幻方
幻方，有时又称魔术方阵（其简称“魔方”现一般指立方体的魔術方塊）或纵横图，由一组排放在正方形中的整数组成，其每行、每列以及每一条主对角线的和均相等。通常幻方由从到的连续整数组成，其中为正方形的行或列的数目。因此阶幻方有行列，并且所填充的数为从到。
幻方可以使用阶方阵来表示，方阵的每行、每列以及两条对角线的和都等于常数，如果填充数为，那么有
幻方简史
[编辑]《繫辭》云：「河出圖，洛出書，聖人則之。」在宋朝之前，洛書的記述只有文字。
九宮圖實物最早發現於西漢，1977年中國考古學家在安徽阜陽縣雙古堆西漢古墓中發現漢文帝七年（前173年）的太乙九宮占盤，乃是中國漢代幻方的實物。東漢《數術記遺》也有記載。
後來陳摶以降認為河圖洛書的洛書代表九宫图，為这个数，而行、列以及两对角线上各自的数之和均为15。
杨辉纵横图
[编辑]
南宋数学家杨辉著《续古摘奇算法》把类似于九宫图的图形命名为纵横图，书中列举3、4、5、6、7、8、9、10阶幻方。其中所述三阶幻方构造法：“九子斜排，上下对易，左右相更，四维挺出，戴九履一，左三右七，二四为肩，六八为足”，比法国数学家Claude Gaspar Bachet提出的方法早三百余年。
构造法
[编辑]根据构造方法的不同，幻方可以分成三类：奇数阶幻方、阶幻方和阶幻方，其中为自然数，阶幻方不存在。幻方构造法主要有：连续摆数法、阶梯法（楼梯法）、奇偶数分开的菱形法、对称法、对角线法、比例放大法、斯特雷奇法、LUX法、拉伊尔法（基方、根方合成法）、镶边法、相乘法、幻方模式等。
奇数阶幻方构造法
[编辑]右斜角降位法1
[编辑]假設要建構n階幻方，n為奇數。
- 先在第一橫列中央的方格填入1。
- 向右上方的格子推進，依次填入2、3、4、…、n2，若超過方陣框外，則將數字填入到該橫列或該直行的相對位置。
- 若右上方的格子已有數字，則將數字填入下面的格子中。
以下图阶幻方为例，填写在（第一行第三列）的位置上；应当填写在其右上方格即中，由于超出顶边界，所以从最底行进入，即；填写在的右上方格中；填写在的右上方格中，由于超出右边界，所以从最左列进入，即；填写在的右上方格中；应该填写的方格已经被所占据，因此填写在的正下方格中；按照上面的步骤直到所有数填入。
| 阶 | 阶 | 阶 |
魔方阵不是唯一的，比如5阶魔方阵还可以是：
| 阶 |
右斜角降位法2
[编辑]假設要建構n階幻方，n為奇數。
- 先在第一橫列中央的方格填入1。
- 向「右(n-1)/2格、上(n-1)/2格」的格子推進，依次填入2、3、4、…、n2，若超過方陣框外，則將數字填入到該橫列或該直行的相對位置。
- 若右上方的格子已有數字，則將數字填入下面的格子中。
右斜角升位法
[编辑]假設要建構n階幻方，n為奇數。
- 先在中央格的正上方一格的方格填入1。
- 向右上方的格子推進，依次填入2、3、4、…、n2，若超過方陣框外，則將數字填入到該橫列或該直行的相對位置。
- 若右上方的格子已有數字，則將數字填入上面兩格的格子中。
菱形法
[编辑]假設要建構n階幻方，n為奇數。
- 先以對角線為兩邊，做一個包含n階方陣的菱形方陣，此方陣總共有2n2-2n+1（第n個中心正方形數）個格子。
- 從這個菱形方陣中的最上方的尖端格子，由左上往右下，再由右上往左下，依次填入1、2、3、4、…、n2。
- 將原先方陣上側外的格子向下平行移動n格，填入原方陣的空格處，相同的步驟，若格子是在下側，往上移，若格子是在左側，往右移，若格子是在右側，往左移。
偶数阶幻方构造法
[编辑]阶幻方构造法
[编辑]消去對角線法
[编辑]- 將1、2、3、4、…、n2由上到下、再由左到右，依次填入。
- 將方陣以四階方陣為單位分割（可分割成n2個四階方陣），然後在每個四階方陣中，對角線上的數字擦掉。
- 把擦掉的數字由大的數開始，由上到下、再由左到右，依次填入。
保留對角線法
[编辑]假設要建構n階幻方，n為4的倍數。
- 將1、2、3、4、…、n2由上到下、再由左到右，依次填入。
- 將方陣以四階方陣為單位分割（可分割成n2個四階方陣），然後在每個四階方陣中，不在對角線上的數字擦掉。
- 把擦掉的數字由大的數開始，由上到下、再由左到右，依次填入。
如4阶幻方的排列法：
按如上图排列好，再将非主副对角线上的各个数关于中心对调，即成下图：
八阶幻方构造如下
即：
