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魔方陣についてコミュの?魔方陣の製法【1】4x4魔方陣について

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(追記: ↓ここでも再掲しておきました。ここの内容とは重複しますが...)
http://mixi.jp/view_diary.pl?id=139998157&owner_id=1285676

(数字の嫌いな人はまず上記の方を観て下さい)


4方陣を,こんな具合につくれます

1111 0101 0022 0440 0808  1 14 7 12
1111+1010+2200+4004+0808 → 8 11 2 13
1111 1010 0022 0440 8080  10 5 16 3
1111 0101 2200 4004 8080  15 4 9 6


これは、0と1からだけから成る2進数方陣を4桁の
2進数各桁に割り当てることで0から15までの数字
からなる魔方陣をつくり、各数字を1ずつ増すことで
1から16までの魔方陣とするものです。

 2進数補助方陣の形としては、代表的なものは
次の5通りがあります。
  いずれも、縦横対角線上に0と1とが
  2個ずつ並んでいます。

1001 1100 1010 1100 1010
1001 0011 0101 1010 0011
0110 1100 0101 0101 1100
0110 0011 1010 0011 0101
 (A)  (B)  (C)  (D)  (E)

さらに右90度回転した形に’をつけて表すものとします
0011  0101  1001
1100  0101  0110
1100  1010  1001
0011  1010  0110
 (A')    (B')    (C') 


この中から、4組選んで
 各々 8倍・4倍・2倍・1倍した
 もの同士を組み合わせれば、いいのですが、
 
任意に魔方陣が作れるわけではなく。
  実際に調べてみると、作れる組合せには、
  次の制約条件があります。
 
?A、B,Cのグループの中だけの場合には
 ABCから2種類、A'B'C から2種類を選ぶことが必要


?DEを含むものでは、AC'またはA'C との組み合わせが
   魔方陣をつくることができる。


これらから、作れる組み合わせを求めると:

 例えば A,A',B,B'で作れる組み合わせを
  (A,A',B,B')で表すとすると
これには、上下反転のa,a',b,b'も
 含めて用いた形として、
  {A,a},{A'a'},{B,b},{B',b'} 
  それぞれの集合から、左右どちらの要素を
  使うかということで2x2x2x2=16通り、
 その4個を2進数各桁 8,4,2,1のいずれに
割り振るかの順列で24とおり
 
 最終的に、全体を回転、裏返しで同型になるものが
8種類重複してるので、
  その総数は16x24÷8=48通りになります.

以下同様にして、
(A,A',B,B'),(A,A'C,C'),(B,B',C,C') 各48通り
(A,A'B,C'),(A,B,B'C'),(A',B,B',C),(A,C',D,E)
・・・・各96通り

 ここでは例えば(A,A',B',C)は (A',A,B,C')で
作れる組み合わせを含めています。
全体を90度回転すれば、両者同じ形を作れるからです。

つまりこのABCDEとその回転、反転だけで
総数528通りの魔方陣がつくれます。



4方陣は880通りあることが知られています。
のこり352通りはどうやって作れるでしょう。

 例えば、次のような形もあります。
 対角和がどの補助方陣も一致しないパターンです



<非対称サンプル>
3 13 4 10  0 8 0 8 0 4 4 0 2 0 0 2 1 1 0 0
1 15 8 6=>0 8 8 0+0 4 0 4+0 2 0 2+1 1 0 0
14 0 7 9  8 0 0 8 4 0 4 0 2 0 2 0 0 0 1 1
12 2 11 5  8 0 8 0 4 0 0 4 0 2 2 0 0 0 1 1


結論からいいますと。次の7種類も使うことで
残りがつくれます。

これは対角線上の和が他と不一致の方陣です。

  対角和が0か4
1100  1100  1010
1100  0101  0101 
0011  1010  1010
0011  0011  0101
 (F)    (G)    (H)

 対角和が1か3
1001  1001  1100  1010
1100  0101  0110  0110
0011  1010  1001  1001
0110  0110  0011  0101
 (I)    (J)    (K)   (L)


これらを、混ぜて使うことにより、残りの352通りが
作れます。
・A〜E:2種類と F〜H:1種類とI〜L:1種類との
 組み合わせ 192通り
・A〜E:1種類と F〜H:1種類とI〜L:2種類との
 組み合わせ 112通り
・A〜E:0種類と F〜H:1種類とI〜L:3種類との
 組み合わせ  48通り

F〜HはI〜Lに隣あい、それらの中で最下位桁に
配置されますF〜Hを2度使う組み合わせはありません
(対角線上の数が重複します)


