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术方块）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。

洛书（九数图），朱熹《周易本义》

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

《系辞》云：「河出图，洛出书，圣人则之。」在宋朝之前，洛书的记述只有文本。

九宫图实物最早发现于西汉，1977年中国考古学家在安徽阜阳县双古堆西汉古墓中发现汉文帝七年（前173年）的太乙九宫占盘，乃是中国汉代幻方的实物。东汉《数术记遗》也有记载。

后来陈抟以降认为河图洛书的洛书代表九宫图，为这个数，而行、列以及两对角线上各自的数之和均为15。

杨辉纵横图
杨辉纵横图

南宋数学家杨辉着《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

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

Siamese方法（Kraitchik 1942年，pp. 148-149）是构造奇数阶幻方的一种方法，说明如下：

  • 把放置在第一行的中间。
  • 顺序将等数放在右上方格中。
  • 当右上方格出界的时候，则由另一边进入。
  • 当右上方格中已经填有数，则把数填入正下方的方格中。
  • 按照以上步骤直到填写完所有个方格。

（由于幻方的对称性，也可以把右上改为右下、左上以及左下等方位）

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

阶幻方构造法

对于阶幻方一般都用对调法，制作起来很容易。将它分割成个区块，再将其每一个区块的非主副对角线上的各个数关于中心对调即可。
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：

加边法

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：

LUX法

在(4M+2)×(4M+2）个方格的适当格点上，先排出2M+1阶的幻方。在前M+1行的格点，全部标上「L」；在第M+1行的中间格点标上「U」，其余格点标上「L」；在第M+2行的中间格点标上「L」，其余格点标上「U」；在余下的M-1行的格点全部标上「X」。将格点上的数乘以4再减4，再按下面的规则加上1至4其中一个数，填入对应的格上：

 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 ]

四阶幻方全解搜索(C/C++)[1]

 
#include<stdio.h>
int a[17],b[17],m;
void s(int i)
{  /*搜索全部四阶幻方，C代码,运行时间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("四阶幻方总数量:%d(含旋转反射相同)",m);
    return 0;
}

奇数阶幻方算法的Java语言实现

 
/**
* @author: contribute to wikipedia according GNU
* @description:用于创建奇数阶的幻方
*/

public class magic_squre_odd {
       static int[][]  matrix;
       static int   n;
       public static void magic_squre_odd_generate()
       { matrix = new int[n][n];
         //所有的数初始化为0

         matrix[0][(n-1)/2] = 1;
         int x = 0,y = (n-1)/2;

         //count:记住已经插入过的数
          for(int count = 2; count<=n*n;count++)
          while(true)
          {
          //先x-1 y+1
        	  x--;
        	  y++;

        	  //判断是否可以插入
          	  while(true)
                 {//循环判断是否越界，直到一个地方不越界为止
                    //判断是否越界：
                    //越上界x<0，则移到最下方x=x+n，y不变; continue
                   if(x<0)
                   {
                   	x += n;
                   	continue;
                   }

                   //越右界y>=n，则y=y-n，x不变;continue
                   if(y>=n)
                   {
                   	y -= n;
                   	continue;
                   }

        	    //循环判断是否该位置已经有数据，直到找到一个空位
                      //如果有数据，则移到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;
                 }

                 //将当前的count值赋给选出的空位
                      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)
       {   //手工输入n的值，并确保为奇数
             n = 11;
           magic_squre_odd_generate();
           print();
       }
}

以下是本算法将n设置为11时得出的11阶幻方的构造结果：
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

阶幻方算法的Java语言实现

 
 /**
 * @author: contribute to wikipedia according GNU
 * @description:用于创建4阶的幻方
 *
 */

 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];

 	  //将matrix里的位置用数顺序排列
 	  int ini = 0;
 	  for(int i = 0; i < n; i++)
 		  for(int j = 0; j < n; j++)
 			  matrix[i][j] = ++ini;
 		
 	  //输出对调前的样子
 	  System.out.println("对调之前的样子：");
 	  print();
 	
 	  //然后对调（仅对右上方的数进行遍历）
 	  for(int i = 0; i < n; i++)
 	      for(int j = i + 1; j < n; j++)
 	      {
 	    	  if(( i != j) && (i + j) != (n -1) )
 	    	  {   //对不在主付对角在线的数关于中心对调
 	    		  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) {
         //这里手动设置n的数值为4，这里只能设置为4，因为只求4阶幻方	
 		n = 4;
 		magic_squre_4m_generate();
 		System.out.println("对调之后的样子：");
 		print();
 	}
 }

以下是本算法输出的结果：
对调之前的样子：
1_2_3_4_
5_6_7_8_
9_10_11_12_
13_14_15_16_
对调之后的样子：
1_15_14_4_
12_6_7_9_
8_10_11_5_
13_3_2_16_

研究价值

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本游戏，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阵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创建联系(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
  • 德国画家与雕刻家阿尔布雷希特·丢勒曾在一幅名作《忧郁》(Melencolia I)的角落中画下一个幻方。这个著名的幻方图也被知名工程数学软件MATLAB加入自己的帮助文档中。

参见

参考数据

引用
  1. . [2017-01-11]. （原始内容存档于2017-01-13） （中文（中国大陆））.
  2. 黄且圆. . 2015年3月2日 [2019年9月29日]. （原始内容存档于2019年9月29日） （中文（中国大陆））. 可惜幻方只是一个奇迹，它在数学中没有引起其他更普遍深刻的影响。相反地，另外一个奇迹，所有的圆、圆的周长和它的直径之比都是一个不变的数，数学上称之为圆周率，记作。这个结果可重要了，因为这个数渗透了整个数学！...幻方只是一个偶然现象，虽很巧妙，但不属于好的数学。 |journal=被忽略 (帮助)

延伸阅读
  • 高治源. . 香港天马图书有限公司. 2004 （中文（香港））.
  • 张道鑫. . 香港天马图书有限公司. 2003 （中文（香港））.
  • 李杭强. . 香港天马图书有限公司. 2002 （中文（香港））.
  • 林正禄. . 香港天马图书有限公司. 2001 （中文（香港））.

外部链接
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