二、行列等和方阵拼合法

        在第 14 页我们已经指出如果某个方阵的各行、各列诸数之和都相等,这种方阵称为行列等和方阵。行列等和方阵拼合法是制作四个行列等和方阵,将它们拼合成幻方(每一个等和方阵作为一区,要求左上区与右下区的幻方相等,另外两区也是这样),这种方法是制作单偶数阶幻方的重要方法,用这种方法制作六阶幻方的步骤是:

        (一)、制作六阶拼合型初始方阵

        制作六阶 拼合型初始方阵 (指用于行列等和方阵拼合法的初始方阵)要满足下列 4 项要求: 1 、整个方阵由前 36 个自然数组成。 2 、它的各区每一行从左到右 3 个数都是依次增加同一个数。例如图 5 5A 初始方阵中是依次增加数 1 ,图 5 6A 初始方阵中是依次增加数 6 3 、它的左上区第一列诸数之和等于右下区第一列诸数之和,例如图 5 5A 初始方阵中, 1 25 34 以及 19 10 31 这两组数之和都是 60 ),另外两区也是这样(例如图 5 5A 初始方阵中, 4 13 28 以及 7 22 16 这两组数之和都是 45 )。 4 、它的左上区的中心数与右下区的中心数是互补数,另外两区的中心数也是这样(在图 5 5A 初始方阵中, 26 11 14 23 是两组互补数)。

         (二)、将初始方阵中每一区(方阵)的数,仿照制作三阶幻方的方法制作成四个三阶行列等和方阵

        这一步要将每一区第二行的各个数作为幻方的对角线上的数,例如图 5 5A 初始方阵中的 25 26 27 10 11 12 6 个数,组成幻方的左上对角线;初始方阵中 13 14 15 22 23 24 6 个数,组成幻方的右上对角线。据对于对角线的这一要求,制作时应注意以下几点: 1 、左上区与右下区中所采用的主步只能是“下 1 1 ”或“下 2 2 ”等左上对角线方向的步法, 2 、起点方格(填写该区左上方格的数的方格)不能在幻方的对角线上, 3 、选择转向步时应使该区第二行的第一个数位于幻方的对角线上,并且不在起点方格所在的行、也不在起点方格所在的列(参看第 71 页)。例如在图 5 5B 幻方中,主步为“下 1 1 ”,转向步为“上 1 ”,使数 25 在幻方的对角线上;又如图 5 5D 幻方中,主步为“下 2 2 ”,转向步为“上 1 1 ”,也使数 25 在幻方的对角线上。左上区与右下区的主步也是相同的,应该是“下 1 1 ”或“下 2 2 ”等右上对角线方向的。从这些实例可以看出,左上区与右下区只是总的要求相同,两者的具体步法可以不同。如果希望制作过程简单,最好是两者采用相同的步法。

         可以证明,采用上述方法制作的 4 个方阵,一定是行列等和方阵,四者拼合所得到的方阵一定是六阶幻方。

         1     2     3    4     5     6            26   34    3     4   30   14      

        25   26   27   13   14   15              1   27   35   29   13    6     

        34   35   36   28   29   30            36     2   25   15    5   28       

          7     8     9   19   20   21              7   18   23   11   31   21       

        22   23   24   10   11   12            17   22     9   19   12   32      

        16   17   18   31   32   33            24     8   16   33   20   10        

      A   拼合型初始方阵                 B   六阶幻方   

       25   36     2     5   28   15            25     1   34     6   28   14

          3   26   34   30   14     4            36   27     3   29   15     4

         35     1   27   13     6   29             2   35   26   13     5   30

           8   16   24   10   33   20            18     7   23   12   20   31

         18   23     7   21   11   31              8   24   16   32   10   21

         22     9   17   32   19   12            22   17     9   19   33   11

              C   六阶幻方                        D   六阶幻方

     5 5    一个六阶拼合型初始方阵和 3 个六阶幻方     

         从以上的研究可知,对于一个确定的六阶拼合型初始方阵,可以采用多种步法制作成六阶幻方。要使采用行列等和方阵拼合法制作的六阶幻方的数量多,那就还要制作很多的六阶拼合型初始方阵。

         制作六阶拼合型初始方阵有多种方法。一方面,在左上区每一行 3 个数的公差不变的条件下,满足第 3 、第 4 个要求的安排是多种多样的,也就是可以制作多种多样的拼合型初始方阵。例如在图 5 5A 中,右上区与下区的数 29 8 是一对互补数,我们可以将右上区中的第 2 、第 3 行互换、同时将左下区第 1 、第 2 行互换,得到另外一个满足 4 项要求的拼合型初始方阵。再如可以将左上区与右下区整个儿互换。