・・・・・・以上、4方陣880種全部の製法でした。


==============================================
製法についての記事を?から連番で11/6現在?まで
連番で示しています。 目次として載せておきます
 現在のページを◆で示しておきます。
・4方陣
?◆http://mixi.jp/view_bbs.pl?id=2013306
? http://mixi.jp/view_bbs.pl?id=2017172
・5方陣について
? http://mixi.jp/view_bbs.pl?id=2102712
? http://mixi.jp/view_bbs.pl?id=2166770
? http://mixi.jp/view_bbs.pl?id=2370334
・合成数の大きさの方陣
?  http://mixi.jp/view_bbs.pl?id=1948761
・立方陣について
 4立方陣
? http://mixi.jp/view_bbs.pl?id=2393919
? http://mixi.jp/view_bbs.pl?id=2552298
? http://mixi.jp/view_bbs.pl?id=2730817
 8立方陣
? http://mixi.jp/view_bbs.pl?id=2730921
 7以上の素数での立方陣 
? http://mixi.jp/view_bbs.pl?id=2750487

コメント(15)

もうすこし簡略化した形でかくと
4進数2桁分の 上位桁側と(下位桁側+1)との

 {1,2,3,4} と {0,4,8,12} の組み合わせで
考えると、わかりやすいかもしれません。


例えば

1234   01248   1 14 7 12
4321 + 48012=> 8 11 2 13
2143   84120   10 5 16 3
3412   12084   15 4 9 6

左側の方陣では、1から4までの数字が、いずれも
各行、各列、各対角線上に1個ずつ配置されています。

 (このあたり、ニコリの数独パズルにも似ています
  http://www.nikoli.co.jp/puzzles/1/)

数独とちがうのは、4進数、上位桁側とも組み合わせて
重複なく、1から16まですべての数字が生成される
ようにすることです。

1から4まで全てが1列に配置される必要はありません
1と4、2と3 補数同士が、2個ずつの組み合わせが
1列にあってもOKです。

 例えば

2233 01284  2 14 11 7
3322+01284=>3 15 10 6
1144 12048  13 1 8 12
4411 12048  16 4 5 9


このような形は他にも、いろいろ作れると思います
片側だけででも、他に考えてみてください。

例えば

1234 1414   まだまだ、たくさんあるでしょう。
3412 2323 ・・・・・>この先は御自身で。
2143 4141
4321 3232
↑これって、私の仕事に役に立つことに
今気付きました。

ありがとうございます!
お役に立って、なによりです。

 魔方陣が、何かの実用に役だったという話は、なかなか、無くて、せいぜい、東芝がプラズマTVに、”魔方陣アルゴリズム”を使ったというぐらいしか知りません。

http://www.watch.impress.co.jp/av/docs/20030903/toshiba1.htm

・・・・・さしつかえない範囲で、何の役に立ったのか、教えていただけませんか?
ごめんなさい。
私のいくつかの仕事のなかで
唯一、厳しい守秘義務のある「闇の仕事」関係なので
一切言えません。(^^ゞ
工学院大学情報工学科教授の長嶋秀世氏らによる
”完全方陣のディザ行列への適用に関する検討”
という論文を読んだことがあります。
長嶋教授の研究成果のリストはこちらです。
http://www.ns.kogakuin.ac.jp/~ct69111/research/research.html
ディザ行列というのは、いかにして少ない色の階調で
自然な(なめらかな)グラデーションに見せるか?
という目的のために使われる技法です。
Googleのイメージ検索でditherと入れると
それっぽい画像がたくさん出てきます。

東芝が当時謳っていたのもそれと同等か似た手法だと思います。
今はもう魔方陣アルゴリズムの文字はないですので、
使用していないか、実はどこのメーカーでもやっていたか、
アピールするほどの効果がなかったものと思われます。
あ、その論文、読んだことがあったと思います。
 (こんなんで論文書けるんなら、私自身、魔方陣か立方陣を
 何か卒研のネタにでもすれば良かったと、当時はすごく
 悔しかったです)

間引き縮小画像などで、濃度平均の変動が、普通のBayer型ディザマトリックスよりも少なくて良いという話でしょう。

19311
135157
412210
168146

たしかbayer型のマトリックスはこんな風な配置で、
(濃淡を順に表現する際はなるべく、ドット同士が
 離れる順番に、数字が配置されています)
これを閾値として、多値画像を2値化したばあい、
1/4程度の濃度では、図の1から4までの場所が、
黒になって、下図のような具合です。

■□■□■□■□
□□□□□□□□
■□■□■□■□
□□□□□□□□
■□■□■□■□
□□□□□□□□
■□■□■□■□
□□□□□□□□

この画像だと 縦横半分の縮小画像をつくろうとした場合
単純に縦横1本ずつ等間隔に間引くと
■■■■ □□□□
■■■■か□□□□
■■■■ □□□□
■■■■ □□□□
となり、濃淡が大きく変わることになりますが、

