詹 森,王輝豐
(1.廣東技術(shù)師范學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)系,廣東 廣州 510665;2.海南師范大學(xué) 數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院,海南 ???571158)
構(gòu)造奇數(shù)階對(duì)稱幻方及奇偶分開對(duì)稱幻方的新方法
詹 森1,王輝豐2
(1.廣東技術(shù)師范學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)系,廣東 廣州 510665;2.海南師范大學(xué) 數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院,海南 海口 571158)
用匹配兩步法構(gòu)造出奇數(shù)n=2m+1(m為自然數(shù))階對(duì)稱幻方,用匹配余函數(shù)兩步法構(gòu)造出奇數(shù)n階奇偶分開對(duì)稱幻方,具有普遍性,并給出了證明.這些方法可分別得到2m(m !)·2m-1(( m-1)!) 個(gè)不同的n階對(duì)稱幻方;當(dāng)n=2m+1(m=2k,k=1,2,…)時(shí),可構(gòu)造出2m(k !)·2m-1(k!)(( k-1)!) 個(gè)不同的n階奇偶分開的對(duì)稱幻方;當(dāng)n=2m+1(m=2k+1,k=0,1,2,…)時(shí),可構(gòu)造出2m(( k+1)!)(k!)·2m-1(k!)2個(gè)不同的n階奇偶分開的對(duì)稱幻方.
對(duì)稱幻方;奇偶分開對(duì)稱幻方;匹配基數(shù);余函數(shù)
我們?cè)谖腫1]中討論了構(gòu)造奇數(shù)n=2m+1(m為自然數(shù))階對(duì)稱幻方、奇偶分開對(duì)稱幻方的兩步法,其基數(shù)的安裝具有以下局限性:從左到右是按由小到大的順序進(jìn)行的,基數(shù)下方、上方元素的安裝是按自然數(shù)的順序安裝;只能構(gòu)造出一個(gè)n階對(duì)稱幻方或一個(gè)n階奇偶分開對(duì)稱幻方.然而,這方法給出了通項(xiàng)公式,為克服上述局限性奠定了基礎(chǔ).在此基礎(chǔ)上,我們下面將利用匹配基數(shù)和文[2]的余函數(shù)進(jìn)一步研究以上兩類幻方的構(gòu)造方法,得到新的更好的更一般的結(jié)果.
我們已知n階基方陣A[2]的基數(shù)共有n個(gè),它們是
1,n+1,2n+1,…,(m-1)n+1,mn+1,(m+1)n+1,…,(n-1)n+1.值得注意的是,基數(shù)k·n+1與(n-1-k)n+1(k=0,1,…,n-1但k≠m)之和都等于(n-1)n+2,這樣的一對(duì)基數(shù)叫做匹配基數(shù).這是不同于文[1]之處.而把第j列與笫n-j+1列(j=1,2,…,n)叫做對(duì)稱列.
第一步 安裝基方陣.
設(shè)n=2m+1(m=1,2,…)階基方陣[2]A位于第i行、第j列的元素為a(i,j)(i,j=1,2,…,n),將基數(shù)按如下方式安裝到n階方陣A中,取定a(1,m+1)=mn+1,其余n-1個(gè)基數(shù)
1,n+1,2n+1,…,(m-1)n+1,(m+1)n+1,…,(n-1)n+1,
可隨意安裝到如下n-1個(gè)位置:
a(m+1-k,k+1))(k=0,1,2,…,m-1),
a(m+1+k,n-k+1)(k=1,2,…,m).
但匹配基數(shù)必須置于對(duì)稱列中,安裝于第j列的基元記作ncj+1(j=1,2,…,n),基數(shù)安裝完畢后,得到方陣A的全部基元(或站點(diǎn)).
