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小学奥数之《简洁幻方》

  《简洁幻方》 ——钟七珍

        引 子

  我是一个幻方爱好者。

读小学时,曾经独立解答出了“三阶幻方”。

后来,又解出了“四阶幻方”和“五阶幻方”。

这是我在1974年9月15日解答出的“四阶幻方”和“五阶幻方”。

 

  “四阶幻方”:

    1,14,7,12;

    8,11,2,13;

    10,5,16,3;

    15,1,9,6。

  “五阶幻方”:

  

    1,12,23,9,20;

    24,10,16,2,13;

    17,3,14,25,6;

    15,21,7,18,4;

    8,19,5,11,22。

  

  前几天,我被武汉的吴黎老师拉入“幻方群”。

开了眼界!

花了几天时间,看完了万树军的全部博文,深受启发,并有自己的一些体会。

  物理学中,有一个“不相容原理”和“能量最低原理。

“不相容原理”讲的是:

在轨道量子数m,l,n确定的一个原子轨道上,最多可容纳两个电子,而这两个电子的自旋方向必须相反。

“能量最低原理”讲的是:

电子总是尽先占有能量最低的轨道,只有当能量最低的轨道占满后,电子才依次进入能量较高的轨道,也就是尽可能使体系能量最低。

  在幻方中,应用“类自然数”,某一个绝对值,用了正数,就不能用负数;用了负数,就不能用正数。

这样,尽管在绝对值上是连续的,但也造成了数值在数轴上的缺位和不连续,在数值资源上造成了浪费。

  我想:

在幻方中,也可以考虑“不相容原理”和“能量最低原理”。

可以同时采用正负相反的两个数,并且尽量使用数值最小的数字。

在幻方中,每一个数字都应有正负值出现;这样,用到的数字也会最少。

用最小绝对值、最少量的数字构成幻方,正负数成对出现,而且让数值在数轴上不重不漏、不缺不断。

  这种幻方,可称之为“不相容幻方”,或称“简洁幻方”。

     一、三阶《简洁幻方》 

  先从三阶幻方谈起。

  三阶《简洁幻方》:

    -1,4,-3;

    -2,0,2;

    3,-4,1。

  三阶《简洁幻方》所用的9个数,正负反号对称,中间用到了一个正负相等的“0”,这9个数在数轴上是连续的。

  很明显,这个三阶《简洁幻方》的幻和为0。

  三阶《简洁幻方》有以下特点:

  1、三行数和相等;同理:

三列的数和也相等,都等于幻和0。

  2、两条对角线数和相等,也为0。

  3、另外四条“泛对角线”数和不相等。

所以,这款三阶《简洁幻方》,不是“完全幻方”(“泛对角线幻方”),而是“不完全幻方”。

 

  4、把“简洁幻方”中所用的9个数,按从小到大排列成如下原始方阵:

    -4,-3,-2;

    -1,0,1;

    2,3,4。

  原始方阵共排列成三横行、三纵列。

原始方阵中的同行三个数字中的任意两个或多个数字不会相逢在《简洁幻方》的同排或同列;同理,原始方阵中的同列三个数,也不会相逢在《简洁幻方》的同排或同列。

  5、原始方阵中的同行、或同列的三个数,在《简洁幻方》的全部六条“泛对角线”中,都出现了相遇。

  6、三阶《简洁幻方》具有几何图形上的特点:

以0为中心,只看绝对值,这个三阶《简洁幻方》,是一个旋转对称图形!

即以0为中心,把幻方旋转180度,9个数的绝对值与旋转前完全重合!

不同的是,正负号相反。

所以,这是一个“旋转对称反号图形”。

  顺序排列的原始方阵,也是一个“旋转对称反号图形”!

  7、把这个三阶《简洁幻方》中的9个数全部反号,所得到的幻方,围绕中心作180度旋转,与原图完全相同!

