Рис. 3.
Затем мы оставляем числа в четырех угловых квадратах, а именно 1, 4, 13, 16, а также числа в четырех средних квадратах, а именно 6, 7, 10, 11, на их первоначальных местах; а на место остальных восьми чисел мы записываем их дополнения до 17: таким образом, 15 вместо 2, 14 вместо 3, 12 вместо 5, 9 вместо 8, 8 вместо 9, 5 вместо 12, 3 вместо 14 и 2 вместо 15. Мы получаем таким образом магический квадрат
Рис. 4.
из которого всегда получается та же сумма 34. Интересным свойством этого квадрата является то, что любые четыре числа, образующие прямоугольник или квадрат вокруг центра, также всегда дают одну и ту же сумму 34; например, 1, 4, 13, 16, или 6, 7, 10, 11, или 15, 14, 3, 2, или 12, 9, 5, 8, или 15, 8, 2, 9, или 14, 12, 3, 5. Мы можем легко убедиться, что этот квадрат получается из квадрата Дюрера путем взаимного обмена двух средних вертикальных рядов.
II. РАННИЕ МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ КВАДРАТОВ С НЕЧЕТНЫМ ЧИСЛОМ КЛЕТОК.
С давних времен были известны правила построения магических квадратов более чем 3 на 3 или 4 на 4 клетки. Прежде всего, легко вычислить сумму, которая в случае любого заданного числа клеток должна получиться от сложения каждого ряда. Мы берем определенное число клеток на каждой стороне квадрата, который нам нужно заполнить, умножаем это число само на себя, прибавляем 1, снова умножаем полученное число на число клеток на каждой стороне и, наконец, делим произведение на 2. Так, для 4 на 4 клеток или квадратов мы получаем: 4 на 4 — это 16, 16 и 1 — это 17, и половина от 17 умножить на 4 — это 34. Аналогично, для 5 на 5 квадратов мы получаем: 5 на 5 — это 25, и 1 дает 26, и половина от 26 умножить на 5 — это 65. Аналогично, для 6 на 6 квадратов получается сумма 111, для 7 на 7 квадратов — 175, для 8 на 8 квадратов — 260, для 9 на 9 квадратов — 369, для 10 на 10 квадратов — 505 и так далее. Индусское правило построения магических квадратов, корни которых нечетны, можно сформулировать следующим образом: для начала запишите 1 в центре самого верхнего ряда, затем запишите 2 в самой нижней клетке вертикального столбца, соседнего справа, а затем вписывайте остальные числа в их естественном порядке в квадраты по диагонали вверх вправо так, чтобы при достижении правого края вписывание продолжалось с левого края в ряду, расположенном непосредственно выше, а при достижении верхнего края продолжалось с нижнего края в столбце, соседнем справа, отмечая, что всякий раз, когда мы останавливаемся в своем продвижении из-за уже занятого квадрата, мы должны заполнить квадрат непосредственно под тем, который мы заполнили последним. Таким образом, например, формируется последний предыдущий квадрат из 7 на 7 клеток, в котором читателю предлагается проследить за числами в их естественной последовательности (рис. 5).
Рис. 5.
Дальнейшими успехами теории магических квадратов и методов их построения мы обязаны византийскому греку Мосхопулосу, жившему в XIV веке; также, после Альбрехта Дюрера, жившего около 1500 года, знаменитому арифметику Адаму Ризе и математику Михаэлю Штифелю, которые жили около 1550 года. В XVII веке Баше де Мезириак и Афанасий Кирхер занимались магическими квадратами. Наконец, около 1700 года французские математики Де ла Ир и Совёр внесли значительный вклад в теорию. В последнее время математики гораздо меньше интересовались магическими квадратами, как, впрочем, и математическими развлечениями в целом. Но совсем недавно брауншвейгский математик Шеффлер изложил свои и чужие исследования по этому предмету в элегантной форме.
Рис. 6.