取定d1=1,dm+1=m+1,dn=n,注意到1~n的自然數(shù)列中處于中心對(duì)稱位置上的兩個(gè)自然數(shù),其和都等于n+1,除d1=1和dn=n外,我們共有m-1對(duì)這樣的自然數(shù),在每對(duì)自然數(shù)中隨意選取一個(gè)自然數(shù),將這m-1個(gè)自然數(shù)隨意排序依次記為dk(k=2,3,…,m);余下的m-1個(gè)自然數(shù)記為dn-k+1(k=2,3,…,m),但必須滿足條件dk+dn-k+1=n+1(k=1,2,…,m).在第j列基元ncj+1的下方(包括該基元),自上而下按ncj+dk(k=1,2,…,n)的順序安裝相繼的數(shù)至該列最下面的笫n行;接著,在該站點(diǎn)的上方,自上而下按該順序安裝后繼的數(shù),安裝至全列滿為止.所得到的n階方陣叫做基方陣A,基方陣A的每一行數(shù)字之和都等于幻方常數(shù)且中心對(duì)稱位置上兩個(gè)數(shù)的和都等于n2+1.
第二步 對(duì)基方陣施行順移,安裝到另一個(gè)(待安裝的)n階方陣B.
把A中第一列每一行的數(shù)字移至同一行相應(yīng)于A的基數(shù)所在的位置,同一行其他數(shù)字順移,當(dāng)各行都完成了這一程序之后,所得方陣B就是一個(gè)對(duì)稱幻方.
上述方法改進(jìn)了[1]的兩步法,具有更普遍性.我們稱之為構(gòu)造奇數(shù)階對(duì)稱幻方的匹配兩步法.對(duì)于給定的n=2m+1(m=1,2,…),匹配兩步法可構(gòu)造出2m(m !)·2m-1(( m-1)!)個(gè)不同的n階對(duì)稱幻方(不包括由于對(duì)稱行或列對(duì)調(diào)而衍生的n階對(duì)稱幻方).
定理1 用匹配兩步法構(gòu)造的n=2m+1(m=1,2,…)階方陣B是對(duì)稱幻方.
證明 由文[3]的定理1證明知,基方陣A位于第i行、第j列的元素a(i,j)為
即B是關(guān)于中心對(duì)稱的方陣,故方陣B是一個(gè)n階對(duì)稱幻方.定理證畢.
(注意:由文[3]的定理1證明知,對(duì)n=2m+1=2(3t+1)+1=6t+3(t=0,1,2,…)需取dk=k(k=1,2,…,n)才能保證方陣B是一個(gè)n階對(duì)稱幻方).
奇數(shù)集中于方陣中央的菱形中而偶數(shù)置于方陣四角的n階對(duì)稱幻方,叫做n階奇偶分開的對(duì)稱幻方.現(xiàn)在對(duì)n階奇偶分開的對(duì)稱幻方的構(gòu)造方法討論如下:
第一步 安裝基方陣.
設(shè)n=2m+1(m=1,2,…)n階基方陣A位于第i行、第j列的元素為a(i,j)(i,j=1,2,…,n),將基數(shù)按如下方式安裝到n階方陣A中,取定a(1,m+1)=mn+1,其余n-1個(gè)基數(shù)是1,n+1,2n+1,…,(m-1)·n+1,(m+1)n+1,…,(n-1)n+1,可隨意安裝到如下n-1個(gè)位置:
a(m+1-k,k+1))(k=0,1,2,…,m-1),
a(m+1+k,n-k+1)(k=1,2,…,m).
但匹配基數(shù)必須置于對(duì)稱列中,且笫一列取奇基數(shù),然后從左到右奇基數(shù)與偶基數(shù)相間隔.安裝于第j列的基元記作ncj+1(j=1,2,…,n),基數(shù)安裝完畢后,得到方陣A的全部基元(或站點(diǎn)).
取定d1=1,dm+1=m+1,dn=n,注意到1~n的自然數(shù)列中處于中心對(duì)稱位置上的兩個(gè)自然數(shù)(除d1=1和dn=n外),其和都等于n+1,我們共有m-1對(duì)這樣的自然數(shù),在每對(duì)自然數(shù)中隨意選取一個(gè)自然數(shù),將這m-1個(gè)自然數(shù)隨意排序依次記為dk(k=2,3,…,m);余下的m-1個(gè)自然數(shù)記為dn-k+1(k=2,3,…,m),但必須滿足條件dk+dn-k+1=n+1(k=1,2,…,m).且k為奇數(shù)時(shí)dk為奇數(shù),k為偶數(shù)時(shí)dk為偶數(shù),奇偶數(shù)相間隔.在第j列基元ncj+1的下方(包括該基元),自上而下按ncj+dk(k=1,2,…,n)的順序安裝相繼的數(shù)至該列最下面的笫n行;接著,在該站點(diǎn)的上方,自上而下按該順序安裝后繼的數(shù),安裝至全列滿為止.所得到的n階方陣叫做基方陣A.