其实质就是同一个幻方。

        二、四阶《简洁幻方》

  四阶“简洁幻方”举例如下:

     1,-3,7,-5;

     -2,4,-8,6;

     -7,5,-1,3;

     8,-6,2,-4。

  四阶《简洁幻方》所用的16个数,正负反号对称。

由于没有用到0,所以这16个数在数轴上是不连续的,在“0”这里断开了。

很明显,四阶《简洁幻方》的幻和为0。

这是由“简洁幻方”所用数字正负对称所决定的。

  这个四阶“简洁幻方”,有如下特点:

  1、四排(或:

行)数和相等;四列数和也相等。

都等于幻和0。

  2、两条对角线数和相等,也是幻和0。

  3、六条“泛对角线”数和相等。

即:

把幻方的第一排,顺序移动到第四排之下,组成的幻方,两对角线数和也相等。

同理,把幻方的第一列,顺序移动到第四列之右,组成的幻方,两对角线数和也相等。

可以按照这样的方式多次移动,这样的移动称作“同构顺序移动”,幻方本质不变。

这是一个“完全幻方”,即“泛对角线幻方”。

  4、把“简洁幻方”中所用的16个数,按从小到大排列成如下原始方阵:

   -8,-7,-6,-5;

   -4,-3,-2,-1;

   1,2,3,4;

   5,6,7,8。

  原始方阵共排列成四排、四列。

原始方阵中的同排四个数,不会在《简洁幻方》的同排或同列相遇;同理,原始方阵中的同列四个数,也不会在“简洁幻方”的同排或同列相遇。

  5、原始方阵中的同排、或同列的四个数,在幻方的八条“泛对角线”中,有四条没有相遇;而在另外四条泛对角线中则出现相遇的情况。

可以证明:

原始方阵中的同排、或同列的四个数,在幻方的另外四条泛对角线中,无法避免相遇的现象。

  6、在四阶《简洁幻方》中,还有一个特点:

任意紧密相邻的四个数(即构成“田字格”的四个数),和也为0。

  7、从中间把四阶《简洁幻方》的上下、左右分割成四个部分:

左上部分的四个数,是绝对值最小的四个数字。

如果把这四个数沿斜线移动到右下部位置,与原右下部分的数字完全相同;不同的是,正负号却相反!

与此相似:

右上部分的四个数,是绝对值最大的四个数字,如果沿斜线移动到左下角位置,数字未变,而正负号也相反!

  8、把四阶《简洁幻方》中的16个数全部反号,所得到的幻方,作“同构顺序移动”后,与原图完全相同!

其实质就是同一个幻方。

  9、如果把《简洁幻方》左下角的四个数字,和右上角的四个数字,围绕《简洁幻方》的中心作180度旋转换位,可以得到一个新的幻方:

    1,-3,-6,8;

    -2,4,5,-7;

    6,-8,-1,3;

    -5,7,2,-4。

  而这个新组成的幻方,同样具有前面1-8的特点!

也是《简洁幻方》!

  但这两个幻方,16个数的排列是不同的,不是同一个幻方的同构顺序移动。

  满足特点1-8的四阶《简洁幻方》,还有吗?

      三、五阶《简洁幻方》

  我用“马步法”,构建了4个五阶《简洁幻方》。

它们具有具有相同的特点。

举例如下:

    -8,-2,9,-5,6;

    10,-4,7,-12,-1;

    3,-11,0,11,-3;

    1,12,-7,4,-10;

    -6,5,-9,2,8。

  五阶《简洁幻方》所用的这25个数,正负对称,中间用到了一个正负相等的“0”。

这25个数在数轴上是连续的。

  很明显,这个五阶《简洁幻方》的幻和为0。

这是由组成幻方的25个连续数字决定的。

从-12到12,除了正负值成对的12对数字以外,还出现了一个0。

正负成对的数,总数必然是偶数,只能用在偶数阶幻方中,而在奇数阶幻方中,用数总数是奇数,正好就用到一个正负都相等的“0”!

0,并不是“什么都没有”,而是数轴上的一个点,是正负值相等的数,而且是一个偶数!

正是这个偶数的参与,使得用数总数成了奇数!

奇数和偶数各自正反相对,都是成双成对,而偶数0的参与,却使总数成了奇数!

这也许就是奇数与偶数的辩证法?

