Upload
wesley
View
68
Download
2
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Magični kvadrati i srodna im bića. Franka Miriam Brueckler 4. svibnja 2011. (Nastavna sekcija HMD-a). Što je zajedničko starim Kinezima, Majama, Babiloncima, špiljskim ljudima, Indijcima, Arapima i plemenu Hausa?. pogađate: magični kvadrati - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
Franka Miriam Brueckler4. svibnja 2011. (Nastavna sekcija HMD-a)
6 8 9 7
3 12
5 11
10
1 14
13
16
15
4 2
Što je zajedničko starim Kinezima, Majama, Babiloncima, špiljskim ljudima, Indijcima, Arapima i plemenu Hausa?
pogađate: magični kvadratilegenda o kineskom caru Yu-u oko 2200. g. pr. Kr. –
kornjača Lo Shu iz rijeke Lo (Žute rijeke)povijesno pouzdano: poznati od otprilike 4. st. pr.
Kr.u Europi od ca. 1300. A.D. (Emanuel
Moschopolous)renesansa: Luca Pacioli, Cornelius Agrippa,
Albrecht Dürerhttp://pballew.net/magsquar.html
Još neki poznati povijesni kvadratitemplarski kvadrat (Pompeji)arapski srednji vijekBenjamin Franklin, ca. 1770.
Definicijemagični kvadrat je
kvadratna tablica koja pokazuje određene pravilnosti obzirom na u njoj raspoređene brojeve ili druge objekte
tradicionalni magični kvadrat: prirodni brojevi od 1 do n2, zbrojevi stupaca, redaka i dvije glavne dijagonale su jednaki
kvadratna matrica A sa svojstvom
za sve j, k od 1 do niznos Mn se zove
magičnom sumom ili magičnom konstantom
komplementarni magični kvadrat:
(n2 + 1)E − A, gdje je E =[1]n×n
ni
inii
iil
kli
ij Maaaa ,
A sad malo Vi!Rasporedite prirodne brojeve od 1 do 16 na
stražnje strane post-it ceduljica i zalijepite ih na foliju tako da dobijete obostrani magični kvadrat (u oba kvadrata treba dodatno i svaki 2×2 kvadrat imati magičnu sumu)
13 12 7 2
3 6 9 16
10 15 4 5
8 1 14 11
6 3 13 12
15 10 8 1
4 5 11 14
9 16 2 7
http://nrich.maths.org/public/
13 (12)
12 (13)
7 (3) 2 (6)
3 (1) 6 (8) 9 (10)
16 (15)
10 (14)
15 (11)
4 (5) 5 (4)
8 (7) 1 (2) 14 (16)
11 (9)
O magičnoj sumiza tradicionalni
magični kvadrat iznosi
dokaz: zbroj svih brojeva u kvadratu je 1 + 2 + ... + n2 = n(n2 + 1)/2, što mora biti jednako nMn
iznosi su redom 1, *, 15, 34, 65, 111, 175, 260, 369, 505, 671, 870, ….
analogno, ako se magični kvadrat sastoji od brojeva koji čine aritmetički niz s početnim članom a i razlikom d, magična suma iznosi
2
)1( 2
nnM n
2
))1(2( 2
ndanM n
(Hunter&Madachy, 1975.)