由文[3]的定理1證明知,基方陣A位于第i行、第j列的元素a(i,j)為
a(i,j)=ncj+dr(m+(i+j))(i,j=1,2,…,n).其位于中心對(duì)稱位置上的元素為
即基方陣A的每一行數(shù)字之和都等于幻方常數(shù)且中心對(duì)稱位置上兩個(gè)數(shù)的和都等于n2+1.
第二步 對(duì)基方陣A施行順移,安裝到另一個(gè)(待安裝的)n階方陣B.
我們將利用文[2]定義的余函數(shù)對(duì)基方陣A進(jìn)行安裝,這個(gè)余函數(shù)為這里,t是自然數(shù),t|n是表示t被n整除,other是指其他情況,R(t)是表示t除以n的余數(shù).
基數(shù)a(m+1-k,k+1)(k=0,1,2,…,m-1)所在行的元素向右順移r(k·m)(k=0,1,2,…,m-1)個(gè)位置;基數(shù)a(m+1+k,n-k+1)(k=1,2,…,m)所在行的元素向右順移r(n-k·m)(k=0,1,2,…,m-1)個(gè)位置.
設(shè)方陣B位于第i行、第j列元素為b(i,j),方陣A第m+1-k行的元素向右順移r(k·m)(k=0,1,2,…,m-1)個(gè)位置,所以
當(dāng)各行都完成了這一程序之后,所得方陣B就是一個(gè)對(duì)稱幻方(當(dāng)n是3的倍數(shù)時(shí))或是一個(gè)對(duì)稱完美幻方(當(dāng)n不是3的倍數(shù)時(shí)).接著,對(duì)上述對(duì)稱幻方或?qū)ΨQ完美幻方作行變換,即對(duì)方陣B作行變換得n階方陣C.
對(duì)方陣B作行變換,方陣B的第r(m-2i)行作為方陣C的第i+1行(i=0,1,…,m-1);m+1行仍作為第m+1 行;笫r(m-1-2i)行作為第m+2+i(i=0,1,…,m-1)行.得方陣C就是奇偶分開的對(duì)稱幻方(定理2).
上述方法我們稱之為構(gòu)造奇偶分開的對(duì)稱幻方的匹配余函數(shù)兩步法.
注意,若不是用以上的行變換方法,而用其他的行變換,雖可使奇數(shù)集中于方陣中央的菱形中,而偶數(shù)則置于方陣的四角,但變換的結(jié)果并不是幻方.這是由于對(duì)角線上數(shù)字之和不等于幻方常數(shù),故所得的是方陣.
定理2 用匹配余函數(shù)兩步法得到的n=2m+1(m=1,2,…)階方陣C是一個(gè)奇偶分開的對(duì)稱幻方.
證明 1)由安裝基方陣A時(shí)要求:匹配基數(shù)必須置于對(duì)稱列中,笫一列取奇基數(shù),然后從左到右奇基數(shù)與偶基數(shù)相間隔,取定d1=1,dm+1=m+1,dn=n,且k為奇數(shù)時(shí)dk為奇數(shù),k為偶數(shù)時(shí)dk為偶數(shù),奇偶數(shù)相間隔.基方陣A中,顯然,奇基數(shù)所在行中它的右側(cè)所有元素都是奇數(shù)而左側(cè)所有元素都是偶數(shù),偶基數(shù)所在行中它的右側(cè)所有元素都是偶數(shù)而左側(cè)所有元素都是奇數(shù).
第r(m-2i)行(i=0,1,…,m-1)上的基數(shù)位于笫r(2i+2)列是偶基數(shù)其左側(cè)所有元素都是奇數(shù),共有2i+1個(gè)奇數(shù),中間那個(gè)奇數(shù)位于第i+1列,即a(m-2i,i+1)是中間那個(gè)奇數(shù).