Наиболее известным из различных методов построения магических квадратов с нечетным числом клеток является следующий. Сначала запишите числа в диагональной последовательности, как на предыдущей диаграмме (рис. 6). После того как 25 клеток квадрата из 49 клеток, который нам нужно заполнить, будут таким образом заняты, перенесите шесть чисел, найденных вне каждой стороны квадрата, не меняя их конфигурации, в пустые клетки непосредственно противоположной стороны. Этим методом, которым мы обязаны Баше де Мезириаку, мы получаем следующий магический квадрат из чисел от 1 до 49:
Рис. 7.
III. СОВРЕМЕННЫЕ СПОСОБЫ ПОСТРОЕНИЯ КВАДРАТОВ С НЕЧЕТНЫМ ЧИСЛОМ КЛЕТОК.
Читатель справедливо спросит, не существуют ли другие правильные магические квадраты, построенные по иному методу, чем только что приведенный, и не существуют ли способы построения, которые приведут ко всем мыслимым и возможным магическим квадратам с определенным числом клеток. Общий способ построения такого характера был впервые дан для квадратов с нечетным числом клеток Де ла Иром и недавно усовершенствован профессором Шеффлером.
Чтобы ознакомиться с этим общим методом, выберем в качестве примера квадрат из 5. Сначала мы формируем два вспомогательных квадрата. В первом мы записываем числа от 1 до 5 пять раз; а во втором — пять раз следующие кратные пяти, а именно: 0, 5, 10, 15, 20. Теперь ясно, что, складывая каждое из чисел ряда от 1 до 5 с каждым из чисел 0, 5, 10, 15, 20, мы получим все 25 чисел от 1 до 25. Поэтому остается лишь дополнительно сделать так, чтобы при вписывании чисел путем сложения двух чисел в любых двух соответствующих клетках каждая комбинация получалась один и только один раз; и далее, чтобы в каждом горизонтальном, вертикальном и диагональном ряду в каждом вспомогательном квадрате каждое число появлялось один раз. Тогда требуемая сумма 65 должна обязательно получиться в каждом случае, потому что числа от 1 до 5 в сумме дают 15, а числа 0, 5, 10, 15, 20 дают 50.
Мы осуществляем требуемый метод вписывания, представляя числа 1, 2, 3, 4, 5 (или 0, 5, 10, 15, 20) расположенными в циклической последовательности, то есть 1 непосредственно следует за 5, и, начиная с любого числа, пропуская каждый раз либо ноль, либо одну, либо две, либо три и т. д. цифр. Таким образом получаются циклы первого, второго, третьего и т. д. порядков; например, 3 4 5 1 2 — это цикл первого порядка, 2 4 1 3 5 — цикл второго порядка, 1 5 4 3 2 — цикл четвертого порядка и т. д. Единственное, за чем нужно следить в двух вспомогательных квадратах, — это чтобы один и тот же порядок «цикла» горизонтально сохранялся во всех рядах, чтобы то же самое происходило для вертикальных рядов, но чтобы порядок цикла в горизонтальных и вертикальных рядах был разным. Наконец, нам остается только дополнительно позаботиться о том, чтобы одним и тем же числам одного вспомогательного квадрата соответствовали не одинаковые, а разные числа в другом вспомогательном квадрате, то есть лежали в аналогично расположенных клетках. Следующие вспомогательные квадраты, например, таким образом возможны:
Рис. 8.
и
Рис. 9.
Складывая попарно числа, которые занимают аналогично расположенные клетки, мы получаем следующий правильный магический квадрат:
Рис. 10.