![{\displaystyle \left[{\begin{array}{cccc|cccc}\diagdown &\bigstar &\bigstar &\diagup &\diagdown &\bigstar &\bigstar &\diagup \\\bigstar &\diagdown &\diagup &\bigstar &\bigstar &\diagdown &\diagup &\bigstar \\\bigstar &\diagup &\diagdown &\bigstar &\bigstar &\diagup &\diagdown &\bigstar \\\diagup &\bigstar &\bigstar &\diagdown &\diagup &\bigstar &\bigstar &\diagdown \\\hline \diagdown &\bigstar &\bigstar &\diagup &\diagdown &\bigstar &\bigstar &\diagup \\\bigstar &\diagdown &\diagup &\bigstar &\bigstar &\diagdown &\diagup &\bigstar \\\bigstar &\diagup &\diagdown &\bigstar &\bigstar &\diagup &\diagdown &\bigstar \\\diagup &\bigstar &\bigstar &\diagdown &\diagup &\bigstar &\bigstar &\diagdown \\\end{array}}\right]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/a634984bcbba3ba69818bf693cd72e69db8c4b0c)
阶幻方构造法
[编辑]LUX法
[编辑]在(4M+2)×(4M+2）個方格的適當格點上，先排出2M+1階的幻方。在前M+1行的格點，全部標上「L」；在第M+1行的中間格點標上「U」，其余格點標上「L」；在第M+2行的中间格點標上「L」，其余格點標上「U」；在餘下的M-1行的格點全部標上「X」。將格點上的數乘以4再減4，再按下面的規則加上1至4其中一個數，填入對應的格上：
4 1 1 4 1 4 L U X 2 3 2 3 3 2
例子：
[ 68 65 96 93 4 1 32 29 60 57 ]
17L 24L 1L 8L 15L
[ 66 67 94 95 2 3 30 31 58 59 ]
[ 92 89 20 17 28 25 56 53 64 61 ]
23L 5L 7L 14L 16L
[ 90 91 18 19 26 27 54 55 62 63 ]
[ 16 13 24 21 49 52 80 77 88 85 ]
4L 6L 13U 20L 22L
[ 14 15 22 23 50 51 78 79 86 87 ]
[ 37 40 45 48 76 73 81 84 9 12 ]
10U 12U 19L 21U 3U
[ 38 39 46 47 74 75 82 83 10 11 ]
[ 41 44 69 72 97 100 5 8 33 36 ]
11X 18X 25X 2X 9X
[ 43 42 71 70 99 98 7 6 35 34 ]
斯特拉奇法
[编辑]任何階數的幻方都適用的構造法
[编辑]艾歆緹雅法
[编辑]此方法可用來建構任何階數的幻方，當要建構n階幻方時，使用兩個方陣，一個填入正整數1到n各n次，另一個則填入0、n、2n、3n、…、(n-1)*n各n次，儘管奇數階幻方與偶數階幻方的填入方式有所不同。
對於奇數階幻方：
第一個方陣：在第一橫列中央的方格填入1，並且往左下角不斷填入1，若超出方陣外，則向右平移n格，直到每一橫列都有一個方格填入1為止，再把所有填入1的方格右邊的格子填入2（若超出方陣外，則向左平移n格），再把所有填入2的方格右邊的格子填入3，一直到填入n為止。
第二個方陣：在第一直行中央的方格填入0，並且往右下角不斷填入1，若超出方陣外，則向上平移n格，直到每一直行都有一個方格填入0為止，再把所有填入0的方格右邊的格子填入n（若超出方陣外，則向上平移n格）。再把所有填入n的方格右邊的格子填入2n，一直到填入(n-1)*n為止。
再把兩個方陣中的數相加。
事實上，你可以將這兩個方陣中的每一個相同數字都替換為另一個數字，只要這兩個方陣中原本有出現的n個數字都仍然各出現n次即可，唯一的條件是第一個方陣中(n+1)/2這個數字，以及第二個方陣中(n-1)*n/2這個數字，不能被替換。
對於偶數階幻方：
第一個方陣：第一直行由上到下依次填入1到n，第二直行由下到上依次填入1到n，第三直行與第二直行相同，第四直行與第一直行相同，若超過四直行，則重複第一到第四直行的步驟。
第二個方陣：第一橫列由上到下依次填入0到n*(n-1)，第二橫列由下到上依次填入0到n*(n-1)，第三橫列與第二橫列相同，第四橫列與第一橫列相同，若超過四橫列，則重複第一到第四橫列的步驟。
此方法暫時只適用於4k階的幻方。
事實上，你可以將這兩個方陣中的每一個相同數字都替換為另一個數字，只要這兩個方陣中原本有出現的n個數字都仍然各出現n次即可，唯一的條件是第一個方陣中每個直行相對的兩個數字之和必須是n+1，以及第二個方陣中每個橫列相對的兩個數字之和必須是n*(n-1)。