第m+1 行全部是奇數(shù).笫r(m-1-2i)(i=0,1,…,m-1)行上的基數(shù)位于笫r(2i+2)列是奇基數(shù)其右側(cè)所有元素都是奇數(shù),有n-(2i+2)=2m-2i-1個(gè)奇數(shù),中間那個(gè)奇數(shù)位于第m+i+2列.即r(m-1-2i,m+i+2)是中間那個(gè)奇數(shù).
2)下面證明方陣B就是一個(gè)對(duì)稱幻方.
當(dāng)i為1~n-2的奇數(shù)時(shí),r(mi)是m~1由大至小的自然數(shù);當(dāng)i為2~n-1的偶數(shù)時(shí),r(mi)是n-1~m+1由大至小的自然數(shù);當(dāng)i=n時(shí),r(mi)=n.即i取遍1~n的自然數(shù)時(shí),r(mi)亦取遍1~n的自然數(shù).
當(dāng)i為1~n的奇數(shù)時(shí),是m+1~n的自然數(shù);當(dāng)i為2~n-1的偶數(shù)時(shí),r((m+1)i)是1~m的自然數(shù);當(dāng)i=n時(shí),r((m+1)i)=n.即i取遍1~n的自然數(shù)時(shí),r((m+1)i)亦取遍1~n的自然數(shù).
方陣B位于第i行、第j列的元素為
注意到在求和過程中m2+j與(m+1)·m+j是常數(shù),以及余函數(shù)的定義和上述關(guān)于r(mi),r((m+1)i)的討論,方陣B第j列(j=1,2,…,n)元素之和為
即等于n階幻方的幻方常數(shù).
由于方陣B第i行(i=1,2,…,n)與方陣A第i行的元素相同,所以方陣B第i行(i=1,2,…,n)元素之和亦等于n階幻方的幻方常數(shù).
基方陣A是中心對(duì)稱的,而方陣B是由基方陣A施行順移所得,由于方陣A第m+1-k行的元素向右順移r(k·m)(k=0,1,2,…,m-1)個(gè)位置,方陣A第m+1+k(k=1,2,…,m)行的元素向右順移r(n-k·m)(k=1,2,…,m)個(gè)位置,即向左順移r(k·m)(k=1,2,…,m)個(gè)位置,而笫m+1行的元素不動(dòng).所以方陣B仍是中心對(duì)稱的,故方陣B兩對(duì)角線上元素之和都等于n階幻方的幻方常數(shù).所以方陣B是對(duì)稱幻方.
3)接著要證明方陣B各行的奇數(shù)都集中于該行的正中,而偶數(shù)平均地置于兩側(cè).
基方陣A第r(m-2i)行(i=0,1,…,m-1)上,共有2i+1個(gè)奇數(shù),而中間那個(gè)奇數(shù)位于第i+1列,即a(m-2i,i+1)是中間那個(gè)奇數(shù).若要b(m-2i,m+1)=a(m-2i,i+1),則該行的元素必須向右順移(m+1)-(i+1)=m-i個(gè)位置.順移的結(jié)果就是b(m-2i,m+1)=a(m-2i,i+1).