Koliko ih je?poistovjećujemo magične kvadrate koji se jedan iz
drugog mogu konstruirati zrcaljenjem ili rotacijom
• Nije poznata opća ovisnost broja različitih magičnih kvadrata o redu kvadrata
• Reda 1 i 3 su jedinstveni i to je odavno poznato; reda 4 ih ima 880 (de Bessy, 1693.), reda 5 ih ima 275 305 224 (Schroeppel, 1973.); reda 6 ih ima reda veličine 1019 (Pinn &Wieczerkowski,1998., Monte Carlo simulacije i metode statističke mehanike)
a c
b d dcba
cbdabaca
~
Neke posebne vrstePolumagični : jedan ili oba zbroja dijagonala
nisu jednaki zbrojevima redaka i stupacaPovezani: zbrojevi centralno simetričnih polja
jednaki n2 + 1 (npr. Lo Shu)Panmagični (pandijagonalni, vražji, Nasik):
sve (uključivo i prelomljene) dijagonale imaju magičnu sumu – ne postoje reda 3 ni reda 4k + 2
Polu-Nasik: nasuprotne kratke dijagonale imaju magičnu sumu (14 + 4 + 11 + 5 = 34, 12 + 6 + 13 + 3 = 34)
panmagične kvadrate se može rasporediti u beskonačnu mrežu (popločamo ravninu s njima) i svaki podkvadrat veličine osnovnog bit će panmagičan
od 880 magičnih kvadrata reda 4, njih 448 su obični, tj. zadovoljavaju samo temeljna svojstva magičnosti, njih 48 su panmagični, a njih 384 su polu-Nasik (uključivo povezanih)
Još neke podvrstenajsavršeniji: panmagični
i svaki 2×2-podkvadrat ima isti zbroj (2n2 − 2) – svi panmagični reda 4 su takvi
antimagični: svi retci, stupci i dijagonale različitih suma i sume čine niz uzastopnih prirodnih brojeva
magični kvadrati temeljeni na oduzimanju, množenju ili dijeljenju
6 8 9 7
312
511
10
114
13
16
15
4 2
Zadaci za početnike...6
1
4 3 8
4
5 3
8
4 9 615
1
11
516
310
. .
. .. . .
. . .
. . .
. . .
. . . . .
23
6 19
2 15
10
1
5 9
4 12
8
11
7 3
9 4
310
13
8
714
može i s kartama!
Puno tog se može istraživati o njimakoliko iznosi magična konstanta ovog kvadrata?ovaj je kvadrat posebno magičan jer i neki 2 × 2
podkvadrati imaju isti zbroj – koliko takvih možeš naći?
kako pribrajanje broja 2 svim brojevima mijenja magičnu konstantu? udvostručavanje?
možeš li naći 4 × 4 magični kvadrat s magičnom konstantom 17? kako si to uspio/la? a s magičnom konstantom 38?
koje druge magične konstante do 100 možeš dobiti tako da kreneš od ovog kvadrata i sve brojeve promijeniš po istom pravilu? mogu li se neke postići na više načina? ima li nekih koje se ne mogu dobiti?
15
10
3 6
4 5 16
9
14
11
2 7
1 8 13
12
I još par zanimljivih...binarni Dürerov kvadratapokaliptični kvadrat
1111
0010
0001
1100
0100
1001
1010
0111
1000
0101
0110
1011
0011
1110
1101
0000
11110100 0010
1000 1001 00010011 0101 1010 1100
1110 0110 01111101 1011
00003
107
5131
109
311
7331
193
11 83 1
103
53 71 89151
199
113
61 97197
167
31
367
13173
59 17 37
73101
127
179
139
47
17 5 13 21 9
4 12 25 8 16
11 24 7 20 3
10 18 1 14 22
23 6 19 2 15
17 5 13 21 9
4 12 25 8 16
11 24 7 20 3
10 18 1 14 22
23 6 19 2 15
Generiranje magičnih kvadrataNema poznatog sustavnog postupka za
generiranje svih magičnih kvadrata proizvoljnog reda
Postoje razni poznati algoritmi za generiranje pojedinih magičnih kvadrata
Najlakše je generirati magične kvadrate neparnog reda
Nešto teže one parnog reda djeljivog s 4Najteže je konstruirati magične kvadrate parnog
reda nedjeljivog s 4 – za njih su poznate samo metode koje se dijelom temelje na pokušaju i pogrešci, npr. Strachey-eva metoda
De la Loubère-ova metoda
1
2
25
20
19
18
18
17 17
16
15
14
13
12
11
10
9
9
8
7
6
5
4 4
3
2
10 21
22
2323
24
25
neke druge poznate metode za generiranje magičnih kvadrata neparnog reda: Bachet-ova, de la Hire-ova, stepeničasta, Fults-ova, rompska, metoda konjićeva skoka ...
Dürer-ova metoda
neke druge metode za generiranje magičnih kvadrata reda 4k: de la Hire-ova, dijagonalna, ...
