Геометрический магический квадрат - Википедия - Geometric magic square

Рисунок 1:   Геомагический квадрат с фигурами одинакового размера

А геометрический магический квадрат, часто сокращенно геомагический квадрат, является обобщением магические квадраты изобретен Ли Саллоус в 2001 году. Традиционный магический квадрат - это квадратный массив чисел (почти всегда положительных целых чисел), сумма которых, взятая в любой строке, любом столбце или любой диагонали, одинакова целевой номер. С другой стороны, геометрический квадрат представляет собой квадратный массив геометрических форм, в котором фигуры, появляющиеся в каждой строке, столбце или диагонали, могут быть объединены вместе для создания идентичной формы, называемой форма цели. Как и в случае с числовыми типами, требуется, чтобы записи в геометрическом квадрате были разными. Точно так же восемь тривиальных вариантов любого квадрата, возникающего в результате его вращения и / или отражения, считаются одним и тем же квадратом. Посредством измерение Под геометрическим квадратом подразумевается размер частей, которые он использует. До сих пор интерес был сосредоточен в основном на двухмерных квадратах с использованием плоских элементов, но разрешены элементы любых размеров.

Примеры

На рисунке 1 выше показан геометрический квадрат 3 × 3. Три части, занимающие каждый ряд, столбец и диагональ, создают прямоугольную мишень, если смотреть слева и справа, сверху и снизу. Здесь все 9 штук распадается, но могут появиться части любой формы, и они не обязательно должны быть одинакового размера. На рисунке 2, например, части представляют собой полимино последовательных размеров от 1 до 9 единиц. Мишень представляет собой квадрат 4 на 4 с внутренним квадратным отверстием.

Удивительно, но компьютерные исследования показывают, что рис. 2 - это всего лишь один из 4370 различных геометрических квадратов 3 × 3, в которых используются части с одинаковыми размерами и одной и той же целью. И наоборот, рис. 1 представляет собой одно из двух решений, в которых используются детали одинакового размера и идентичная мишень. Как правило, повторяющиеся размеры деталей подразумевают меньшее количество решений. Однако в настоящее время не существует теоретической основы для объяснения этих эмпирических данных.^[1]

Фигура 2:   Геомагический квадрат из кусочков последовательного размера.

Рисунок 3:   Панмагический геометрический квадрат 3 × 3

Фигуры в геометрическом квадрате также могут быть непересекающийся, или состоящие из разделенных островов, как показано на рисунке 3. Поскольку они могут быть размещены таким образом, чтобы взаимно перекрываться, непересекающиеся части часто могут мозаить области, которые соединенные части не могут. Награды этой дополнительной гибкости часто можно увидеть в геомагии, обладающей симметрией, недоступной для числовых образцов.^[2]

Помимо квадратов, использующих плоские формы, существуют трехмерные образцы, ячейки которых содержат твердые части, которые будут объединяться в одну и ту же постоянную твердую цель. На рисунке 5 показан пример, в котором целью является куб.

История

Известная формула, придуманная математиком Эдуард Лукас характеризует структуру каждого магического квадрата чисел 3 × 3.^[3] Саллоус, уже автор оригинальных работ в этой области,^[4] долго предполагал, что формула Лукаса может содержать скрытый потенциал.^[5] Это предположение подтвердилось в 1997 году, когда он опубликовал небольшую статью, в которой исследовал квадраты с использованием комплексных чисел, что привело к новой теореме, которая коррелирует каждый магический квадрат 3 × 3 с уникальным параллелограммом на комплексной плоскости.^[6] Продолжая в том же духе, следующим решающим шагом была интерпретация переменных в формуле Лукаса как обозначения геометрических форм - диковинная идея, которая непосредственно привела к концепции геометрического квадрата.^[7]Неожиданным следствием этой находки оказалось то, что традиционные магические квадраты теперь превратились в одномерные геомагические квадраты.

Другие исследователи также обратили на это внимание. Чарльз Ашбахер, соредактор Журнал развлекательной математики, говорит о том, что поле магических квадратов «резко расширилось»^[8] Питер Кэмерон, победитель Лондонского математического общества Приз Уайтхеда и совместный победитель Медаль Эйлера, названный geomagic squares «новым замечательным произведением развлекательной математики, которое порадует нематематиков и даст математикам пищу для размышлений».^[1] Писатель-математик Алекс Беллос сказал: «Придумать это после тысяч лет изучения магических квадратов - это довольно удивительно».^[9] Могут спросить, могут ли геомагические квадраты найти применение за пределами изучения головоломок. Кэмерон убежден в этом, говоря: «Я сразу вижу много вещей, которые я хотел бы сделать с этим».^[9]

Способы строительства

За исключением тривиальных примеров, простых методов построения геометрических квадратов не существует. На сегодняшний день изучены два подхода.^[10] Где части, которые будут использоваться полиформы, или формы, составленные из повторяющихся единиц, становится возможным исчерпывающий поиск с помощью компьютера.