基方陣A笫r(m-1-2i)(i=0,1,…,m-1)行上,共有n-(2i+2)=2m-2i-1個(gè)奇數(shù),中間那個(gè)奇數(shù)位于第m+i+2列.即a(m-1-2i,m+2+i)是中間那個(gè)奇數(shù).若要
b(m-1-2i,m+1)=a(m-1-2i,m+2+i),
則該行的元素必須向右順移(n+m+1)-(m+2+i)=2m-i個(gè)位置.順移的結(jié)果就是
b(m-1-2i,m+1)=a(m-1-2i,m+2+i).(a)對(duì)n=2(2s)+1=4s+1(s=1,2,…),當(dāng)i=0,1,…,s-1時(shí),基方陣A第r(m-2i)行即第r(m+1-(2i+1))行的元素若向右順移r((2i+1)m)(i=0,1,…,s-1),即r((2i+1)m)=r((2m+1)i+(m-i))=m-i個(gè)位置.順移的結(jié)果是
b(m-2i,m+1)=a(m-2i,i+1).當(dāng)i=s,s+1,…,2s-1時(shí),基方陣A第r(m-2i)行即位于基方陣A下半部分的第n+m-2i行,r(m-2i)=r(m+1+(-(2i+1)))若第r(m-2i)行向右順移r(n-(-(2i+1))m)(i=s,s+1,…,2s-1),即r(n-(-(2i+1))m)=r(n+(2i+1)m)=r((2i+1)m)=m-i個(gè)位置.順移的結(jié)果是
b(m-2i,m+1)=a(m-2i,i+1).當(dāng)i=0,1,…,s-1時(shí),基方陣A第r(m-1-2i)行即第r(m+1-(2i+2))的元素若向右順移r((2i+2)×m)(i=0,1,…,s-1),即r((2i+2)m)=r((2m+1)i+(2m-i))=2m-i個(gè)位置.順移的結(jié)果是
b(m-1-2i,m+1)=a(m-1-2i,m+2+i).當(dāng)i=s,s+1,…,2s-1時(shí),基方陣A第r(m-1-2i)行即位于基方陣A下半部分的第n+m-1-2i行,r(m-1-2i)=r(m+1+(-(2i+2)))若第r(m-1-2i)行向右順移r(n-(-(2i+2))m)(i=s,s+1,…,2s-1),即r(n-(-(2i+2))m)=r(n+(2i+2)m)=r((2i+2)m)=2m-i個(gè)位置.順移的結(jié)果是
b(m-1-2i,m+1)=a(m-1-2i,m+2+i).(b)對(duì)n=2(2s+1)+1=4s+3(s=1,2,…),當(dāng)i=0,1,…,s時(shí),基方陣A第r(m-2i)行即第r(m+1-(2i+1))若向右順移r((2i+1)m)(i=0,1,…,s),即
r((2i+1)m)=r((2m+1)i+(m-i))=m-i個(gè)位置.順移的結(jié)果是
b(m-2i,m+1)=a(m-2i,i+1).當(dāng)i=s+1,s+2,…,2s時(shí),基方陣A第r(m-2i)行即位于基方陣A下半部分的第n+m-2i行,r(m-2i)=r(m+1+(-(2i+1)))第r(m-2i)行向右順移r(n-(-(2i+1))m)(i=s+1,s+2,…,2s),即r(n-(-(2i+1))·m)=r(n+(2i+1)m)=r((2i+1)m)=m-i個(gè)位置.順移的結(jié)果是
b(m-2i,m+1)=a(m-2i,i+1).當(dāng)i=0,1,…,s時(shí),基方陣A第r(m-1-2i)行即第r(m+1+(-(2i+2))若向右順移r((2i+2)m)(i=0,1,…,s),即r((2i+2)m)=r((2m+1)i+(2m-i))=2m-i個(gè)位置.順移的結(jié)果是
b(m-1-2i,m+1)=a(m-1-2i,m+2+i).當(dāng)i=s+1,s+2,…,2s時(shí),基方陣A第r(m-1-2i)行即位于基方陣A下半部分的第n+m-1-2i行,
r(m-1-2i)=r(m+1+(-(2i+2)))若第r(m-1-2i)行向右順移r(n-(-(2i+2))m)(i=s,s+1,…,2s-1),即r(n-(-(2i+2))m)=r(n+(2i+2)m)=r((2i+2)m)=2m-i個(gè)位置.
綜上所述對(duì)n=2m+1(m=1,2,…),方陣B不僅是一個(gè)對(duì)稱幻方且其各行的奇數(shù)都集中于該行的正中,而偶數(shù)平均地置于兩側(cè).
4)證明方陣C是一個(gè)奇偶分開的對(duì)稱幻方.
對(duì)方陣B所作行變換是把方陣B的第r(m-2i)行作為方陣C的第i+1(i=0,1,…,m-1)行;第m+1行仍作為第m+1行;笫r(m-1-2i)行作為第m+2+i(i=0,1,…,m-1)行.
與方陣C的第i+1(i=0,1,…,m-1)行的處于對(duì)稱位置的是方陣C第n-i行,由于我們討論的是奇數(shù)階幻方,所以i+1與n-i的奇偶性相同.