Видно, что мы можем таким образом построить очень большое число магических квадратов из 5 на 5 клеток, варьируя всеми возможными способами числа в двух вспомогательных квадратах. Более того, сформированные таким образом квадраты обладают дополнительной особенностью: каждые 5 чисел, которые заполняют два ряда, параллельных диагонали и лежащих по разные стороны от диагонали, также дают постоянную сумму 65. Например: 3 и 7, 11, 20, 24; или 10, 14 и 18, 22, 1. Всего, таким образом, сумма 65 получается из 20 рядов или пар рядов. От этой особенности зависит тот факт, что если мы представим неограниченное число таких квадратов, расположенных рядом, над или под начальным, мы сможем получить столько квадратичных клеток, сколько захотим, расположенных так, что квадрат, состоящий из любых 25 из этих клеток, будет образовывать правильный магический квадрат, как покажет следующий рисунок:
Рис. 11.
Каждый квадрат из любых 25 из этих чисел, как, например, два с темной каймой, обладает свойством, что сложение горизонтальных, вертикальных и диагональных рядов дает каждый раз одну и ту же сумму 65.
В качестве примера большего числа клеток мы приложим здесь магический квадрат из 11 на 11 клеток, сформированный по общему методу Де ла Ира из двух вспомогательных квадратов на рис. 12 и 13. Из этих двух вспомогательных квадратов мы получаем путем сложения двух чисел каждых двух аналогично расположенных клеток магический квадрат, представленный на диаграмме 14, в котором каждый ряд дает одну и ту же сумму 671.
Рис. 12.
Рис. 13.
Рис. 14.
IV. КВАДРАТЫ С ЧЕТНЫМ ЧИСЛОМ КЛЕТОК.
Из магических квадратов, имеющих четное число мест, мы до сих пор имели дело только с квадратом 4. Для построения квадратов такого описания, имеющих большее четное число мест, должны применяться другие и более сложные методы, чем для квадратов с нечетным числом мест. Однако и в этом случае, как и при работе с квадратом 4, мы начинаем с естественной последовательности чисел, а затем должны найти дополнения чисел до некоторого другого определенного числа (как 17 в квадрате 4), а также осуществить определенные обмены чисел друг с другом. Чтобы сформировать, например, магический квадрат из 6 на 6 мест, мы вписываем в 12 диагональных клеток числа, которые в естественной последовательности вписывания попадают на эти места, затем в остальные клетки — дополнения чисел, которые принадлежат туда, до 37, и, наконец, осуществляем следующие шесть обменов, а именно: чисел 33 и 3, 25 и 7, 20 и 14, 18 и 13, 10 и 9, и 5 и 2. Таким образом получается следующий магический квадрат.
Рис. 15.
Этот квадрат также может быть построен по методу Де ла Ира из двух вспомогательных квадратов с числами 1, 2, 3, 4, 5, 6 и 0, 6, 12, 18, 24, 30 соответственно. В этом случае, однако, вертикальные ряды одного квадрата и горизонтальные ряды другого должны каждый содержать два одинаковых числа, повторенных трижды, так, чтобы сумма всегда оставалась 21 и 90 соответственно. Таким образом, мы получаем последний приведенный выше магический квадрат из двух следующих вспомогательных квадратов:
Рис. 16.
и
Рис. 17.
В связи с этим примером следует отметить, что здесь также, как и в случае с квадратами с нечетным числом клеток, можно вписать шесть раз числа от 1 до 6 так, чтобы каждое число появлялось один и только один раз в каждом горизонтальном, вертикальном и диагональном ряду; например, следующим образом:
Рис. 18.
Но если мы попытаемся таким же образом вставить другой набор чисел 0, 6, 12, 18, 24, 30 во второй вспомогательный квадрат так, чтобы каждое число первого вспомогательного квадрата стояло один и только один раз в соответствующей клетке с каждым числом второго квадрата, все попытки, которые мы можем предпринять для одновременного выполнения последнего названного условия, закончатся неудачей. Поэтому необходимо выбирать вспомогательные квадраты, подобные двум приведенным выше. Примечательно, что выполнение второго условия невозможно только в случае квадрата 6, но что в случае квадрата 4 или квадрата 8, например, возможны два вспомогательных квадрата, как того требует метод Де ла Ира. Таким образом, взяв квадрат 4, мы получаем
Рис. 19.
и
Рис. 20.
