Magie nebo magický čtverec - čtvercová tabulka naplněná různými čísly tak, že součet čísel v každém řádku, každém sloupci a na obou úhlopříčkách je stejný. Pokud jsou součty čísel pouze v řádcích a sloupcích stejné ve čtverci, pak se nazývá semimagický . Normální čtverec je magický čtverec vyplněný přirozenými čísly od do . Magický čtverec se nazývá asociativní nebo symetrický , pokud součet jakýchkoli dvou čísel umístěných symetricky kolem středu čtverce je roven .
Normální magické čtverce existují pro všechny příkazy kromě , ačkoliv případ je triviální - čtverec se skládá z jediného čísla. Minimální netriviální případ je uveden níže, má pořadí 3.
3 | 9 | osm | patnáct | |||
deset | 6 | 2 | patnáct | |||
5 | čtyři | 9 | patnáct | |||
patnáct | patnáct | patnáct | patnáct | patnáct |
Součet čísel v každém řádku, sloupci a diagonále se nazývá magická konstanta M. Magická konstanta normálního magického čtverce závisí pouze na n a je dána vztahem
Proč je to tak? | |
---|---|
Nechť je čtverec se stranou Pak v něm budou čísla. Na jedné straně součet čísel Na druhou stranu, Rovnice dostaneme požadovaný vzorec. |
První hodnoty magických konstant jsou uvedeny v následující tabulce (sekvence A006003 v OEIS ):
Objednat | 3 | čtyři | 5 | 6 | 7 | osm | 9 | deset | jedenáct | 12 | 13 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
patnáct | 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
Lo Shu ( čínsky trad. 洛書, ex. 洛书, pinyin luò shū ) Jediný normální magický čtverec 3×3. Znali ji již ve starověké Číně , první vyobrazení na želvím krunýři pochází z roku 2200 před naším letopočtem. E.
5 | deset | 3 |
čtyři | 6 | osm |
9 | 2 | 7 |
V západoevropské tradici se tomuto náměstí říká pečeť Saturna (Sigillum Saturni). Parametry čtverce: 3, 9, 15, 45 (3x3, 9 buněk, součet ve všech směrech je 15, součet všech čísel ve čtverci je 45). [jeden]
1 + 2 + 3 + 4 + 5 + 6 + 7 + 8 + 9 = 45
45 : 3 = 15
Nejstarší unikátní magický čtverec se nachází v nápisu z 11. století v indickém městě Khajuraho :
7 | 12 | jeden | čtrnáct |
2 | 13 | osm | jedenáct |
16 | 3 | deset | 5 |
9 | 6 | patnáct | čtyři |
Jedná se o první magický čtverec patřící do odrůdy tzv. „ďábelských“ čtverců [2] .
1 + 2 + 3 + 4 + 5 + 6 + 7 + 8 + 9 + 10 + 11 + 12 + 13 + 14 + 15 + 16 = 136
136 : 4 = 34
Ve století XIII. matematik Yang Hui se chopil problému metod pro konstrukci magických čtverců. V jeho výzkumu pak pokračovali další čínští matematici. Yang Hui považoval magické čtverce nejen třetího, ale i vyšších řádů. Některé z jeho čtverců byly poměrně složité, ale vždy dával pravidla pro jejich konstrukci. Podařilo se mu sestrojit magický čtverec šestého řádu a ten se ukázal jako téměř asociativní (pouze dva páry centrálně opačných čísel v něm nedávají dohromady 37) [3] :
27 | 29 | 2 | čtyři | 13 | 36 |
9 | jedenáct | dvacet | 22 | 31 | osmnáct |
32 | 25 | 7 | 3 | 21 | 23 |
čtrnáct | 16 | 34 | třicet | 12 | 5 |
28 | 6 | patnáct | 17 | 26 | 19 |
jeden | 24 | 33 | 35 | osm | deset |
Součet všech 36 čísel je 666
666 : 6 = 111
Magický čtverec 4x4 zobrazený na rytině Albrechta Dürera „ Melancholia I “ je považován za nejstarší v evropském umění [4] . Dvě prostřední čísla ve spodní řadě označují datum vytvoření rytiny ( 1514 ).
