiționale) [23] .

Exemple de pătrate mai complexe

Pătratele magice de ordin impar și ordinea de dublă paritate au fost elaborate cu strictețe metodic. [24] Formalizarea pătratelor de ordinul parității unice este mult mai dificilă, așa cum este ilustrat de următoarele scheme:

optsprezece 24 5 6 12
22 3 9 cincisprezece 16
unu 7 13 19 25
zece unsprezece 17 23 patru
paisprezece douăzeci 21 2 opt
64 2 3 61 60 6 7 57
9 55 54 12 13 51 cincizeci 16
17 47 46 douăzeci 21 43 42 24
40 26 27 37 36 treizeci 31 33
32 34 35 29 28 38 39 25
41 23 22 44 45 19 optsprezece 48
49 cincisprezece paisprezece 52 53 unsprezece zece 56
opt 58 59 5 patru 62 63 unu
100 99 93 7 5 6 patru opt 92 91
unsprezece 89 88 84 16 cincisprezece 17 83 82 douăzeci
treizeci 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
cincizeci 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 optsprezece paisprezece 85 86 87 13 12 90
zece 9 3 94 95 96 97 98 2 unu

Există zeci de alte metode pentru a construi pătrate magice.

Abordarea șahului

Se știe că șahul , ca și pătratele magice, a apărut cu zeci de secole în urmă în India . Prin urmare, nu întâmplător a apărut ideea unei abordări de șah a construcției de pătrate magice. Această idee a fost exprimată pentru prima dată de Euler . A încercat să obțină pătratul magic plin mergând continuu în jurul cavalerului. Cu toate acestea, nu a reușit să facă acest lucru, deoarece în diagonalele principale sumele numerelor diferă de constanta magică. Cu toate acestea, aspectul de șah vă permite să creați orice pătrat magic. Numerele sunt completate în mod regulat și rând cu rând, ținând cont de culoarea celulelor.

Vezi și

Note

  1. ↑ 1 2 3 Athanasius Kircher. Aritmologie. - ROMAE: Typographia Varesij, 1665. - S. 64-72. — 317 p.
  2. Dedicat lui Jupiter . Consultat la 8 februarie 2011. Arhivat din original pe 8 februarie 2011.
  3. V. E. Eremeev „ Știința tradițională a Chinei copie de arhivă din 25 februarie 2008 la Wayback Machine ” , capitolul 5: Matematică .
  4. N. Makarova „ Dürer’s Magic Square Copie de arhivă din 1 iulie 2011 la Wayback Machine
  5. A. K. Dudeni „ Sifting the Numerical Sand in Search of Primes Arhivat 21 septembrie 2008 la Wayback Machine
  6. N. Makarova „ Pătrate magice perfecte Copie arhivată din 28 aprilie 2011 la Wayback Machine
  7. 1 2 G. Aleksandrov " Ordinea ideală a pătratelor magice , unde Arhiva copie a 20 noiembrie 2012 la Wayback Machine "
  8. Piața Magică . Enciclopedia „Circumnavigația” . Arhivat din original la 12 ianuarie 2002.
  9. N. Makarova „ Metode pentru construirea de pătrate magice (articol de recenzie) Arhivată din 25 aprilie 2009 la Wayback Machine
  10. G. Alexandrov „ O metodă pentru construirea unui pătrat magic ideal de ordine impară Arhivată din 29 ianuarie 2008 la Wayback Machine
  11. G. Aleksandrov
  12. G. Aleksandrov
  13. N. Makarova „ Pătratele magice ale ordinului al nouălea Copiat de arhivă din 14 aprilie 2011 la Wayback Machine
  14. N. Makarova „ Pătrate pandiagonale ale ordinelor impare de multipli de nouă Copie de arhivă din 28 aprilie 2011 la Wayback Machine
  15. G. Aleksandrov
  16. N. Makarova
  17. N. Makarova „ O metodă pentru construirea pătratelor perfecte de ordinul n = 8k Copie de arhivă din 27 aprilie 2011 la Wayback Machine
  18. N. Makarova
  19. E. Slkuni „ Pătrate magice pandiagonale netradiționale de ordinul 6 Arhivat 2 noiembrie 2007 la Wayback Machine
  20. N. Makarova
  21. G. Alexandrov „ Pătrat magic ideal non-tradițional de ordin n = 4k + 2 Arhivat 20 noiembrie 2012 la Wayback Machine
  22. G. Aleksandrov „ Pătrate magice aproape pandiagonale de ordin 4k + 2 Copie de arhivă din 20 noiembrie 2012 la Wayback Machine
  23. G. Alexandrov „ Un pătrat magic perfect perfect de ordine egală Arhivată din 20 noiembrie 2012 la Wayback Machine
  24. http://bspu.ab.ru/~festival/kon2001/teacher/konspect/inform/stepanowa_nowichihina.rtf  (link inaccesibil)

Literatură

Link -uri