  五阶《简洁幻方》有以下特点:

1、五排数和相等,五列的数和也相等,都等于幻和0。

  2、两条对角线数和相等,也是幻和0。

  3、另外八条“泛对角线”数和相等,也为幻和0。

即:

把幻方的第一排,顺序移动到第五排之下,组成的幻方,两对角线数和为0。

同理,把幻方的第一列,顺序移动到第五列之右,组成的幻方,两对角线数和也为0。

可以按照这样的方式多次移动,这样的移动称作“同构顺序移动”,幻方本质不变。

  所以,这是一个“完全幻方”,即“泛对角线幻方”。

 

  4、把“简洁幻方”中所用的25个数,按从小到大排列成如下原始方阵:

    -12,-11,-10,-9,-8;

    -7,-6,-5,-4,-3;

    -2,-1,0,1,2;

    3,4,5,6,7;

    8,9,10,11,12。

  原始方阵共排列成五排、五列。

原始方阵中的同排五个数中的任意两个或多个数不会相逢在《简洁幻方》的同排或同列;同理,原始方阵中的同列五个数,也不会相逢在《简洁幻方》的同排或同列。

  5、原始方阵中的同排、或同列的五个数,在《简洁幻方》的全部十条“泛对角线”中,不会相逢。

  在四阶《简洁幻方》中,这一条特点无法在全部“泛对角线”中具备。

  具备第4特点的幻方,我把它称作“第一类完美幻方”。

四阶《简洁幻方》是“第一类完美幻方”。

  同时具备第4、第5个特点的幻方,我称之为“第二类完美幻方”。

四阶《简洁幻方》虽然具有第4个特点,但不具有第5个特点,所以,不是“第二类完美幻方”。

  五阶《简洁幻方》才是真正的完美幻方!

  6、在五阶《简洁幻方》中,,除了每排(五排)、每列(五列)、每条泛对角线(十条)的数和等于0以外,还有四种情况等于幻和0:

  ①以任意一个数为中心,以这个数字为中心的“小十字架”五个数和为0;

  ②以任意一个数为中心的“X架”的五个数字为0;

  ③以任意一个数字为中心的“大十字架”五个数字为0;

  ④以任意一个数字为中心的“大X架”的五个数和为0。

  除了上面提到的五个数的组合特点以外,在这个五阶《简洁幻方》中,还有一些有趣的数字组合特点:

  ⑤任意一个数为中心的“九宫格”九个数之和,等于中心数的相反数!

  ⑥以任意相邻(纵,或横)的两个数为中心,在这两个数周围贴身相邻的六个数构成一个六边形,六边形上六个数字之和,等于中心两数和相反数的两倍!

  ⑦而在这两个数的上边四个数和下边的四个数构成一个宽心“工”字,这上、下边八个数字之和,等于中心两数和的相反数!

(如果选择的是纵向相邻的两个数为中心,则是它们左边和右边的四个数)

  ⑧在这个五阶《简洁幻方》上任意画一个“十”字,这个“十”字架上的九个数字之和,等于交叉点的相反数!

  ⑨把任意一个数字同构顺序移动到幻方的中心,幻方最外圈的12个数字之和,正好等于中心这个数!

  7、以0为中心,只看绝对值,这个五阶《简洁幻方》,竟然是一个旋转对称图形!

即以0为中心,把幻方旋转180度,25个数字与旋转前绝对值完全相等!

不同的是,正负号相反。

  这个五阶《简洁幻方》,与三阶《简洁幻方》一样,也是一个“旋转对称反号图形”。

  顺序排列的原始方阵,也是“旋转对称反号图形”!

  8、把这个五阶《简洁幻方》中的25个数全部反号,所得到的幻方,围绕中心作180度旋转,与原图完全相同!

其实就是同一个幻方。

  具有1-8条特点的五阶《简洁幻方》,真是完美而又简洁!