         5 6A 也是一个六阶拼合型初始方阵,它的组成特点与图 5 5A 大体相同,它各区的每一行依次增加的数是 6 ,它的各区第一列的数是  6 19   24 。图 5 6 中还给出了据 A 图制作的一个六阶幻方。

         1     7   13     5   11   17            29     1   31   24   17     9      

       23   29   35     3     9   15             19   35     7   11     3   36     

       19   25   31   24   30   36             13   25   23   15   30     5    

         4   10   16   20   26   32               6   14   28     8   20   33     

       22   28   34     2     8   14             10   22   18   24   14   26     

         6   12   18   21   27   33             34   12     4   32   27     2    

     A   拼合型初始方阵              B  六阶拼合型幻方             

           5 6    用等和方阵拼合法制作六阶幻方

           1   13   25     4   16   28              19   21   23   26   28   30

           6   18   30   11   23   35                2     4     6   13   15   17

         12   24   36     5   17   29              25   27   29   14   16   18

           8   20   32     3   15   27                1     3     5     7     9   11

           2   14   26     7   19   31              20   22   24   31   33   35

         10   22   34     9   21   33             32   34   36     8   10   12 

                 初始方阵 C                           初始方阵 D

                     5 7   两个六阶拼合型初始方阵

         5 7 又给出了两个六阶拼合型初始方阵,它们的左上区每一行依次增加的数分别是 12 2 。据高治源先生研究,在六阶拼合型初始方阵中,左上区每一行中依次增加的数只能取 6 个数: 1 6 12 2 3 4 。我们所列举的 4 个初始方阵已经对前 4 种情况各列举了一个实例。对于后两种情况,初始方阵中第 1 列与第 4 列的 12 个数是( 1 2 3 10 11 12 19 20 21 28 29 30 ),或者是( 1 2 3 4 13 14 15 16 25 26 27 28 )。

            综上可知,据初步计算,用行列等和方阵拼合法能够制作的六阶幻方至少有 5000 个。

                       1     2     3    4     5   16   17   18   19   20        

                       46   47   48   49   50   36   37   38   39   40         

                       21   22   23   24   25   86   87   88   89   90    

                       71   72   73   74   75   61   62   63   64    65        

                       96   97   98   99 100   51   52   53   54   55        

                       56   57   58   59   60     6     7    8     9   10         

                       26   27   28   29   30   31   32   33   34   35      

                       11   12   13   14   15   76   77   78   79   80          

                       66   67   68   69   70   41   42   43   44   45         

                       91   92   93   94   95   81   82   83   84   85         

                            A   十阶拼合型初始方阵             

                       23   47    1  100   74   37   19   51   63   90

                       75   24   48    2    96   16   53   65   87   39

                       97   71   25   49    3    55   62   89   36   18

                         4   98   72   21   50   64   86   38   20   52

                        46    5    99   73   22   88   40   17   54   61

                        67   94   26   58   15   78   32     6   85   44

                        93   30   57   14   66   45   79   33     7   81

                        29   56   13   70   92   82   41   80   34     8

                        60   12   69   91   28     9   83   42   76   35

                        11   68   95   27   59   31   10   84   43   77

                                B   拼合型十阶幻方

            5 10    用行列等差方阵拼合法制作十阶幻方示例

         这里再给出制作十阶幻方的一个例子。图 5 10A 是一个十阶拼合型初始方阵(它的每一区各行依次增加的数是 1 ,其中左上区中 1+46+21+71+96 = 235 ,右下区中 6+31+76+41+81 = 235 。两者是相等的,另外两区的同一位置的两组数的和都是 245 ,它的组成特点与图 5 5A 相同)。对于图 5 10A 各个区的数,   用数步法(或主步转向步法)制作成 B 图中同一位置的五阶行列等和方阵(注意事项与制作六阶幻方大体相同),就得到图 5 10B 这个十阶幻方。在制作十阶幻方时,由于每一区中可能采用的步法比六阶幻方时多得多,因而所能制作十阶幻方的数量更多。

        一般来说,随着阶数增大,制作 4m+2 阶拼合型初始方阵的灵活性大得多,所能采用的步法也大大地增加。总之,行列等和方阵拼合法是制作单偶数阶幻方的通用方法,用这种方法制作的 4m+2 阶幻方的数量随着 m 值增大而急剧地增加。

         据初步研究,用行列等和方阵拼合法制作的单偶数阶幻方都是每一行、每一列、两对角线上诸数中“小数”(“小数”,参看第 104 页)恰好占一半的幻方。读者会看到,具有这种特点的幻方在下文中将有某种特殊的作用。