17 | čtyři | 3 | čtrnáct |
6 | 12 | 13 | 9 |
deset | osm | 9 | 13 |
5 | 17 | 16 | 2 |
Součet čísel na libovolné vodorovné, svislé a diagonální je 34. Tento součet se také vyskytuje ve všech rohových polích 2×2, v centrálním čtverci (10+11+6+7), ve čtverci rohových buněk (16+ 13+4+1 ), ve čtvercích postavených „tahem rytíře“ (2+12+15+5 a 3+8+14+9), ve vrcholech obdélníků rovnoběžných s úhlopříčkami (2+8+ 15+9 a 3+12+14+5 ), v obdélnících tvořených dvojicemi středních buněk na opačných stranách (3+2+15+14 a 5+8+9+12). Většina dalších symetrií je způsobena skutečností, že součet jakýchkoli dvou středově symetrických čísel je 17.
Tento čtverec je "Peť Jupitera" (Sigillum Iouis), má parametry: 4, 16, 34, 136 (velikost 4x4, 16 buněk, součet směrů je 34, součet všech čísel je 136). [jeden]
1 + 2 + 3 + 4 + 5 + 6 + 7 + 8 + 9 + 10 + 11 + 12 + 13 + 14 + 15 + 16 = 136
136 : 4 = 34
Čtverec neboli pečeť Marsu (Sigillum Martis) má tyto parametry: 5, 25, 65, 325 (velikost 5x5, 25 buněk, součet směrů je 65, součet všech čísel je 325).
12 | 25 | osm | 21 | čtyři |
5 | 13 | 26 | 9 | 17 |
osmnáct | 6 | čtrnáct | 22 | deset |
jedenáct | 19 | 2 | patnáct | 23 |
24 | 7 | dvacet | 3 | 16 |
325 : 5 = 65
Čtverec SlunceSluneční pečeť (Sigillum Solis) má tyto parametry: 6, 36, 111, 666 (velikost 6x6, 36 buněk, součet ve směrech je 111, součet všech čísel je 666).
6 | 32 | 3 | 34 | 35 | jeden |
7 | jedenáct | 27 | 28 | osm | třicet |
19 | čtrnáct | 16 | patnáct | 23 | 24 |
osmnáct | dvacet | 22 | 21 | 17 | 13 |
25 | 29 | deset | 9 | 26 | 12 |
36 | 5 | 33 | čtyři | 2 | 31 |
666 : 6 = 111
Venušin náměstíPečeť Venuše (Sigillum Veneris) má tyto parametry: 7, 49, 175, 1225 (velikost 7x7, 49 buněk, součet směrů je 175, součet všech čísel je 1225).
22 | 47 | 16 | 41 | deset | 35 | čtyři |
5 | 23 | 48 | 17 | 42 | jedenáct | 29 |
třicet | 6 | 24 | 49 | osmnáct | 36 | 12 |
13 | 31 | 7 | 25 | 43 | 19 | 37 |
38 | čtrnáct | 32 | jeden | 26 | 44 | dvacet |
21 | 39 | osm | 33 | 2 | 27 | 45 |
46 | patnáct | 40 | 9 | 34 | 3 | 28 |
1225 : 7 = 175
Merkur čtverecPečeť Merkura (Sigillum Mercurio) má parametry: 8, 64, 260, 2080 (velikost 8x8, 64 buněk, součet směrů je 260, součet všech čísel je 2080).
osm | 58 | 59 | 5 | čtyři | 62 | 63 | jeden |
49 | patnáct | čtrnáct | 52 | 53 | jedenáct | deset | 56 |
41 | 23 | 22 | 44 | 45 | 19 | osmnáct | 48 |
32 | 34 | 35 | 29 | 28 | 38 | 39 | 25 |
40 | 26 | 27 | 37 | 36 | třicet | 31 | 33 |
17 | 47 | 46 | dvacet | 21 | 43 | 42 | 24 |
9 | 55 | 54 | 12 | 13 | 51 | padesáti | 16 |
64 | 2 | 3 | 61 | 60 | 6 | 7 | 57 |
2080 : 8 = 260
Náměstí měsíceMěsíční pečeť (Sigillum Lune) má tyto parametry: 9, 81, 369, 3321 (velikost 9x9, 81 buněk, součet směrů je 369, součet všech čísel je 3321).