  具有前面1-8条特点的五阶《简洁幻方》,肯定不只一个。

我用“马步法”构建了四个:

  前文用于举例讲解的是第一个:

    -8,-2,9,-5,6;

    10,-4,7,-12,-1;

    3,-11,0,11,-3;

    1,12,-7,4,-10;

    -6,5,-9,2,8。

  

  第二个:

    12,-2,-11,5,-4;

    -10,6,-3,8,-1;

    -7,9,0,-9,7;

    1,-8,3,-6,10;

    4,-5,11,2,-12。

  第三个:

    7,2,-6,-10,11;

    -5,-9,12,3,-1;

    8,4,0,-4,-8;

    1,-3,-12,9,5;

    -11,10,6,-2,-7。

  第四个:

    -3,-2,4,10,-9;

    5,11,-8,-7,-1;

    -12,-6,0,6,12;

    1,7,8,-11,-5;

    9,-10,-4,2,3。

  具有1-8条特点的、完美而又简洁的五阶《简洁幻方》,还有吗?

       四、六阶《简洁幻方》

  这是“魔方”网友11月21日发在群里的一个6阶零和幻方:

 

  这个六阶幻方,用到的数字:

±4、±5、±6、±8、±9、±10、±11、±12、±13、±15、±16、±17、18、±19、±20、±22、±23、±24。

  用数36个,对称,但不连续。

很明显:

幻和为零。

这个六阶幻方,有如下特点:

  1、各排数和相等,各列数和也相等,即幻和为0。

  2、两条对角线数和为零。

  3、十二条“泛对角线”数和为0。

即:

把幻方的第一排,顺序移动到第六排之下,组成的幻方,两对角线数字和也相等。

同理,把幻方的第一列,顺序移动到第六列之右,组成的幻方,两对角线数字和也相等。

可以按照这样的方式多次移动,这样的移动称作“同构顺序移动”,幻方本质不变。

所以,这是一个“完全幻方”。

但是,它不是“完美幻方”(既不是“第一类完美幻方”,更不是“第二类完美幻方”)。

  4、把这个6阶幻方中所用的36个数字,按从小到大排列成如下原始方阵:

  

 

  原始方阵共排列成六排、六列。

用到了七阶《简洁方阵》的49个数字,但缺少-21、-14、-7、-3、-2、-1、0、1、2、3、7、14、21,这十三个数字!

这是怎么一回事呢?

  我们来排一下七阶《简洁幻方》原始方阵:

     

 

  前面的六阶方阵,竟然是这个七阶原始方阵中,去掉了居中一排、以及去掉了居中一列所得!

这或许透露出、或揭示出:

在《简洁幻方》中,六阶幻方和七阶幻方之间的某种联系?

  石破天惊!

  这36个数字,仍然具有《简洁幻方》用数的特点:

每一个数字均有对称的正负数;在满足“完全幻方”的前提下,使用数字的绝对值最小(尽管不连续)。

  5、在这个六阶《简洁幻方》中,还有一些有趣的数字组合特点:

  ①、任意一个数,与它斜线上相隔两个数,必为它的相反数;

  ②、任意相连(排或列)的三个数之和,与隔两排的另三个数之和相等。

这样的等式,有18个。

  ③、以任意一个数为中心,画一个小十字,在这小十字端的四个数之和为零。

  ④、以任意一个数为中心,画一个X字,这五个数之和为零。

  ⑤、以任意一个数为中心,画一个大十字,在这个大十字端的四个数之和为中心数相反数的两倍。

  ⑥、以任意一个数为中心,画一个大X字,在这个大X字端的四个数之和,与中心这个数相等。

  ⑦、由③可以得出:

任意一个数,与组成小十字端点的另三个数之和成相反数。

  ⑧、由⑦可推得:

以某一数为中心,有四组三数之和相等。

如:

以12为中心,-5、6、-13三数之和,与-17、-18、23三数之和相等,都等于中心数12的相反数;还有-5、10、-17三数,与-13、-22、23三数之和相等,也是中心数12的相反数。

  ⑨、以任意相邻两数为中心,周围有六个数字紧密相连。

这八个数实质上由两个空心小十字组成,由③可以得出,这八个数之和为零。

  ⑩、由③和④可知:

任意一个九宫格的九个数之和为零。

6、在六阶《简洁幻方》中,从中间把《幻方》的左右和上下,划分成四个部分,即划分成四个九宫格。

如果把左上角的九宫格沿斜线移动到右下角位置,与原右下角九9个数比较:

数字未变,而正负号相反!

同理:

如果把右上角的九宫格沿斜线移动到左下角位置,与原左下角九9个数比较:

数字未变,而正负号相反!

