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幻方的构造

2024-07-16 来源:华佗小知识

幻方的构造

所谓幻方( magic square), 也叫纵横图, 就是在 n× n 的方阵中, 放入从 1 开始的 n ?个自 然数; 在一定的布局下, 其各行、 各列和两条对角线上的数字之和正好都相等。 这个和数就叫 “幻方常数” 或“幻和”。 对于任意 n 阶的幻方来说,其幻方常数 S 和方阵阶数 n 的关系是:

S=2/1n( n ?+1)

例如 3 阶的幻方常数是 15, 4 阶的幻方常数是 34, 5 阶的幻方常数是 65……那么, 如何构造幻方呢? 下面我们分几种情况分别进行说明:

一、 奇数阶幻方

奇数阶幻方, 也就是幻方阶数为奇数的幻方, 如: 3 阶、5 阶、 7 阶……幻方, 那么如何构造这样的幻方呢?对所有奇数阶幻方的构造, 我们都可以采取“连续摆数法”, 其法则如下:

把“1” 放在中间一列最上边的方格中, 从它开始, 按对角线方向( 比如说按从左下到右上的方向) 顺次把由小到大的各数放入各方格中, 如果碰到顶, 则折向底, 如果到达右侧, 则转向左侧, 如果进行中轮到的方格中已有数或到达右上角, 则退至前一格的下方。

二、 4 阶幻方

构造 4 阶幻方我们可以采取“对角线法”, 即首先按从上到下、 从右向左( 也可按从左到右、 从上到下) 的次序把 1—16 填入 4 阶方阵中, 然后将两条主对角线上元素按中心轴对称原则互相交换就行, 也就是 1 和 16 互换、 6 和 11 互换、4 和 13 互换、 7 和 10 互换。

三、 6 阶幻方

构造 6 阶幻方, 我们可以采用“斯特雷奇法”, 即首先将6 阶幻方分成 ABCD 四个 3 阶幻方, 然后按 ABCD 的顺序将每个 3 阶幻方用“连续摆数法” 填上, 3 阶方阵 A 填数字 1—9, B 填 10—18, C 填 19—27, D 填 28—36,然后将 A 中的 8、 5 和 4 分别和 D 中的 35、 32 和 31 交换, 形成 6 阶幻方。

四、 双偶数阶幻方

双偶数阶幻方, 即 n= 2〃 2m 形式的幻方, 我们可以采取“对称法”( symmetrical method)。 即将双偶数阶幻方分成上、 下、 左、 右 4 个小方阵, 首先在左上角方阵中布点: 每行每列任取一半方格打上“○” 号; 然后向其余 3 个方阵映象, 使每个小方阵中各有一半方格被“○” 所占据。 现在从左上角方格开始, 按从左到右、 从上到下的次序将 1— n 2 的值往方阵中填写, 但遇到布了 “○” 点的方格, 不填, 跳过。这样, 只有未布点的一半方格被填了 数。 这个过程结束后,从右下角开始, 用同刚才相反的方向再一次往方阵中填数,这次是只填布点的方格, 已有数的方格被封锁不填。 由于布点方法的对称性, 第二遍填数正好用上第一遍填数中被跳过的数, 使整个方阵填入的正是 1— n 2 , 而且形成一个幻方!以 8 阶为例说明“对称法” 的应用。

五、 单偶数阶幻方

单偶数阶幻方, 即 n= 2( 2m+ 1) 形式的幻方, 我们可以采取“LUX 法”。 这个方法是这样的, 为了 构成 2( 2m+ 1)阶的幻方, 先构成一个( 2m+ 1) 阶的方阵, 方阵中上面 m+1行方格中央都标一个 L, 接下去一行标 U, 余下的 m-1 行标X。 然后把中间的那个 U 和它上面的 L 交换一下。 接下去把中央标有字母的方格都用十字线分成 4 个小方格, 使方阵变成所需的 2( 2m+ 1) 阶方阵, 下一步就是往方阵中填数了 。填数规则有 3:

①填数从 1 顺序开始, 每 4 个数为一组填入中央标有字母的一个单元即 4 个小方格中;

②往 4 个小方格中填写数字的次序视中央标记的字母而不同

③填写大方格的顺序则用构造奇数阶 2m+ 1 阶幻方的“连续摆数法” 确定。

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