方陣C的第i+1(i=0,1,…,m-1)行即方陣B的第r(m-2i)行,而方陣C的第n-i=(n-i-1)+1行即方陣B的第r(m-2(n-i-1))=r(m+2+2i)行,方陣B中的這兩行的元素是中心對(duì)稱,所以方陣C的第i+1行與方陣C的第n-i行的元素是中心對(duì)稱.
與方陣C的第m+2+i(i=0,1,…,m-1)行處于對(duì)稱位置的是方陣C第m-i行,由于我們討論的是奇數(shù)階幻方,所以m+2+i與m-i的奇偶性相同.
方陣C的第m+2+i(i=0,1,…,m-1)行即方陣B的第r(m-1-2i)行,而方陣C的第m-i=m+2-(i+2)行即方陣B的第r(m-1-2(-(i+2)))=r(m+3+2i)行,方陣B中的這兩行的元素是中心對(duì)稱,所以方陣C的第m+2+i行與方陣C的第m-i行的元素是中心對(duì)稱.
可見方陣C是中心對(duì)稱的,因而方陣C兩對(duì)角線上元素之和都等于n階幻方的幻方常數(shù).又因方陣C是方陣B作行變換所得,故方陣C仍是對(duì)稱幻方.且其各行的奇數(shù)都集中于該行的正中,而偶數(shù)平均地置于兩側(cè).又已知方陣C第i+1(i=0,1,…,m-1)行有2i+1個(gè)奇數(shù),第m+2+i(i=0,1,…,m-1)行有2m-(2i+1)個(gè)奇數(shù),第m+1行有2m+1個(gè)奇數(shù),所以方陣C是一個(gè)奇偶分開的對(duì)稱幻方.定理證畢.
笫二步所得的每一個(gè)對(duì)稱幻方或?qū)ΨQ完美幻方通過上述的行變換可得到一個(gè)奇偶分開的對(duì)稱幻方,所以,當(dāng)n=2m+1(m=2k,k=1,2,…)時(shí),用匹配余函數(shù)兩步法構(gòu)造出2m(k!)2·2m-1(k !)(( k-1)!)個(gè)不同的n階奇偶分開的對(duì)稱幻方;當(dāng)n=2m+1(m=2k+1,k=1,2,…)時(shí),可構(gòu)造出
個(gè)不同的n階奇偶分開的對(duì)稱幻方.
[1]王輝豐,詹森.關(guān)于構(gòu)造三類奇數(shù)階幻方的新方法[J].海南師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2010,23(1):12-15.
[2]詹森,王輝豐.奇數(shù)階對(duì)稱完美幻方的構(gòu)造方法[J].海南師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2009,22(4):396-402.
[3]詹森,王輝豐.構(gòu)造奇數(shù)階幻方,完美幻方和對(duì)稱完美幻方的新方法[J].海南師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2011,24(3):265-269.
The New Structure Methods about Odd Order Symmetrical Magic Square and Symmetrical Magic Square with Separated Odd and Even Numbers
ZHAN Sen1,WANG Huifeng2
(1.Department of Computer Science,Guangdong Technical Normal University,Guangzhou510665,China;2.College of Mathematics and Statistics,Hainan Normal University,Haikou571158,China)
The new structure method called two-step matching method were given and proved,which could obtain oddnorder symmetrical magic square.The new structure method called two-step matching residual function method were given and proved,which could obtain symmetrical magic square with separated odd and even numbers.These methods may obtain2m(m!)·2m-1(( m-1)!)differentnorder symmetrical magic squares;whenn=2m+1(m=2k,k=1,2,…)may obtain2m(k!)2·2m-1(k!)((k-1)!)differentnorder symmetrical magic square with separated odd and even numbers;whenn=2m+1(m=2k+1,k=0,1,2,…)may obtain2m(( k+1)!)(k!)·2m-1(k !)2differentnorder symmetrical magic square with separated odd and even numbers.
symmetrical magic square;symmetrical magic square with separated odd and even numbers;matching car?dinal number;residual function
O 157.6
A
1674-4942(2011)04-0395-05
2011-10-15
黃 瀾