  7、把六阶《简洁幻方》中的36个数全部反号,所得到的幻方,作“同构顺序移动”后,与原图完全相同!

其实质是同一个幻方。

  第6和第7点特征,与四阶《简洁幻方》相同。

  真是奇妙!

  满足特点1-7的六阶《简洁幻方》,还有吗?

谢谢“魔方”群友提供六阶零和幻方!

      五、七阶《简洁幻方》

七阶《简洁幻方》:

我用“马步法”排出了七阶《简洁幻方》共有54个。

以下是其中三个:

 

 

    

  

  

 

  

 

     

 

 

  很明显,这三个七阶《简洁幻方》的幻和为0。

这是由组成幻方从-24到24这49个连续数所决定的。

  这三个七阶《简洁幻方》,与之前介绍的五阶《简洁幻方》有许多相似的特点:

  1、七排数和相等;同理:

七列的数和也相等,都等于幻和0。

  2、两条对角线数和为0。

  3、另外十二条“泛对角线”数和也为0。

即:

把幻方的第一排,顺序移动到第七排之下,组成的幻方,两对角线数和也相等。

同理,把幻方的第一列,顺序移动到第七列之右,组成的幻方,两对角线数和也相等。

可以按照这样的方式多次移动,这样的移动称作“同构顺序移动”,幻方本质不变。

  很明显,这三个七阶《简洁幻方》,都是“完全幻方”。

 

  4、把七阶《简洁幻方》中所用的49个数,按从小到大排列成如下原始方阵:

    

 

  原始方阵共排列七排、七列。

原始方阵中的同排七个数中的任意两个或多个数不会相逢在《简洁幻方》的同排或同列;同理,原始方阵中的同列七个数,也不会相逢在《简洁幻方》的同排或同列。

  5、原始方阵中的同排、或同列的七个数,在《简洁幻方》的全部十四条“泛对角线”中,不会相逢。

  而且,在《简洁幻方》中,同排、同列、同泛对角线相逢过的数,也不会在另外的排、列、泛对角线再次相逢!

  在偶数阶《简洁幻方》中,这一条特点无法在全部“泛对角线”中具备。

  6、五阶《简洁幻方》有许多独特的数字组合特点。

尚未找出七阶《简洁幻方》单独具有的数字组合特点。

  7、以0为中心,只看绝对值,这个七阶《简洁幻方》,与五阶《简洁幻方》相似,也是一个旋转对称图形!

即以0为中心,把幻方旋转180度,49个数字与旋转前完全重合!

不同的是,正负号相反。

  所以,这个七阶《简洁幻方》,与三阶、五阶《简洁幻方》一样,也是一个“旋转对称反号图形”。

  顺序排列的七阶原始方阵,也是“旋转对称反号图形”!

  8、把前面三款七阶《简洁幻方》中的49个数字全部反号,所得到的新的幻方,围绕中心作180度旋转,与原图完全相同!

其实就是同一个幻方。

  这8个特点,与五阶《简洁幻方》所具有的特点完全相同,真是完美而又简洁!

     

  具有这8个特点的七阶《简洁幻方》,不计旋转、不计镜像,我用“马步法”,共构建了54个。

      六、第二款六阶《简洁幻方》

  “幻方群”群友“夏天的太阳”,对前述的六阶《简洁幻方》提出了不同看法(12月19日发言纪录):

  这不是最小绝对值的6阶广义完美幻方。

 

  制作最小绝对值幻和的可以用划分得到:

1+2+3+4+...+18=9*19=171。

  不满足无剩余划分,可以去掉一个最大数,18,增加一个元素19。

做成无剩余的三元组划分:

171+1=172。

  这才是绝对值最小的6阶零幻和对称完美幻方!

绝对值的总合等于344:

  

 

  群友“夏天的太阳”列出的最小绝对值对称数归零《六阶幻方》如上。

是一个完全幻方!

  我的回答:

  你的这个绝对值最小的6阶零幻和幻方,的确是对称完全幻方!

满足六阶《简洁幻方》七个特点中的六个。

只有第5个特点不满足。

  我用“魔方”网友的六阶幻方,列出了七个特点。

其中第五个特点,你的这个幻方不具备;但似乎这个不是六阶幻方必须具备的?