37 | 78 | 29 | 70 | 21 | 62 | 13 | 54 | 5 |
6 | 38 | 79 | třicet | 71 | 22 | 63 | čtrnáct | 46 |
47 | 7 | 39 | 80 | 31 | 72 | 23 | 55 | patnáct |
16 | 48 | osm | 40 | 81 | 32 | 64 | 24 | 56 |
57 | 17 | 49 | 9 | 41 | 73 | 33 | 65 | 25 |
26 | 58 | osmnáct | padesáti | jeden | 42 | 74 | 34 | 66 |
67 | 27 | 59 | deset | 51 | 2 | 43 | 75 | 35 |
36 | 68 | 19 | 60 | jedenáct | 52 | 3 | 44 | 76 |
77 | 28 | 69 | dvacet | 61 | 12 | 53 | čtyři | 45 |
3321 : 9 = 369
Pokud je do n × n čtvercové matice vložena nepřísně přirozená řada čísel , pak je tento magický čtverec netradiční . Níže jsou dva takové magické čtverce vyplněné prvočísly (ačkoli 1 není v moderní teorii čísel považována za prvočíslo). První má řád n=3 (Dudeneyův čtverec); druhý ( ve velikosti 4x4 ) je Johnsonův čtverec. Oba byly vyvinuty na začátku dvacátého století [5] :
|
|
Existuje několik dalších podobných příkladů:
17 | 89 | 71 |
113 | 59 | 5 |
47 | 29 | 101 |
jeden | 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 | jedenáct | 787 | 769 | 773 | 419 | 149 | 751 |
Poslední čtverec, který postavil v roce 1913 J. N. Munsey, je pozoruhodný tím, že je tvořen 143 po sobě jdoucími prvočísly, s výjimkou dvou bodů: jde o jednotku, která není prvočíslem, a jediné sudé prvočíslo 2 se nepoužívá.
Pandiagonál nebo ďáblův čtverec je magický čtverec, ve kterém se součty čísel podél přerušených úhlopříček (úhlopříčky, které se tvoří, když je čtverec složen do torusu ) v obou směrech také shodují s magickou konstantou .
K dispozici je 48 čertových čtverců 4x4 ve standardním Frenicle tvaru - až po rotace a odrazy. Pandiagonální čtverec si zachovává vlastnosti při paralelním obtékání řádků nebo sloupců . Jednotku lze tedy přesunout do levého horního rohu. V rovině je 12 takových pandiagonálních čtverců. Jsou uvedeny níže:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Na torusu každé čtyři z těchto polí odpovídá jednomu čtverci. Je to proto, že pokud vyříznete torus, počínaje od základní buňky jako rohový, lze to provést čtyřmi způsoby, a to tak, že každému ze čtyř rohů základní buňky přiřadíte úhel plochého čtverce. Na toru jsou tedy pouze 3 pandiagonální čtverce. Kterýkoli ze čtyř jim odpovídajících může být použit k zobrazení torického čtverce v rovině.
Pandiagonální čtverce existují pro liché pořadí n>3, pro jakékoli pořadí dvojité parity n=4k (k=1,2,3…) a neexistují pro pořadí s jednoduchou paritou ( ).
Pandiagonální čtverce čtvrtého řádu mají řadu dalších vlastností, pro které se nazývají dokonalé . Dokonalé čtverce lichého řádu neexistují. Mezi pandiagonálními čtverci s dvojitou paritou nad 4 jsou perfektní [6] .
Pandiagonální čtverce pátého řádu 3600 . Včetně torických paralelních překladů je zde 144 různých pandiagonálních čtverců. Jeden z nich je uveden níže.
jeden | patnáct | 24 | osm | 17 |
9 | osmnáct | 2 | jedenáct | 25 |
12 | 21 | deset | 19 | 3 |
dvacet | čtyři | 13 | 22 | 6 |
23 | 7 | 16 | 5 | čtrnáct |
Pokud je pandiagonální čtverec také asociativní, pak se nazývá ideální [7] . Příklad dokonalého magického čtverce:
21 | 32 | 70 | 26 | 28 | 69 | 22 | 36 | 65 |
40 | 81 | 2 | 39 | 77 | 7 | 44 | 73 | 6 |
62 | deset | 51 | 58 | osmnáct | 47 | 57 | čtrnáct | 52 |
66 | 23 | 34 | 71 | 19 | 33 | 67 | 27 | 29 |
čtyři | 45 | 74 | 3 | 41 | 79 | osm | 37 | 78 |
53 | 55 | patnáct | 49 | 63 | jedenáct | 48 | 59 | 16 |
třicet | 68 | 25 | 35 | 64 | 24 | 31 | 72 | dvacet |
76 | 9 | 38 | 75 | 5 | 43 | 80 | jeden | 42 |
17 | 46 | 60 | 13 | 54 | 56 | 12 | padesáti | 61 |
Je známo, že neexistují žádné ideální magické čtverce řádu n = 4k+2 a žádný čtverec řádu n = 4 . Zároveň existují dokonalé čtverce řádu n = 8 . Pomocí metody konstrukce složených čtverců je možné sestrojit na základě daného čtverce osmého řádu ideální čtverce řádu n = 8k, k=5,7,9… a řádu n = 8^p, p=2,3,4… V roce 2008 byla vyvinuta kombinatorická metoda konstruující dokonalé čtverce řádu n = 4k, k = 2, 3, 4,…
Popsal Yu.V. Chebrakov v The Theory of Magic Matrices .