1 2
16151413
1211
8
59
15
765
3
43
2
108
912
14
Dopuni do magičnog kvadrata!
http://www.web-books.com/Classics/Books/B0/B873/Contents.htm
8
8 veselih zatvorenikani u kojem trenu u jednoj ćeliji ne
smiju biti dva zatvorenika veseli monarh im je za Badnjak
obećao posebno dobru hranu ako se, pridržavajući se tog načela, mogu rasporediti tako da im brojevi čine magični kvadrat
broj 7 je bio matematički nadaren pa je osmislio metodu kojom će to postići s ukupno najmanje hodanja
no, jedan tvrdoglavac je odbio sudjelovati i maknuti se iz ćelije
broj 7 je svejedno uspio rasporediti sviju u magični kvadrat s minimalnim šetanjem – kako? koji broj nosi tvrdoglavi zatvorenik?
4, 1, 2, 4, 1, 6, 7, 1, 5, 8, 1, 5, 6, 7, 5, 6, 4, 2, 7
7 2 3
4 8
5 6 1
1 2 3
4 5
6 7 8
Španjolska tamnicautvrda blizu Cadiza imala
je posebno neugodnu tamnicu od 16 ćelija
guverner je bio veselo biće i volio je logičke zadatke te je otišao i rekao zatvorenicima da će ih osloboditi ako riješe zadatak:
“Rasporedite se u 16 ćelija tako da vaši brojevi čin magični kvadrat. No, pritom ni u jednom trenu ne smiju biti dvojica istovremeno u jednoj ćeliji.”
15, 14, 10, 6, 7, 3, 2, 7, 6, 11, 3, 2, 7, 6, 11, 10, 14, 3, 2, 11, 10, 9, 5, 1, 6, 10, 9, 5, 1, 6, 10, 9, 5, 2, 12, 15, 3
1 2 3 4
5 6 7 8
910
11
12
13
14
15
10
9 7 4
6 511
8
1 212
15
13
14
3
Prosti magični kvadratiTrgovac voćem ima 9 košara sa šljivama, kao na
slici, u svakoj košari je drugi broj šljiva.Kad ih je rasporedio kao na slici, ti su brojevi činili magični kvadrat. Trgovac je jednom od svojih zaposlenika rekao da sadržaj jedne, bilo koje, košare rasporedi među nekom djecom, tako da svako dijete dobije jednako mnogo šljiva. Zaposlenik je utvrdio da je to nemoguće, neovisno o tome koliko je djece prisutno. Kako je to moguće?
Može i aritmetički niz!
83
29101
89
71 53
41
113
59
Idemo se igrati na domine...standardnih 28 domina se mogu rasporediti u 7
× 4 magični pravokutnik u kojem je u svakom stupcu broj točkica 24, a u svakom retku 42
s 25 domina koje ostanu kad maknemo (0-5), (0-6) i (1-6) može se složiti magični kvadrat s magičnom sumom 30, i to na mnogo različitih načina
koja je najmanja/najveća moguća magična suma s 18 pločica raspoređenih u 6 × 3 pravokutnik? može li se postići magična suma 18?
Geomagični kvadratitemeljna ideja: brojevi duljine dužina/površine/volumeniretci, stupci, dijagonale rastav na dužine/popločavanje
http://www.geomagicsquares.com/
Simetrije magičnih kvadrata
15
10
3 6
4 5 16
9
14
11
2 7
1 8 13
12
2 9 4
7 5 3
6 1 8
1 14
12
7
8 11
13
2
15
4 6 9
10
5 3 16
Franklinov kvadrat
Mogu li se 6 magičnih kvadrata tipa 4×4 rasporediti na strane kocke tako da su redovi koji se po bridovima dodiruju jednaki?