如果是4k+2階的幻方，就必須在第二個方陣中，檢查每個直行相對的兩個數字之和為n*(n-1)的格子，對於這些格子，第一個方陣的對應格子。
加邊法
[编辑]當n為大於等於5的正整數時，此方法可由n-2階幻方外圍加上一圈來構造n階幻方。
以阶为例子，先排出阶的幻方，如上图，再将图中每一个数都加上，有下图：
在外围加上一圈格子，把和这些数安排在外圈格子内，但要使相对两数之和等于。对于这些数是：；。
结果如下：
方陣合成法
[编辑]當n可以分解成兩個大於等於3的正整數a與b的乘積時，此方法可由a階幻方與b階幻方來構造n階幻方。
- 以a(k)表示a階幻方中的每一個數字加上k*a2的結果，則所有的a(k)都是幻方，且a(0)=原本的a階幻方。
- 將b階幻方中的數字k都用幻方a(k-1)取代。
編程語言參考實現
[编辑]#include<stdio.h>
int a[17],b[17],m;
void s(int i)
{ /*搜索全部四階幻方，C代碼,運行時間7秒*/
int n=0,j=0;
while(++j<17)
if(!a[j])
{
a[b[i]=j]=1;
switch(i)
{
case 1:case 2:case 3:case 5:case 6:case 7:case 9:case 10:s(i+1);break;
case 11:if(b[6]+b[7]+b[10]+b[11]==34)s(12);break;
case 4:case 8:case 12:if(b[i-3]+b[i-2]+b[i-1]+b[i]==34)s(i+1);break;
case 13:if(b[1]+b[5]+b[9]+b[13]==34&&b[4]+b[7]+b[10]+b[13]==34)s(14);break;
case 14:case 15:if(b[i-12]+b[i-8]+b[i-4]+b[i]==34)s(i+1);break;
case 16:for(printf("\n"),++m;++n<17;n%4?0:printf("\n"))printf("%2d ",b[n]);
}
a[j]=0;
}
}
int main(void)
{
s(1);
printf("四階幻方總數量:%d(含旋轉反射相同)",m);
return 0;
}
/**
* @author: contribute to wikipedia according GNU
* @description:用於創建奇數階的幻方
*/
public class magic_squre_odd {
static int[][] matrix;
static int n;
public static void magic_squre_odd_generate()
{ matrix = new int[n][n];
//所有的數初始化為0
matrix[0][(n-1)/2] = 1;
int x = 0,y = (n-1)/2;
//count:記住已經插入過的數
for(int count = 2; count<=n*n;count++)
while(true)
{
//先x-1 y+1
x--;
y++;
//判斷是否可以插入
while(true)
{//循環判斷是否越界，直到一個地方不越界為止
//判斷是否越界：
//越上界x<0，則移到最下方x=x+n，y不變; continue
if(x<0)
{
x += n;
continue;
}
//越右界y>=n，則y=y-n，x不變;continue
if(y>=n)
{
y -= n;
continue;
}
//循環判斷是否該位置已經有數據，直到找到一個空位
//如果有數據，則移到x = x + 2;y = y - 1; continue
if (y<0){y+=n;continue;}
if(matrix[x][y] != 0 )
{
x += 2;y -= 1;
if (x>=n){x-=n;continue;}
if (y<0){y+=n;continue;}
continue;
}
break;
}
//將當前的count值賦給選出的空位
matrix[x][y]= count;
break;
}
}
public static void print()
{
for(int i = 0; i < n; i++)
{
for(int j = 0; j < n; j++)
{
//System.out.println(matrix[i][j]);
System.out.print(matrix[i][j]);
System.out.print("_");
}
System.out.println();
}
}
public static void main(String[] args)
{ //手工輸入n的值，並確保為奇數
n = 11;
magic_squre_odd_generate();
print();
}
}