Читатель может сам сформировать магический квадрат, который они дают.
Существование этих двух вспомогательных квадратов дает ключ к решению красивой карточной задачи. Если мы заменим, а именно, числа 1, 2, 3, 4 на Туза, Короля, Даму и Валета, а числа 0, 4, 8, 12 на четыре масти — трефы, пики, червы и бубны, мы сразу поймем, что возможно, и обязательно должно быть так, квадратично расположить таким образом четыре Туза, четыре Короля, четыре Дамы и четыре Валета, чтобы в каждом горизонтальном, вертикальном и диагональном ряду каждая из четырех мастей и каждое из четырех достоинств появлялись один и только один раз. Приведенные выше вспомогательные квадраты дают приложенное решение этой задачи:
Рис. 21.
Чтобы закрепить решение задачи в памяти, заметьте, что, начиная с различных углов, каждая масть и каждое достоинство должны быть помещены на места хода коня. Если мы зафиксируем позиции четырех карт любого одного ряда, останется только две возможности расположить другие карты так, чтобы требуемое условие наличия каждой масти и каждого достоинства один и только один раз в каждом ряду было выполнено.
Из магических квадратов с четным числом мест мы до этого момента рассматривали только квадраты 4 и 6. Ради полноты мы приложим здесь один квадрат из 8 и один из 10 мест. Способ построения этих квадратов аналогичен методу, обсуждавшемуся выше для меньших четных чисел.
Рис. 22.
Рис. 23.
Построенные таким образом магические квадраты с четными числами — не единственно возможные. Напротив, возможно очень много других, которые подчиняются другим законам формирования. Было подсчитано, например, что для квадрата 4 можно построить 880, а для квадрата 6 — несколько миллионов различных магических квадратов. Число магических квадратов с нечетным числом клеток, конструируемых по методу Де ла Ира, также очень велико. Для квадрата 7 возможные конструкции составляют 363 916 800. С квадратами больших чисел множество возможностей увеличивается в том же огромном соотношении.
V. МАГИЧЕСКИЕ КВАДРАТЫ, СУММА КОТОРЫХ ДАЕТ НОМЕР ГОДА.
Магические квадраты, которые мы до сих пор рассматривали, содержат только натуральные числа от 1 и выше. Однако можно легко вывести из правильного магического квадрата другие квадраты, в которых другой закон управляет последовательностью вписываемых чисел. Из квадратов, полученных таким образом, мы посвятим здесь наше внимание только таким, в которых, хотя они и сформированы путем вписывания последовательных чисел, сумма, полученная от сложения рядов, является определенным числом, которое мы заранее установили, как номер года. В таком случае нам просто нужно прибавить к числам исходного квадрата определенное число, которое нужно рассчитать так, чтобы требуемая сумма получалась каждый раз. Если эта сумма делится на 3, всегда можно получить магические квадраты с 3 на 3 местами, которые дадут эту сумму. В таком случае мы делим требуемую сумму на 3 и вычитаем 5 из результата, чтобы получить число, которое мы должны прибавить к каждому числу исходного квадрата. Если желаемая сумма четная, но не делится на 4, мы должны вычесть из нее 34 и взять одну четвертую результата, чтобы получить число, которое в этом случае нужно прибавить в каждой клетке. Если, например, мы хотим получить номер года 1890 в качестве результирующей суммы каждого ряда, нам придется прибавить к каждому из чисел обычного магического квадрата из 4 на 4 места число 464; другими словами, вместо чисел от 1 до 16 мы должны вставить в квадраты числа от 465 до 480. Поскольку номер текущего года 1892 делится на 11, должно быть возможно вывести из магического квадрата, построенного нами в конце раздела III, второй магический квадрат, в котором каждый ряд из 11 клеток даст номер года 1892. Для этого мы вычитаем из 1892 сумму исходного квадрата, а именно 671, и делим остаток на 11, благодаря чему получаем 111 и таким образом понимаем, что числа от 112 до 232 должны быть вписаны в клетки требуемого квадрата. Мы получаем таким образом предыдущий квадрат, из которого одну и ту же сумму, а именно 1892, можно получить 44 раза: во-первых, из каждого из 11 горизонтальных рядов, во-вторых, из каждого из 11 вертикальных рядов, в-третьих, из каждого из двух диагональных рядов и, в-четвертых, двадцать дополнительных раз из каждой и всякой пары любых двух рядов, которые лежат параллельно диагонали, имеют вместе 11 клеток и лежат по разные стороны от диагонали, как, например, 196, 122, 158, 205, 131, 167, 214, 140, 187, 223, 149.