В случае рисунка 1, например, первым шагом будет выбор размеров деталей, которые будут использоваться (в данном случае все одинаково), и формы желаемой цели. Тогда исходная программа сможет сгенерировать список L соответствующие всем возможным мозаикам этой целевой формы на 3 отдельных фрагмента (полимино размера 10). Каждое декино представлено уникальным целым числом, так что L будет состоять из списка целочисленных триад. Последующая процедура может затем проходить и проверять по очереди каждую комбинацию трех различных триад. Тест будет состоять в том, чтобы рассматривать триады-кандидаты как записи строки в квадрате 3 × 3, а затем проверять, содержат ли сформированные таким образом столбцы и диагонали по 3 целых числа, которые также находятся в L- другими словами, также являются триадами целевых плиток. Если это так, то был идентифицирован геомагический квадрат 3 × 3 с использованием 9 декомпозиций и выбранной цели. Если это не удается, можно попробовать альтернативные целевые формы. Разработанную версию того же метода можно использовать для поиска квадратов большего размера или квадратов, включающих кусочки разного размера.

Альтернативный метод построения начинается с тривиального геометрического квадрата, показывающего повторяющиеся части, формы которых затем модифицируются так, чтобы визуализировать каждый отдельный объект, но без нарушения магических свойств квадрата. Это достигается с помощью алгебраического шаблона, такого как показано ниже, различные переменные в котором затем интерпретируются как различные формы, которые либо добавляются к начальным частям, либо удаляются из них, в зависимости от их знака.

Рисунок 4:   Самосвязывающийся геометрический квадрат

Рисунок 4 иллюстрирует такую ​​геометрическую интерпретацию шаблона, в которойk интерпретируется как небольшая квадратная форма, а а,б,c и d представляют собой выступы (+) и / или углубления (-), с помощью которых он модифицируется так, что в результате получается 16 различных частей лобзика.

${ Displaystyle { begin {array} {| c | c | c | c |} hline k + a + b & k-a + d & k-c-d & k-b + c hline k + a-b & k-a -d & k-c + d & k + b + c hline ka-b & k + a-d & k + c + d & k + bc hline k-a + b & k + a + d & k + c-d & k-bc hline end {массив}}}$

Отношение к традиционным магическим квадратам

Вопреки впечатлению, производимому на первый взгляд, неправильно рассматривать термин «геомагический квадрат» как относящийся к некоторой категории магических квадратов. На самом деле все обстоит как раз наоборот: каждый (аддитивный) магический квадрат является частным случаем геометрического квадрата, но никогда наоборот. Это ясно из примера ниже, который появляется в обширной статье о геомагических квадратах автора Жан-Поль Делахайе в Pour la Science, французская версия Scientific American.^[11] В этом случае целевая «форма» для геометрического квадрата справа - это просто одномерный линейный сегмент длиной 15 единиц, причем части снова являются не более чем отрезками прямой линии. Таким образом, последнее, очевидно, является прямым переводом в геометрические термины числового магического квадрата слева.

Как говорит Делахай: «Этот пример показывает, что концепция геомагических квадратов обобщает магические квадраты. Результат здесь вряд ли впечатляет, но, к счастью, есть другие геометрические квадраты, которые не являются результатом такого преобразования».^[11][12]

Дело в том, что любой числовой магический квадрат можно понимать как одномерный геомагический квадрат, как указано выше. Или, как выразился сам Саллоус, «традиционные магические квадраты с числами затем раскрываются как частный случай« геомагических »квадратов, в которых все элементы одномерные».^[2] Однако это не исчерпывает одномерный случай, потому что существуют одномерные геомагические квадраты, компоненты которых отключен отрезки линий, которые не соответствуют никакому числовому магическому квадрату. Таким образом, даже в первом измерении традиционные типы соответствуют лишь крошечному подмножеству всех геометрических магических квадратов.

Особые типы

Более богатая структура геомагических квадратов отражается в существовании образцов, демонстрирующих гораздо большую степень «магии», чем это возможно с числовыми типами. Таким образом панмагический квадрат та, в которой каждая диагональ, включая так называемую ломаные диагонали, имеет то же магическое свойство, что и строки и столбцы. Однако легко показать, что панмагический квадрат размером 3 × 3 невозможно построить с помощью чисел, в то время как геометрический пример можно увидеть на рисунке 3. Сопоставимых примеров с использованием соединенных частей пока не сообщалось.^[2]

Фигура 5:   Трехмерный геометрический квадрат с кубической целевой формой

Рисунок 6:   Геомагический квадрат, части которого составляют набор мозаичных плиток

Помимо того, что они являются геомагическими, существуют квадраты со вспомогательными свойствами, которые делают их еще более заметными. На рисунке 6, например, который волшебен только для строк и столбцов, 16 частей образуют так называемый Набор самонакладной плитки. Такой набор определяется как любой набор п различные формы, каждая из которых может быть облицована меньшими копиями полного набора п формы.^[13]

Второй пример - рисунок 4, который представляет собой так называемый «самосвязывающийся» геомагический квадрат. Здесь 16 частей больше не содержатся в отдельных ячейках, а сами определяют форму квадратных ячеек, чтобы соединиться вместе, чтобы получить квадратную мозаику.

Геомагические квадраты в популярной культуре

Марка Макао с геометрическим магическим квадратом

9 октября 2014 г. почтовое отделение г. Макао выпустила серию марок на основе магические квадраты.^[14] Марка ниже, показывающая один из геометрических квадратов, созданных Саллоусом, была выбрана для этой коллекции.^[15]

Рекомендации

Примечания

Источники

• Саллоуз, Ли, Геометрические магические квадраты: новый захватывающий поворот с использованием цветных фигур вместо чисел, Dover Publications, апрель 2013 г., ISBN  0486489094

внешняя ссылка

• Сайт Geomagic Squares
• Формальное математическое определение Geomagic Squares