以下是本算法將n設置為11時得出的11階幻方的構造結果：
68 81 94 107 120 1 14 27 40 53 66 80 93 106 119 11 13 26 39 52 65 67 92 105 118 10 12 25 38 51 64 77 79 104 117 9 22 24 37 50 63 76 78 91 116 8 21 23 36 49 62 75 88 90 103 7 20 33 35 48 61 74 87 89 102 115 19 32 34 47 60 73 86 99 101 114 6 31 44 46 59 72 85 98 100 113 5 18 43 45 58 71 84 97 110 112 4 17 30 55 57 70 83 96 109 111 3 16 29 42 56 69 82 95 108 121 2 15 28 41 54
階幻方算法的Java語言實現
[编辑] /**
* @author: contribute to wikipedia according GNU
* @description:用於創建4階的幻方
*
*/
public class magic_square_4m {
/**
* @param args
*/
static int matrix[][];
static int n;
static void magic_squre_4m_generate()
{
//初始化matrix
matrix = new int[n][n];
//將matrix裡的位置用數順序排列
int ini = 0;
for(int i = 0; i < n; i++)
for(int j = 0; j < n; j++)
matrix[i][j] = ++ini;
//輸出對調前的樣子
System.out.println("對調之前的樣子：");
print();
//然後對調（僅對右上方的數進行遍歷）
for(int i = 0; i < n; i++)
for(int j = i + 1; j < n; j++)
{
if(( i != j) && (i + j) != (n -1) )
{ //對不在主付對角線上的數關於中心對調
int temp;
temp = matrix[i][j];
matrix[i][j] = matrix[n -1 - i][n - 1 - j];
matrix[n -1 - i][n - 1 - j] = temp;
}
}
}
public static void print()
{
for(int i = 0; i < n; i++)
{
for(int j = 0; j < n; j++)
{
System.out.print(matrix[i][j]);
System.out.print("_");
}
System.out.print("\n");
}
}
public static void main(String[] args) {
//這裡手動設置n的數值為4，這裡只能設置為4，因為只求4階幻方
n = 4;
magic_squre_4m_generate();
System.out.println("對調之後的樣子：");
print();
}
}
以下是本算法輸出的結果：
對調之前的樣子： 1_2_3_4_ 5_6_7_8_ 9_10_11_12_ 13_14_15_16_ 對調之後的樣子： 1_15_14_4_ 12_6_7_9_ 8_10_11_5_ 13_3_2_16_
研究价值
[编辑]知名华人数学家陈省身曾在数学演讲中说幻方只是一个奇迹，它在数学中没有引起更普遍深刻的影响，不属于“好的数学”。[2]
对幻方的学习和研究一直局限于趣味数学本身，更接近数字游戏或文字游戏，缺乏与主流数学的联系(和璇玑图在中国诗歌中的地位有一些相似)。数学和物理中也有具有更多学术价值的特殊数字方阵，如推动了试验设计研究的拉丁方陣和已有应用的阿达玛矩阵，还有在量子力学中有重要价值的泡利矩阵及其推广版本盖尔曼矩阵。魔术方块则可以与群论建立联系(见魔方群)，可以作为抽象代数的入门教具，也是计算群论的研究案例之一，并非单纯的几何玩具。高性能的计算机诞生后，幻方、幻星、素数环(prime ring problem)等很多这类需要满足特殊规律的填数问题，只要所需的数字规模不大，都可以考虑通过深度优先搜索算法暴力求解和枚举。
艺术与流行文化
[编辑]参见
[编辑]參考資料
[编辑]引用
[编辑]延伸阅读
[编辑]- 高治源. 九宫图探秘. 香港天马图书有限公司. 2004 （中文（香港））.
- 张道鑫. 素数幻方. 香港天马图书有限公司. 2003 （中文（香港））.
- 李杭强. 趣味数学幻方. 香港天马图书有限公司. 2002 （中文（香港））.
- 林正禄. 开拓智力的奇方——幻方. 香港天马图书有限公司. 2001 （中文（香港））.
