妙趣横生的三阶幻方

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妙趣横生的三阶幻方

妙趣横生的三阶幻方

肖乐农

(湖南新化县教师进修学校 417600)

相传在4000多年前的夏禹治水的时候,黄河支流洛水(既现在陕西境内的洛河)里浮出一只大乌龟,龟背上刻有一个奇特的图(如图1),后来的人把它叫做“洛书”。

图1 图2

现在大家已经知道,这实际上是一个三阶幻方(如图2)。它的一个被人们津津乐道的有趣性质是:九宫格中的横、竖、对角线上三个数的和都等于15。然而,这个古老问题的内涵远远不只于此,下面让我们作一点稍为深入的探索吧。

一、制作

关于三阶幻方,我国古代有“四二为肩,八六为足,左三右七,戴九履一,五居中央”的记载。然而,这只是记录了三阶幻方中的数字和排列方法。它们是怎样得出来的呢?却无史籍可考。十七世纪,法国数学家巴谢发明了一种三阶幻方的简捷制作方法:首先作一个如图3的图形,再把1到9的数字按斜线方向排出,最后把四方突出的一格中的数,转放到所在的行或列的与它不相邻空格中,就得到了一个三阶幻方(如图4)。这个幻方与图2所示的幻方是一致的。 4 9 2

3 5 7

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图3 图4

这种制作方法,读者只要仔细想一想,其道理是不言自明的。并且,这种制作法可以推广到奇数阶幻方。

二、探奇

有人说,三阶幻方是一个“神来之图”。确是如此!它之神,之奇,远远不只是“横、竖、对角线上三个数的和都等于15”,还有更加神奇的呢!

1、被中心数“5”隔开的横、竖、对角的两个数拼合成四个二位数,这四个数的和,正好等于各数数位颠倒后所成的四个数的和。我们把这样的等式叫做“回文等式”(以下均以图2为例):

91+37+28+64=46+82+73+19(=220);

把这个等式中各加数都平方,等式仍然成立:

912+372+282+642=462+822+732+192(=14530)。

2、以“5”为中心的四个三位数构成回文等式:

951+357+258+654=456+852+753+159(=2220);

把这个等式中各加数都平方,等式仍然成立:

9512+3572+2582+6542=4562+8522+7532+1592(=1526130)。

3、横三行的三个三位数构成回文等式:

492+357+816=618+753+294(=1665);

把这个等式中各加数都平方,等式仍然成立:

4922+3572+8162=6182+7532+2942(1035369)。 3

2 6

1 5 9

4 8

7 2 7 6

9 5 1

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4、竖三列的三个三位数也构成回文等式:

438+951+276=672+159+834(=1665);

把这个等式中各加数都平方,等式仍然成立:

4382+9512+2762=6722+1592+8342(1172421)。

5、四个角上的四个数字按同一方向旋转组成四个二位数(如图5),构成回文等式:

48+86+62+24=42+26+68+84;

把这个等式中各加数都平方或立方,等式仍然成立:

482+862+622+242=422+262+682+842,

483+863+623+243=423+263+683+843。

6、划去对角线上的五个数,剩下的四个数按同一方向旋转组成四个二位数(如图6),构成回文等式:

93+31+17+79=97+71+13+39;

把这个等式中各加数都平方或立方,等式仍然成立:

932+312+172+792=972+712+132+392,

933+313+173+793=973+713+133+393。

至此,你一定对三阶幻方之神奇叹为观止了吧!

三、变形

上述研究表明:一个小小的三阶幻方蕴涵着丰富的数学内容,随着研究的不断深入,它的实用价值也逐渐显露出来。

我们把上述三阶幻方称为基本三阶幻方,巧用它就可以很容易地制作或填出一些变了形的三阶幻方来。比如:

(1)把分数24112472451258361413121、、、、、、、、填入一个九宫格中,4 9 2

3 5 7

8 1 6

4 9

2

3 5 7

8 1 6 图5

图6 妙趣横生的三阶幻方

使横、竖、对角线上的三个分数之和都相等。

对这个问题,我们先把分数转化为整数来考虑。把这九个数都乘以分母的最小公倍数24,就变为12、8、6、4、9、10、5、7、11,恰好是4到12的九个数,再将各数都减去3,就变成了1到9的九个数,因此,只要把基本幻方中的每一个数加上3再除以24,填数即告完成(如图7)。

(2)把21、15、3、12、27、18、6、9、24填入一个九宫格中,使横、竖、对角线上三个数的和相等。

这也是一个变了形的三阶幻方问题。先把应填的九个数从小到大排列:3、6、9、12、15、18、21、24、27。不难发现,这9个数分别是1到9的各数的3倍,因此,把基本幻方中各数都乘以3即可(如图8)。

三阶幻方的变形五花八门,它的实用价值也远不止这些。在上个世纪初,就有人指出三阶幻方及其推广了的n阶幻方与组合分析有某种关系。目前,由于电子计算机的运用和飞速发展,幻方已经广泛地应用于程序设计、图论、人工智能以及对策论的领域之中,古老的洛书正焕发出灿烂的青春。 7/24 1/2 5/24

1/4 1/3 5/12

11/24 1/6 3/8

12 27 6

9 15 21

21 3 18 图7

图8