Математические головоломки и развлечения

Гарднер Мартин

Существует до смешного простой способ построения таких квадратов. Стоит лишь взять квадрат, разделить его на 16 клеток и в каждую из них по порядку вписать числа от 1 до 16, а затем поменять местами числа, расположенные на главных диагоналях симметрично относительно центра, и симметричный магический квадрат готов. Дюрер переставил у своего квадрата два средних столбца (что не повлияло на свойства квадрата) так, что числа в двух средних клетках нижней строки стали указывать дату создания гравюры.

Древнейший из дошедших до нас квадратов четвертого порядка был обнаружен в надписи XI или XII века, найденной в Кхаджурахо (Индия). Он показан на рис. 143 вверху.

Рис. 143 «Дьявольский»

тор.

Этот магический квадрат относится к разновидности так называемых «дьявольских» квадратов (или «пандиагональных», или «насик» еще более удивительных, чем симметричные. Помимо обычных свойств, дьявольские квадраты являются магическими по всем «ломаным диагоналям».

Например, числа 2,12,15 и 5, а также 2, 3,15 и 14 стоят на ломаных диагоналях, которые можно восстановить, поставив рядом два одинаковых квадрата. Дьявольский квадрат останется дьявольским, если его верхнюю строку переставить вниз или, наоборот, нижнюю строку поместить наверх, а также если вычеркнуть последний столбец справа или слева и приписать его к квадрату с протипоказана на рис. 144.

Рис. 144 Одно из пяти преобразований, сохраняющих «дьявольские» свойства «дьявольского» квадрата.

Комбинируя эти пять преобразований, можно получить 48 основных типов дьявольских квадратов (если считать, что к допустимым преобразованиям относятся повороты и отражения, то число типов возрастет до 384). Как показали Россер и Уокер, эти преобразования образуют «группу» (то есть некую абстрактную структуру, обладающую определенными свойствами), совпадающую с группой преобразований гиперкуба (четырехмерного куба) в себя.

Связь между дьявольскими квадратами и гиперкубами нетрудно усмотреть., если 16 клеток квадрата сопоставить с 16 вершинами гиперкуба. Соответствие между клетками и вершинами можно показать на хорошо знакомой двумерной проекции гиперкуба (рис. 145).

Рис. 145 «Дьявольский» гиперкуб и один из его 384 «дьявольских» квадратов.

Сумма чисел, стоящих в четырех вершинах каждой из 24 квадратных граней гиперкуба, равна 34. Пары антиподов, дающих в сумме 17, расположены в противоположных концах диагоналей гиперкуба.

Поворачивая гиперкуб и производя отражения, его можно перевести в 384 различных положения, каждое из которых отображается на плоскость как один из 384 дьявольских квадратов.

Клод Ф. Брэгдон, известный американский архитектор, скончавшийся в 1946 году, обнаружил, что, соединив одну за другой клетки магических квадратов ломаной, мы в большинстве случаев получим изящный узор. Подобные узоры можно получать, соединяя клетки только с четными или только с нечетными числами. Полученные таким способом «магические линии» Брэгдон использовал как образцы рисунков для тканей, книжных обложек, архитектурных украшений и декоративных заставок. Последние он сделал к каждой главе своей автобиографии. Придуманный им узор для вентиляционной решетки в потолке Торговой палаты в Рбчестере (штат Нью-Йорк), где он жил, построен из магической ломаной талисмана ло-шу. Типичный пример магической ломаной показан на рис. 146, где узор вычерчен прямо на квадрате Дюрера.

Рис. 146 «Магическая ломаная» для квадрата Дюрера.

Сколько существует различных магических квадратов данного порядка, мы не знаем. Ответ на этот вопрос относится к числу наиболее трудных задач занимательной математики. В настоящее время не известно даже число квадратов пятого порядка, хотя по некоторым оценкам оно превышает 13 миллионов. Россер и Уокер сумели установить, что число дьявольских квадратов пятого порядка равно 28800 (квадраты, получающиеся друг из друга при поворотах и отражениях, они считали различными). Дьявольские квадраты возможны во всех порядках n, больших 4, за исключением четных n, не делящихся на 4. Например, дьявольских квадратов шестого порядка не существует. Дьявольские кубы и гиперкубы также существуют, но (как показали Россер и Уокер в своих неопубликованных работах) не бывает кубов порядка 3, 5, 7, 8k + 4 и 8k + 6, где k — любое натуральное число. Дьявольские кубы всех остальных порядков возможны.

[Интересно, что теория магических квадратов третьего и более высоких порядков находит применение в современной квантовой механике. В теории квантования моментов количества движения используется так называемая таблица Редже, которая представляет собой магический квадрат 3x3, составленный из произвольных целых чисел (не обязательно целых). Такая таблица содержит 5 независимых целых чисел соответственно тому, что в квадрате 3x3 есть 9 элементов, на которые наложено 5 условий равенства сумм элементов всех строк и столбцов некоторому целому числу J. Таблица Редже имеет вид:

Ha 6 положительных чисел j и m наложены условие j₁ + J₂+J₃ = J; m₁ + m₂ + m₃ = 0 и условие положительности всех трех чисел, стоящих в первой строке. Эти условия геометрически означают, что из трех отрезков длиной j₁, J₂, J₃ можно составить треугольник, поэтому их вместе называют «условием треугольника». Подставив в таблицу любые положительные значения j и m, удовлетворяющие написанным условиям, мы получим магический квадрат с суммой J. Естественно, этот способ легко обобщить на магические квадраты с дробными и отрицательными элементами.

Если в дополнение к приведенным условиям положить и

то у магического квадрата и сумма членов, стоящих на каждой диагонали, будет равна J.]

Глава 28. ФИРМА «ДЖЕЙМС ХЬЮ РАЙЛИ, АТТРАКЦИОНЫ И ГОЛОВОЛОМКИ»

Среди крупнейших американских компаний, занимающихся устройством различных развлечений, забав и зрелищ, несомненно, следует назвать фирму «Джеймс Хью Райли, аттракционы и головоломки», хотя в действительности ее… не существует.