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魔方(續):專論四階魔方

本刊第十一期中,曾討論過奇數階魔方的作法,也曾說過偶階魔方比較困難。現在我們來談:偶數階魔方中,四階魔方的作法。

四階魔方,比較簡單容易。其餘的偶數階魔方,則留待以後再談。

A.四階魔方:以 1 到 16 的十六個連續數,放在每邊四格的方陣中,要使豎的每行,橫的每列及兩對角線上四數的和,皆為 34。

S= 1 + 2 + 3 + … + 16 = [ ( 1 + 16 ) / 2 ] x 16 = 136

各行各列及兩對角線上四數和為

L= S/ 4 = 136 / 4 = 34。

茲將 16 個連續數,依序放入方陣中如圖一。然後按圖檢討分析,並將結論條列如下:

graphy-3

圖一

一.同列數字,依次向右增 1,如 2 比 1 多 1,3 比 2 多 1 等等,而個列四數之和,依次向下,各別為 10,26,42,58。

二.同行數字,依次向下增 4,如 5 比 1 多 4,9 比 5 多 4 等等,而各行四數之和,依次向右,分別為 28,32,36,40。以上均標示如圖一。

三.最上列數字之和為 10,最下列則為 58。兩者之差為 48。而同行最上數字與最下數字之差為 12(如 1 與 13 及 2 與 14 等﹚故如取 14 與 2 及 15 與 3,互換位置,則最下列四數之和,少了兩個 12,亦即最下列各數之和由原來的 58,變成 34 (58 – 2 x 12 = 34)。而最上列則增加了兩個 12,亦即最上列各數和,由原來的 10,變成了 10 + 2 x 12 = 34。於是最上列與最下列,都符合四階魔方的條件了。但因互換都是在同行內之兩數位置對調,故各行各數之總和,仍未改變。

四.同理,以 6 與 10 及 7 與 11 互換位置,第二列與第三列也符合了總和為 34 的條件,以上各點,可對應參考圖二。

圖二

五.現在來解決直行問題。參看第二圖。第四行之總和為 40,比應有的 34 多 6。第一行之和為 28,比應有的 34 少 6。而 8 比 5 多 3,12 比 9 亦多 3。故如讓 8 與 5 及 12 與 9 位置互調,則第四行少了 6,而第一行則多了 6,這兩行都符合條件了。

六.同樣,如取圖二中的 11 與 10 及 7 與 6 互調則第二行及第三行也都符合條件了,以上所述,可參考圖三。

七.圖三即為四階魔方之答案。置換方法不同,可能答案不止一個。這點留待讀者自己研究吧。

圖三

圖三