13 2 3 16
11 8 5 10
6 9 12 7
4 15 14 1
13 11 6 4 4 15 14 1 1 7 10 16
8 2 15 9 9 6 7 12 12 14 3 5
12 14 3 5 5 10 11 8 8 2 15 9
1 7 10 16 16 3 2 13 13 11 6 4
16 3 2 13
10 5 8 11
7 12 9 6
1 14 15 4
1 14 15 4
12 7 6 9
8 11 10 5
13 2 3 16
Magične kockeMagična suma n(n3+1)/2Izuzetak od magične sume su dijagonale
slojeva ako još i to: savršene magične kocke –
ne postoje reda 2,3,4; reda 7 i 9 poznate od kraja 19. stoljeća, a 2003. su Boyer i Trump našli savršene magične kocke redova 5 i 6
http://home.earthlink.net/~dwanecampbel/index.htmlhttp://www.trump.de/magic-squares/magic-cubes/cubes-1.html
Ne postoji savršena magična kocka reda 3pretpostavimo suprotnoodaberimo neki njen slojmagična suma je 42, dakleC + X + D = A + X+ F = B + X + E = 42zbrojimo 3X + A + B + C + D + E + F = 126 A + B + C = D + E + F = 42zbrojimo A + B + C + D + E + F = 84stoga je 3X = 42, tj. X = 14 bi trebao biti u
sredini svakog sloja
A B C
X
D E F
26 1 15
4
Generiranje magičnih kocaka neparnog redadijagonalna metoda
3
13
14
17
18
19
20
21
25
27 2
5
12 23
22
8
9
7
11
10 24
6
16
Latinski kvadratin različitih objekata, po n kopija svakog,
raspoređenih u kvadratnu tablicu tako da se svaki pojavljuje točno po jednom u svakom stupcu i retku
reda 2 ih ima 2, reda 3 ih ima 12, reda 4 ih ima 576, ...
grčko-latinski (Eulerovi, ortogonalni latinski) kvadrati: još n različitih objekata s po n kopija svakog, u svakom polju po jedan objekt prve vrste i jedan druge, raspoređeni tako da objekti prve vrste čine latinski kvadrat, a tako i objekti druge vrste
Zadatak: složite Eulerov 4×4 kvadrat od karata A, B, D, K u četiri boje!
problem 8 topovaproblem 8 kraljicaProblem s 36 oficira (1779. Leonhard Euler):U šest brigada služi po šest oficira različitog
ranga. Mogu li se oni rasporediti u kvadratnu formaciju tako da u svakom retku i stupcu bude po jedan oficir iz svake brigade i po jedan svakog ranga?
Razreži trake u što manje dijelova, tako da se dobije magični kvadrat
Zabranjeno je izokretanje, tj. svi dijelovi moraju ležati u polaznoj orijentaciji
http://www.mathfair.com/sudokutype.html
1 2 3 4 5 6 7
1 2 3 4 5 6 7
1 2 3 4 5 6 7
1 2 3 4 5 6 7
1 2 3 4 5 6 7
1 2 3 4 5 6 7
1 2 3 4 5 6 7
Sudokuvrsta latinskih kvadratastandardnih ima6,670,903,752,021,072,936,960 =9! × 722 × 27 × 27,704,267,971(Felgenhauer&Jarvis,2005.)
http://www.geometer.org/mathcircles/sudoku.pdf
Magično V i WMagično V: složi brojeve 1 do 5 u njega tako da oba kraka imaju isti zbroj! Koliko ima različitih mogućnosti? Primjećuješ li kakvu pravilnost u rješenjima koje si našao/la? Možeš li objasniti što vidiš? Možeš li me uvjeriti da si našao/la sva rješenja? Što ako uzmeš brojeve 2 do 6? 12 do 16? 37 do 41? 103 do 107? Što ako bi kraci bili za jedan dulji i koristimo brojeve 1 do 7?1, 2, ...,9, raspoređeni tako da dijelovi a-b-c, c-d-e,
e-f-g i g-h-i imaju jednak zbrojKoji su magični zbrojevi mogući? Ako u danom magičnom W svaki broj zamijenimo s
10 minus taj broj, ponovno ćemo dobiti magično W. Koji mu je magični zbroj?
Dokaži da ne postoji magično W s magičnim zbrojem manjim od 13 niti s većim od 17.
Magični fleksagoni
http://www.flexagon.net/
http://www.recmath.com/Magic Squares/
http://www.mathematische-basteleien.de/magquadrat.htm
u višim dimenzijama!magična hiperkocka – konstruirana 1982.
(Berlekamp)magična suma je n(n4 + 1)/2najmanja savršena magična hiperkocka je
reda 16 (Hendricks, 1999.)poznate su n-dimenzionalne magične
hiperkocke reda 3 za n = 5, 6, 7, 8
I gdje je tome kraj?
It’s a kind of magic...http://www.youtube.com/watch?v=KLFZzInX
AWIClifford A. Pickover: The Zen of Magic Squares, Circles, and Stars (Princeton Univ. Press, 2002.)
Royal Vale Heath: Mathemagic (Dover Publ., 1933./53.)
Henry Ernest Dudeney: Amusements in Mathematics (Dover Publ., 1958.)