或者说不是最基本的。

  “夏天的太阳”这个六阶幻方,满足《简洁幻方》用数特点:

     

  1、用数正负对称(其结果必然幻和归零);同一数值不使用两次。

  2、在追求完全幻方的前提下,使用最小的绝对值(不追求连续)。

  下面,对“夏天的太阳”提供的这个“对称数”六阶幻方分析其特点:

   “夏天的太阳”提供的这个“对称数”六阶幻方:

  

 

  这个六阶幻方,用到的数字:

±1、±2、±3、±4、±5、±6、±8、±9、±10、±11、±12、±13、±15、±16、±17、±19。

  用数36个,对称,但不连续。

很明显:

幻和为零。

  这个六阶幻方,有如下特点:

  1、各排数字和相等,幻和为零;同列数字和也为零。

  2、两条对角线数字和为零。

  3、十二条“泛对角线”数字和为0。

  所以,这是一个“完全幻方”。

  4、把这个6阶幻方中所用的36个数字,按从小到大排列成如下原始方阵:

  

 

  这36个数字,仍然具有《简洁幻方》用数的特点:

每一个数字均有对称的正负数;在满足“完全幻方”的前提下,使用数字的绝对值最小(尽管有三处不连续)。

  6、在这个六阶幻方中,把左右和上下,划分成四个九宫格。

如果把左上角的九宫格,沿斜线移动到右下角位置,与原右下角九个数比较:

数字未变,绝对值相同,而正负号相反。

同理:

如果把右上角的九宫格沿斜线移动到,左下角位置,与原左下角九个数字比较:

数字未变,而正负号相反。

  7、把这个六阶幻方中的36个数全部反号,所得到的幻方,作“同构顺序移动”后,与原图完全相同。

实质为同一幻方。

  第6和第7点特征,与四阶《简洁幻方》相同。

  不过,“夏天的太阳”提供的这个六阶“对称数”幻方,与“魔

方”群友提供的六阶“对称数”幻方相比较,不具备我在前文分析的第五个特点:

  5、在“魔方”群友提供的这个六阶《简洁幻方》中,还有一些有趣的数字组合特点:

 

  ①、任意一个数,与它斜线上相隔两个数,必为它的相反数;

  ②、任意相连(排或列)的三个数之和,与隔两排的另三个数之和相等。

这样的等式,有18个。

  ③、以任意一个数字为中心,画一个小十字,在这小十字端的四个数之和为零。

  ④、以任意一个数字为中心,画一个X字,这五个数之和为零。

  ⑤、以任意一个数字为中心,画一个大十字,在这个大十字端的四个数之和为中心数相反数的两倍。

  ⑥、以任意一个数为中心,画一个大X字,在这个大X字端的四个数之和,与中心这个数相等。

  ⑦、由③可以得出:

任意一个数,与组成小十字端点的另三个数之和成相反数。

  ⑧、由⑦可推得:

以某一数为中心,有四组三数之和相等。

如:

以12为中心,-5、6、-13三数之和,与-17、-18、23三数之和相等,都等于中心数12的相反数;还有-5、10、-17三数,与-13、-22、23三数之和相等,也是中心数12的相反数。

  ⑨、以任意相邻两数为中心,周围有六个数紧密相连。

这八个数实质上由两个空心小十字组成,由③可以得出,这八个数之和为零。

  ⑩、由③和④可知:

任意一个九宫格的九个数之和为零。

  对“魔方”网友的六阶幻方,我列出了七个特点。

其中第五个特点,“夏天的太阳”提供的六阶幻方不具备;但这个特点似乎不是六阶《简洁幻方》必须具备的?

或者说不是最基本的特点。

  “夏天的太阳”和“魔方”群友提供的这两个六阶幻方,都满足《简洁幻方》用数特点。

  这两款都可称作六阶《简洁幻方》!

“夏天的太阳”用到的绝对值更小!

“魔方”群友提供的六阶对称数幻方,具备更多有趣的规律和特点!

这两个幻方都是六阶“正负对称数”、“幻和归零”的“完全幻方”。

但都不是“完美幻方”。

    

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