Pro dané liché n nakreslete čtvercovou tabulku n krát n. Na tento stůl připevníme terasy (pyramidy) ze všech čtyř stran. V důsledku toho získáme stupňovitou symetrickou postavu.
|
Začněte od levého vrcholu stupňovité figury a vyplňte její diagonální řady po sobě jdoucími přirozenými čísly od 1 do .
Poté, za účelem získání klasické matice N-tého řádu, se čísla v terasách umístí na ta místa tabulky NxN, ve kterých by se nacházela, pokud by se pohybovala spolu s terasami, dokud se základny teras nepřipojí k na opačné straně stolu.
|
|
Tato metoda je navíc pravdivá i v případě, že magický čtverec nepotřebujeme skládat z čísel od 1 do N, ale také z K do N, kde 1 <= K< N.
Pravidla pro stavbu magických čtverců spadají do tří kategorií podle toho, zda je pořadí čtverce liché, rovné dvojnásobku lichého čísla nebo rovné čtyřnásobku lichého čísla. Obecná metoda pro konstrukci všech čtverců není známa, i když se široce používají různá schémata. [8] [9] Je možné najít všechny magické čtverce řádu pouze pro , proto konkrétní postupy pro konstrukci magických čtverců pro . Nejjednodušší konstrukce je pro magický čtverec lichého řádu. Do buňky musíte vložit číslo se souřadnicemi (kde a změnit z 1 na ) (Poznámka: tento vzorec platí pro všechny čtverce lichého řádu, kromě čtverců ve tvaru . V těchto čtvercích je součet čísel na hlavní úhlopříčka je o N větší než magická konstanta.)
Ještě jednodušší je postavit konstrukci následovně. Je vzata matice nxn. Uvnitř je zabudován stupňovitý kosočtverec. V něm jsou buňky zleva nahoru podél úhlopříček vyplněny po sobě jdoucí řadou lichých čísel. Je určena hodnota centrální buňky C. Potom budou hodnoty v rozích magického čtverce následující: pravá horní buňka C-1 ; levá dolní buňka C+1 ; pravá dolní buňka Cn; levá horní buňka C+n. Vyplňování prázdných buněk ve stupňovitých rohových trojúhelníkech se provádí podle jednoduchých pravidel: 1) v řádcích se čísla zvyšují zleva doprava v krocích n + 1; 2) ve sloupcích shora dolů se čísla zvyšují s krokem n-1.
Byly také vyvinuty algoritmy pro konstrukci pandiagonálních čtverců [10] [11] a ideálních magických čtverců 9x9. [12] [13] Tyto výsledky nám umožňují sestavit magické čtverce dokonalého řádu pro . [7] [14] Existují také obecné metody pro uspořádání dokonalých magických čtverců lichého řádu . [15] [16] Byly vyvinuty metody pro konstrukci ideálních magických čtverců řádu n=8k, k=1,2,3… [17] a dokonalých magických čtverců. [18] Pandiagonální a ideální čtverce sudého-lichého řádu lze kombinovat pouze v případě, že jsou netradiční. [19] [20] [21] Přesto je možné nalézt téměř pandiagonální čtverce [22] Najdeme speciální skupinu ideálně dokonalých magických čtverců (tradičních i netradičních) [23] .
Magické čtverce lichého řádu a řádu dvojité parity byly metodicky přísně vypracovány. [24] Formalizace čtverců řádu jedné parity je mnohem obtížnější, jak ilustrují následující schémata:
|
|
|
Existují desítky dalších metod pro stavbu magických čtverců.
Je známo, že šachy , stejně jako magické čtverce, se objevily před desítkami staletí v Indii . Nebylo proto náhodou, že vznikla myšlenka šachového přístupu ke stavbě magických polí. Tuto myšlenku poprvé vyjádřil Euler . Snažil se získat plný magický čtverec neustálým obcházením rytíře. To se mu však nepodařilo, protože v hlavních úhlopříčkách se součty čísel lišily od magické konstanty. Šachové rozložení však umožňuje vytvořit jakýkoli magický čtverec. Čísla se vyplňují pravidelně a řádek po řádku s přihlédnutím k barvě buněk.
![]() |
| |||
---|---|---|---|---|
|