完全魔方陣をディザパターンに使った場合には2値化すると
よく桂馬トビの配置がでてきます。

□■□□□■□□
□□□■□□□■
■□□□■□□□
□□■□□□■□
□■□□□■□□
□□□■□□□■
■□□□■□□□
□□■□□□■□

これを 縦横1個おきに単純間引いた画像では、
まびく起点がどこであれ 下図のように白黒比が
かわらず、濃度変動が少なくなるという点で、
サムネイル画像を作る元画像の2値化方法に
いいということでした。

□□□□
■□■□
□□□□
■□■□

論文では4x4行列での汎魔方陣48通り
(本質的には3通り)について比較して、
3種類のうちの1つが対角方向も含めて、
一番周波数特性が良かったという話も
載っていたかと思います。
算数の不思議とかいうような本に、覚えやすい
具体例が1つありましたので、
「いつでもすぐ(初心者でも)書けるように1個ないかなぁ」
という人用に、ご紹介します。

? まず1〜16を4方陣のマスに敷き詰めてみましょう

 1234
 5678
 9101112
 13141516

? 4方陣の上に×印を思い浮かべて、数を残してください
 (対角線上、ということです)

 ?  ?
  ?? 
  ?? 
 ?  ?

? 空きができた部分を逆から数を埋めてください

 ?1514?
 12??9
 8??5
 ?32?

? 以上のような手順で1個できます。勿論この4方陣を
  回転させることで他にも3種覚えることができます


数学が嫌いだけど魔方陣を記憶したい方専用(笑 
同じ方法が8方陣,12方陣,16方陣,20方陣でもつかえます。

 8方陣の例:


\■■/\■■/
■\/■■\/■
■/\■■/\■
/■■\/■■\
\■■/\■■/
■\/■■\/■
■/\■■/\■
/■■\/■■\


上図の斜線\/部分について 左上隅から順に
数字を収めていってから

→→→→→→→→
?■■??■■?
■??■■??■
■??■■/\■
/■■\/■■\ 途中省略
\■■/\■■/
■\/■■\/■
■/\■■/\■
57■■6061■■64
→→→→→→→→


残った黒■の部分に,下から反対に
右下隅から左方向へ順に数字を収めると


←←←←←←←←
?6362??5958?
□??□□??□
□??□□/\□
/□□\/□□\ 途中省略
\□□/\□□/ 
□\/□?\/?
?/\??/\?
57??6061??64
←←←←←←←←

・・・・8方陣が完成します
4x4の魔方陣が手頃でおもしろいとおもいました。

880ある解のうち、なにか意味づけができるものがあるとよいかなとおもいました。

探していたら下記のようなサイトがありましたので紹介です。
仲の悪い数、すごく仲の悪い数w
http://www.guru.gr.jp/~issei/msqj/4houjin.htm
4x4についてH. E. Dudeneyさんが1910年に提案した12分類
http://www.magic-squares.net/order4list.htm#Introduction
880の全リストも掲載されています
Mutsumi Suzukiさんの
4x4のsemi magic square (斜めを考慮しない)
68688個あるそうです。
http://mathforum.org/te/exchange/hosted/suzuki/MagicSquare.4x4.semi.html
4x4のpandiagonalのmagic squareをトーラス状に描いたもの
http://carresmagiques.blogspot.jp/2012/12/magic-torus.html

4x4のpandiagonalなものは本質的には3つしかないんだそうです
http://en.wikipedia.org/wiki/Pandiagonal_magic_square
久々の投稿 ありがとうございました。
 ちなみに、10>>の仲の悪い数、すごく仲の悪い数 は、このコミュのメンバーでもあるisseiさんの記事ですね。
>>13
>4x4のpandiagonalなものは本質的には3つしかないんだそうです


これは 上の記事の途中にある(↓下記抜粋部分) A,A'B,B'の組み合わせを使ったものに相当します

〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜
 例えば A,A',B,B'で作れる組み合わせを
  (A,A',B,B')で表すとすると
これには、上下反転のa,a',b,b'も
 含めて用いた形として、
  {A,a},{A'a'},{B,b},{B',b'} 
  それぞれの集合から、左右どちらの要素を
  使うかということで2x2x2x2=16通り、
 その4個を2進数各桁 8,4,2,1のいずれに
割り振るかの順列で24とおり
 
 最終的に、全体を回転、裏返しで同型になるものが
8種類重複してるので、
  その総数は16x24÷8=48通りになります.
〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜

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