Рис. 24.
VI. КОНЦЕНТРИЧЕСКИЕ МАГИЧЕСКИЕ КВАДРАТЫ.
Острота ума математиков также обнаружила магические квадраты, которые обладают тем своеобразным свойством, что если убирать один ряд за другим с каждой стороны, оставшиеся меньшие внутренние квадраты все равно будут магическими квадратами, то есть все их ряды при сложении дадут одну и ту же сумму. Будет достаточно привести здесь два примера таких квадратов (законы их построения несколько более сложны), из которых первый имеет 7 на 7, а второй 8 на 8 мест. Числа внутри каждой из рамок с темной каймой образуют по отношению к центру меньшие квадраты, которые, в свою очередь, являются магическими.
Рис. 25.
Рис. 26.
В первом из этих двух квадратов внутренний квадрат из 3 на 3 места содержит числа от 21 до 29 таким образом, что каждый ряд при сложении дает сумму 75. Этот квадрат лежит внутри большего квадрата из 5 на 5 клеток, который содержит числа от 13 до 37 таким образом, что каждый ряд дает сумму 125. Наконец, этот последний квадрат является частью квадрата из 7 на 7 мест, который содержит числа от 1 до 49, так что каждый ряд дает сумму 175.
Во втором квадрате внутренний центральный квадрат из 4 на 4 места содержит числа от 25 до 40 таким образом, что каждый ряд дает сумму 130. Этот квадрат является серединой квадрата из 6 на 6 мест, который содержит числа от 15 до 50 так, что каждый ряд дает сумму 165. Наконец, этот последний квадрат снова является серединой обычного магического квадрата, состоящего из чисел от 1 до 64.
VII. МАГИЧЕСКИЕ КВАДРАТЫ С МАГИЧЕСКИМИ ЧАСТЯМИ.
Если мы разделим квадрат из 8 на 8 мест с помощью двух средних линий, параллельных его сторонам, на 4 части, содержащие по 4 на 4 клетки каждая, мы можем поставить задачу вставить числа от 1 до 64 в эти клетки так, чтобы не только целое образовывало магический квадрат, но и чтобы каждая из 4 частей индивидуально была магической, то есть давала одну и ту же сумму для каждого ряда. Эта задача также была успешно решена, как покажет следующая диаграмма.
Рис. 27.
4 числа в каждом ряду любого из подквадратов здесь дают 130; так что сумма каждого из рядов большого квадрата будет 260.
Наконец, в дальнейшую иллюстрацию этой идеи мы представим на рассмотрение наших читателей очень примечательный квадрат из чисел от 1 до 81. Этот квадрат, который можно найти на следующей странице (рис. 28), разделен параллельными линиями на 9 частей, каждая из которых содержит 9 последовательных чисел, которые по отдельности составляют магический квадрат сами по себе.
Рис. 28.
Какими бы удивительными ни казались свойства этого квадрата, закон, по которому автор сконструировал его, столь же прост. Нам просто нужно рассматривать 9 частей как 9 клеток магического квадрата из чисел от I до IX, а затем вписать по магическому предписанию в квадрат, обозначенный как I, числа от 1 до 9, в квадрат, обозначенный как II, числа от 10 до 18 и так далее. Таким образом, вышеприведенный квадрат получается из следующего базового квадрата: