楊俊平，孟憲濤

（1.大連海洋大學(xué)，應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 遼寧 大連 116300；2.沈陽師范大學(xué) 數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)學(xué)院，沈陽 110034）

0 引 言

幻方為中國人所發(fā)明，早在漢朝就開始了三階幻方的研究［1－3］。而我國南宋時(shí)期著名數(shù)學(xué)家楊輝則是對四階幻方開展較為系統(tǒng)研究的第一人。他在所著的《續(xù)古摘奇算法》中給出了極為巧妙的四階幻方構(gòu)造方法：先將1～16這16個(gè)數(shù)排列成圖1a，然后將四角位置的四個(gè)數(shù)按對角線方向兩兩對換，即1?16，4?13。再將位于中心位置2×2方陣的4個(gè)數(shù)按對角線方向兩兩對換，即10?7，11?6。對換后即得圖1b，則圖1b稱為楊輝四階幻方的陰圖。對陰圖1、2兩行互換，3、4兩行互換，即得圖1c，圖1c稱為楊輝四階幻方的陽圖。注意到圖1b、圖1c中的每一行、列和對角線上的四數(shù)之和均為34，此處稱34為四階幻方常數(shù)。

和三階幻方不同，四階幻方的數(shù)量眾多，且構(gòu)造方法也不唯一，甚至可以用矩陣運(yùn)算生成幻方：用0，1，2，3作為元素構(gòu)造矩陣

由此矩陣即得圖2幻方，且圖2幻方為異于圖1b、圖1c的四階幻方［4］。

幻方的研究一般包括尋求幻方的全部解和幻方特性的研究［5－7］。本文通過建立四階幻方的約束方程組，利用代數(shù)方法得出四階幻方解的約束條件，并結(jié)合試驗(yàn)方法給出四階幻方的求解舉例［8－10］。

1 約束條件

圖2 矩陣運(yùn)算產(chǎn)生的幻方

在圖1b、圖1c和圖2中，給出了四階幻方的3種形式，或稱為是四階幻方的3個(gè)解。

一般地設(shè)圖3為四階幻方的一個(gè)解，則有如下約束方程組成立，

圖3 四階幻方的一般形式

此處｛a11，a12，…，a44｝＝｛1，2，…，16｝。

對方程組（1）的增廣矩陣進(jìn)行初等變換得到對應(yīng)的同解方程組

其中a24，a32，a33，a34，a42，a43，a44為自由未知量。

由方程組（2）中的a21＋a24＝a32＋a33，及其在圖3中位置的對稱性可得

圖4刻劃了等式a21＋a24＝a32＋a33的意義，即位于垂線陰影部分的兩數(shù)之和與位于斜線陰影部分的兩數(shù)之和是相等的。同理由對稱性可解釋（3）中后3個(gè)等式的意義。

由式（2）中a11＝a24＋a34＋a42＋a43＋a44－34可得

圖4 方程（3）生成的幻方

考慮對稱性，容易得出

圖5 方程（4）生成的幻方

式（4）的意義在于，凡圖3中具有如圖5相應(yīng)位置關(guān)系的垂線陰影部分，兩數(shù)之和與斜線陰影部分兩數(shù)之和是相等的。

在圖3中的4個(gè)頂角位置數(shù)字之和為34。

四階幻方圖3中，位于中心位置2×2方陣4個(gè)數(shù)之和為34（圖6）。事實(shí)上，由式（3）可得

圖6 中心位置之和為34的幻方

位于一條對角線頂點(diǎn)位置的2個(gè)2×2方陣子塊4數(shù)之和相等（如圖7）。事實(shí)上，由式（2）容易得出

同理有a11＋a12＋a21＋a22＝a33＋a34＋a43＋a44。

由于幻方常數(shù)為34，可知每一行每一列及每條對角線上的4個(gè)數(shù)中奇數(shù)（或偶數(shù)）的個(gè)數(shù)必定為偶數(shù)。

圖7 四個(gè)字塊相等的幻

2 應(yīng)用約束條件探求幻方解

在利用約束條件求幻方解的時(shí)候，必須結(jié)合試驗(yàn)進(jìn)行。下面給出求解舉例。

已知楊輝四階幻方陰圖如圖1b，由式（3）中的

與式（4）中的

圖8 “行變換”形成的幻方

對圖1b進(jìn)行“行變換”即得圖8，則圖8為圖3一個(gè)解，且該幻方異于楊輝的陰圖。

再在式（3）中選擇

兩式，同時(shí)在式（4）中選擇

圖9 “列變換”形成的幻方

并利用其對圖8“列變換”，得圖9，則圖9為圖3的一個(gè)異于圖1b與圖8的一個(gè)解。

若圖3為四階幻方的一個(gè)解，則按四階方陣轉(zhuǎn)置方法得到的仍是幻方的解。又若圖3四階幻方的一個(gè)解，則圖3按順時(shí)針（或逆時(shí)針）方向旋轉(zhuǎn)90°所得到的仍然是幻方的解。

3 結(jié) 語

在上述實(shí)例中，筆者利用式（3）、式（4）分別對已知幻方進(jìn)行“行變換”與“列變換”而得到3個(gè)新的幻方。這種由一個(gè)已知幻方構(gòu)造新的幻方的方法不是唯一的［11－13］。

此外，可將一個(gè)已知幻方的一、二兩列互換，再三、四兩行互換，則生成的幻方為基本幻方；又可將一個(gè)已知幻方的一、三兩列互換，再將二、四兩行互換，或者先一、三兩列互換，再一、三兩行互換，等等，得到的都是基本幻方［14－15］。但需注意的是，在2次行、列對換的時(shí)候要考慮到對稱性?？梢娪梢阎梅缴尚碌幕梅降姆椒ㄊ呛芏嗟?。

［1］吳鶴齡.幻方與素?cái)?shù)——娛樂數(shù)學(xué)兩大經(jīng)典命題［M］.北京：科學(xué)出版社，2008.

［2］許莼舫.古算趣味［M］.北京：中國青年出版社，1955.

［3］錢寶琮.中國數(shù)學(xué)史［M］.北京：科學(xué)出版社，1964.

［4］劉秀峰.多重幻方的構(gòu)造與若干問題研究［D］.汕頭：汕頭大學(xué)，2010.

［5］孫宏安.楊輝算法［M］.沈陽：遼寧教育出版社，1997.

［6］李冠林，顧大全.幻方的實(shí)現(xiàn)方法研究［J］.微型電腦應(yīng)用，2010，26（1）17－18.

［7］劉玉君.Turbo碼中幻方交織器的研究與設(shè)計(jì)［J］.信息工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，7（4）：291－395.

［8］吳鶴齡.幻方及其他［M］.北京：科學(xué)出版社，2005：51－55.

［9］楊富鋒.構(gòu)造奇次同心幻方的一種方法［J］.數(shù)學(xué)的實(shí)踐與認(rèn)識，2006，36（5）：192－199.

［10］徐丹丹，顧秀松，張學(xué)斌.特殊四階幻方的變換群［J］.運(yùn)籌與管理，2010，19（2）：104－108.

［11］祝寶滿，龔和林.非素?cái)?shù)階幻方的構(gòu)造［J］.數(shù)學(xué)的實(shí)踐與認(rèn)識，2008，38（15）：207－214.

［12］陳劍南.素?cái)?shù)階均衡完美幻方若干問題初探［J］.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2009，45（21）：179－182.

［13］姜偉，劉彥佩.幾類4－正則平面圖的最小折數(shù)縱橫擴(kuò)張［J］.沈陽師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，25（2）：129－134.

［14］歐陽錄.最佳拉丁方與高級原幻方［J］.數(shù)學(xué)理論與應(yīng)用，2001，21（3）：22－28.

［15］汪沸，姚華勝.幻方構(gòu)建的一種方法［J］.黃山學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，11（3）：28－32.